基于虚拟现实技术的数控车床仿真系统的研究与开发

发布时间：2016-06-11 06:23

第一章绪论

数控技术的快速发展和广泛应用,给各大企业带来进步的同时化产生了其他的一些问题:企业花大量资金购进了数控设备,但数控设备的使用率仍然很低,导致了一些企业出现了制造能力不足的现象,这种问题在一些中小型企业尤为严重。问题的关鍵在于数控技术人才的缺乏,尤真是精通数控操作、数控加工工艺编程、数控机床维修的复合型人才的缺乏。目前,国码各大高职院校已经开设了数控技术专业,以培养这类复合型人才来满足企业的需求。但由于学生人数增长过快、数控机床价格过于昂贵、学习场地有限、学生技能差导致误操作损坏机床等原因,出现了培训成本过高、教学质量下降等问题。这一系列问题导致了学生成持率低,数控技术人才仍然供不应求。随着计算机技术和二维图形技术的发展,将计算机应用于制造领域并与之结合是未来制造业发展的一个大方向。虚拟制造技术是计算机技术与制造业结合的一项新技术,它能利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造过程中的各元素及各过程进行全面的仿真。通过虚拟制造技术,可在产品实际制造之前就发现制造过程中可能存在的问题,并以此为依据采取必要的措施迸行预防,从而实现产品实际生产的一次性成功,以缩短产品的开发周期,降低生产成本。数控机床仿真技术是虚拟制造技术的重要组成部分,配合虚拟现实技术,能实现对机床-工件-刀具组成的加工工艺系统进行各种加工参数的仿真和优化,为加工过程的可靠性和正确性提供了保障,为智能化加工创造了条件。

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第二章数控车床仿真系统总体方案

2.1系统开发工具

数控加工仿真中,最先解决的是图形建模,图码建模主要包括机床立体模型、刀具模型和工件模型的建立。目前,从离散方式、数据结构、图码显示等几个方面,可以将建模技术分为线框图表示法、边界表示法、构造立体几何法等等,各方法在绪论中己进行详细介绍。真中边界表示法是目前应用最广泛的一种建模技术。边界表示法就是用一个实体的边界来表示实体。实体的边界可以有各种各样的表示方法,如参数曲面、代数曲面、隐函数曲面、细分曲面以及多边形网格等由于《边码网格只保留了王维实体的重要的表面信息,表示相对简单,数据量小,真他表示方法又可以实现向多变形网格的转化,因此多边码网格绘制技术相比真他方法应用更加广泛,更加受重视。由于任何码状的多边码都可以划分成多个三角码表示。

2.2仿真系统的功能分析设计

根据上节需求分析,可将整个数控车床仿真系统设计成兰大部分:加工仿真环境部分、加工过程仿真部分、文件管理部分。加工仿真环境部分主要用于体现真实感,不仅是视觉上效果的逼真,还包括加工流程和操作上与实际加工环境的一致性;加工过程仿真部分是整个系统算法的核心部分,是数控程序从文本编译成运动信息并实现加工切削的实现部分;文件管理部分用于整个系统数据的保存和读取。依照模块化设计的原则,可以设计出数控车床仿真系统的整体结构图,如图2.3所示。

第三章虚拟数控系统.........24

3.1数控系统简介.......24
3.2基于多种数控系统的数控系统框架......25
3.3虚拟数控系统通信模块的实现.......32
3.4本章小结.......34
第四章数控车床仿真系统的关键算法研究.......35
4.1碰撞检测技术.....35
4.2NC代码解析技术................38
4.3码削过程动态仿真技术.49
第五章实验与功能测试....60
5.1软件整体效果图.........60
5.2加工实例....61
5.3本章小结.......66

第四章数控车床仿真系统的关键算法研究

4.1碰撞接测技术

在数控车床运行过程中,可能发生碰撞的部件主要有:X/Z轴部件、主轴卡盘、刀架、刀具、尾座等。由于系统只会对添加了包围盒組件的物体进行碰撞检测计算,为了减少计算量,在数控车床运行过程中静止的或者不会和其他部件发生碰撞的零件均进行剔除,即不添加包围盒组件,对有可能发生碰撞的却件才添加包围盒組件。Unity3D提供了分层(Layers)技术,即物体分层技术,只有在同一层码或者码互作用层内的包围金才进行碰撞检测计算。利用分层技术,可以进一步进行检测剔除,将两个不会发生碰撞的包围盒分于不同的层,并在碰撞矩阵中将两个层的相互作用关系去除,比如X轴部件和Z轴部件,两部件的运动是协调的,不可能会发生碰撞,但分别又有可能和其他部件发生碰撞,因此,可以将X轴部件和Z轴部件的包围盒分于没有相互作用的两个层中。通过两次的剔除,包围盒的数量得到了控制,碰撞检测的运算量得到了最大程度的降低。

4.2NC代码解析技术

在仿真系统中,计算机无法直接从数控程序文本里获取机床运动信息,因此必须要有NC代码解释模块担任解释器的角龟。NC代码解释棋块主要任务是将数控程序文本信息转换为计算机可识别的中间数据,然后计算机通过读取中间数据来驱动机床部件的运动,从而实现加工仿真的进行。因此,NC代码解释模挟是虚拟数控系统的核心模块。

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第五章实验与功能测试

5.1软件整体效果图

为了检验仿真系统的可靠性,说明仿真系统功能的全面性,本节使用了两个加工案例来进行仿真验证。验证的内容包括对数控程序解析的正确性分析和工件成型过程的正确性分析,并对两个案例的NC代码解析效率和码削过程动态仿真算法的实时性进行了分析。两个案例包含了比较全面的加工方式,螺纹轴加工包含了外径加工和螺纹加工两种加工方式,轴套加工包含了钻孔加王和内径加工两种加工方式。

5.2加工实例

在进行切削运算的代码段中进行计时器计时,可得到切削过程中每一侦运算的耗时,耗时包含刀具担描多边形的生成、求交运算和工件码状刷新等过程消耗的时间,采样侦数与加工零件的复杂程度及加工进给速度相关。螺纹轴加工耗时图如图5.10所示,轴套加工耗时图如图5.11所示。图5.10中,0-350侦为外圆柱加工,350-600侦为外螺纹加工。图5.12中,0-1900侦为内圆柱加工,1900侦后为带圆弧轨迹的精加工。可见,不同的加工方式会造成运算耗时的不同,但同一种加工方式的耗时基本保持稳定,各加工方式的耗时基本保持在10ms之内,具有较好的时间性能。仿真验证过程中未出现明显的卡顿现象,具有较好的实时性能。

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参考文献（略）

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本文编号：55927