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分析虛擬加工和其關鍵技術、系統結構(四)
閱讀：89 發布時間：2020-8-123 虛擬加工系統的體系結構
目前上已有不少較為成熟的商用虛擬加工軟件, 例如 VERICUT, MasterCAM, Deneb VNC等。 這些軟件或為專門的虛擬加工軟件, 或帶有加工仿真模塊, 在技術上比較成熟, 已有較多的應用客戶。
VERICUT是由 CGTech 公司開發的一個加工仿真軟件系統, 結合該軟件所提供的資料[13], 其簡化了的系統結構可以用圖 3 表示。
如圖 3 所示, VERICUT 可以從 CAD/CAM中導入零件的加工模型和 NC代碼或刀位文件, 并可以在軟件內部進行加工設備建模和定義, 并將完整的加工模型和 NC代碼輸入到其核心的 VERICUT Verification (即
加工仿真/驗證)模塊進行加工過程仿真和驗證, 同時進行刀位優化、 過切檢查等輔助處理, 后將仿真后的模型導出為常用的 IGES格式或 SLA格式的模型。
MasterCAM是由 CNC 軟件公司開發的一套 CAD/CAM軟件系統, 其核心功能便是虛擬加工過程仿真。 該軟件系統的模塊結構如圖 4 所示。
MasterCAM主要采用曲面建模技術來對加工零件和刀具進行建模, 并有著優秀的 NC刀位軌跡計算、 編輯、 驗證和后置處理功能[14]。該系統由其任務管理器來控制軟件工作, 通過數據交換接口與其他的 CAD/CAM軟件進行數據的導入和導出。其自帶的實體管理模塊,可以進行實體模型的定義、編輯等操作; 數控編程模塊, 可以進行 NC編程; 在任務管理器的控制下, 可將實體加工模型和 NC 代碼輸入到相應的仿真模塊進行仿真驗證。
結合國家 863 計劃的有關項目研究, 筆者提出了一個完整的虛擬加工系統的典型結構[ 15-16], 如圖 5 所示, 其包含如下功能模塊。
1) 幾何建模: 進行加工中心設備的幾何建模, 包括簡單體素定義和裝配, 以形成構成加工中心設備的主軸(箱)、 工作臺、 換刀機械手、 導軌及其他部分幾何模
型; 對簡單零件和毛坯進行幾何建模或從其他 CAD/CAPP/CAM系統轉換零件的幾何模型, 實現工件毛坯及夾具在拖盤上的裝夾定義。
2) 機床定義: 對機床幾何模型賦予加工軸、 刀庫、主軸、 工作臺等邏輯定義。
3) 刀庫定義: 對鏜、 銑、 鉆孔、 車削等用的各類刀具參數進行定義和管理。
4) 加工任務設置: 與加工相關的一些設置, 包括刀庫定義、 工件裝夾、 零偏設置、 NC代碼加載等。
5) NC代碼翻譯轉換: 可支持多種控制器的 NC代碼解釋, 不僅可提取出驅動加工中心設備模型運動的數據, 而且可提取各種加工狀態信息和工作步驟信息,以支持工件材料切除的計算。
6) 加工過程仿真: 用動畫展現加工過程中材料切除的過程和設備的工作狀態, 并支持 NC代碼窗口調試能力, 檢查刀具與夾具和工作臺的碰撞及過切、 少切現象, 檢查無效的 NC代碼動作、 進給和切削用量的合理性。
4 GMPS 系統簡介
GMPS 系統是由清華大學虛擬制造和仿真實驗室研發的一個虛擬加工仿真系統, 全名為 General Ma-chine Processing Simulator, 即通用加工過程仿真器, 其結構如圖 6 所示[1,17]。
GMPS 系統基本上采用了圖 5 所示的虛擬加工系統的體系結構, 并在各關鍵技術方面采用了合適的方法, 使其具備了完善的功能和良好的性能。GMPS是一個面向 NC程序員和操作員設計的系統, 基于完整的加工中心設備定義和工件的裝夾模型進行圖形仿真和檢驗, 因而更接近于實際的試切過程。其可以支持三軸至五軸的鏜銑類數控加工, 支持的控制器類型有 MAHO、FANUC系列。系統還提供了三軸立式加工中心和四軸臥式加工中心的樣板。
GMPS具有以下功能特點:
1) 提供便利的建模手段實現加工中心設備的幾何建模, 包括體素定義和裝配, 以形成構成加工中心設備的主軸(箱)、 工作臺、 換刀機械手及其它部分幾何模型;
2) 加工中心的邏輯定義, 包括機床坐標系、 各加工軸定義、 刀庫、 主軸及加工工作臺的邏輯定義等;
3) 控制器的配置, NC代碼的檢驗及翻譯轉換成控制加工中心模型工作的數據;
4) 工件及夾具在拖盤上的裝夾定義, 以及機床刀庫的定義, 其中工件及毛坯的幾何信息可以由本系統自行建立, 也可以和其它 CAD系統接口;
5) 加工過程中的各種破壞和危險的檢驗, 主要指存在于刀具與工件、 夾具和拖盤之間的碰撞、 干涉現象和過切的檢驗;
6) 系統采用 OpenGL圖形接口、雙緩沖區繪圖方式進行繪圖及顯示, 因此有著較好的圖形顯示性能, 可以任意改變空間視角, 也可以任意放大縮小畫面。GMPS系統在數控加工行業有著良好的推廣前景,曾成功地在多個企業實際應用, 如山西經緯紡織機械有限公司、航天集團二院 283 廠等, 取得了良好的成效, 縮短了企業產品的生產周期, 降低了制造成本, 增強了企業產品的市場競爭力, 直接促進了企業效益的增長。圖 7 是采用 GMPS進行虛擬加工的一個實例: 虛擬機床在 NC代碼的驅動下, 模擬對某零件的切削過程。該仿真包含了零件、 夾具、 機床和刀具, 能完整地用動畫模擬加工過程中的進刀、 換刀、 切削、 托盤轉動等加工細節, 并能以聲音報警和圖形高亮的方式提示碰撞干涉。
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