虚拟数控机床的精确建模与加工仿真研究

　　全球化、网络化和虚拟化已成为制造业发展的重要特征，实现"虚拟制造"(virtual manufacture)是制造业信息化的重要内容。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验及企业管理与控制等产品制造过程，以增强制造过程中各级决策与控制能力。虚拟数控机床体系结构、几何及物理建模、所涉及的虚拟制造环境等为该领域研究的重点。

　　数控仿真是数控加工的关键环节之一，在虚拟制造中占重要地位。而在虚拟环境中实现数控加工仿真，首先必须对数控机床在虚拟环境中建模，使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于全身心投入的感觉状态，即所谓"沉浸感"，这在很大程度上依赖于虚拟现实场景中模型建立的真实感和层次性。

　　通过对数控机床的虚拟精确建模进而仿真数控加工过程，不仅能节省资源、避免损失，而且可通过模拟机床及加工过程来培训从事数控机床操作的人员，也可帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。另外，虚拟数控加工过程仿真可以检验加工过程的关键数据。如总体加工时间、刀具非加工状态、刀具工进状态等，可用来进行虚拟制造中加工方案评估、产品可加工性分析和产品可制造性分析。

　　1虚拟环境中的精确建模方法

　　1.1虚拟模型精确建模方法研究

　　虚拟机床是指数控机床在虚拟环境下的映射。为追求"身临其境"的逼真性和"超越现实"的虚拟性，虚拟机床主要由加工环境模型、加工过程模型、加工过程仿真模型、虚拟操作界面和图形处理模块构成。加工环境模型包括机床、刀具、夹具、毛坯、中期产品模型、目标产品模型，以及其它制造资源和环境物等各种实体对象的三维几何模型及模型间的关系。加工过程模型则包括各种加工方法对应的切削过程中的热变形、受力变形及振动模型。

　　在虚拟环境中建立数控机床的三维模型是实现数控加工仿真的基础。虚拟环境中模型的建立包括如下方面的研究：①基于微机的虚拟环境体系结构;②基于几何建模和计算机图形学的建模方法，进行虚拟物体的建模;③基于图像生成方法的建模，主要运用多视图、全景或任意方向的图像来产生虚拟环境。对于数控机床虚拟现实系统而言，基于几何建模和计算机图形学的建模方法具有很大的优越性。传统建模方法主要有：①采用VB、C++或VC++、OpenGL图形库等编程开发环境设计。这种方法程序复杂、工作量大、造型不方便，且图形效果不够逼真、效果不理想;②采用虚拟现实开发软件(如：WTK、VRML)等工具设计，实现复杂三维图形的编程很困难、费时的，且达不到理想的效果;③采用一些商用三维建模软件+VRML的建模方法：3DMAX+VRML，3DMAX是一款功能强大的精确建模、渲染、动画三维制作软件，支持VRML，能够导出保持部件间各种关系的VRML文件。但3DMAX适合对虚拟环境进行三维建模(如校园、室内环境等)，它在构造与修改机械产品的几何特征时操作不够方便与快捷;Pro/E+VRML，采用Pro/E+VRML方法实现对虚拟设备的快速建模。Pro/E是专门针对机械产品的三维建模而开发的软件，在建立机械产品的模型时非常方便快捷。但它只支持VRML 1.0的版本格式，且所导出的文件丢失了原模型各部件问的各种关系等重要信息。

　　本文基于SolidWorks三维GAD软件，通过虚拟现实标准语言VRML建立由机床、刀架及顶尖等实体组成的虚拟环境中的实体模型，以及描述它们之间的结构关系，快速、真实地显示三维虚拟数控车床。

　　1.2开发环境简介

　　SolidWorks是世界上第一套基于Windows系统开发的三维机械设计CAD软件，它自身有着在机械产品设计中别具一格的特点和优势，即，可采用参数化的三维模型快速生成同一类型不同规格的系列产品，在建立机械产品的模型时格外方便、快捷。尤其是SolidWorks 2006以上版本对VRML 2.0具有良好的支持，可将建立好的零件模型，直接导出保持部件间的各种关系的VRML文件。笔者采用此方法实现数控车床在虚拟环境中精确建模：通过运用SoLidWorks软件进行三维特征造型，采用国际标准的虚拟现实建模语言VRML为中间桥梁，经过一系列的变换、修改、输入、输出，形成wrl格式文件，减少了虚拟数控机床的建模工作量，提高了工作效率。

　　虚拟现实建模语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)，是一种与操作平台无关的、基于3DWeb的、描述可交互三维世界和对象的语言，通过创建虚拟场景达到现实中的效果。由YRML创建的虚拟现实场景是模拟现实中的三维产品造型，具有面向对象的层次性、多感知性，虚拟世界的交互性、实时性和网络浏览等特点，而且由于VRML文件可以像HTML文档一样上传下载，并启动VRML浏览器来观看文档所描述的三维模型，很好地解决了信息交流与共享，为网络虚拟制造提供了支持。

　　2虚拟数控车床的精确建模

　　虚拟数控车床是将实际数控车床进行一定的形状和尺寸的抽象描绘，并按照一定的逻辑结构关系和运动依附关系组合而成的机床抽象模型。该模型应能真实反映机床各坐标轴的逻辑关系和运动关系，并能真实再现机床运动轨迹。虚拟环境中的数控车床精确建模的步骤如下：

　　(1)利用SolidWorks软件对数控车床进行精确建模，包括床身、主轴、顶尖、刀架、三角爪盘、车刀等。对于一些与数控加工仿真无关的部件，如液压系统、电气系统等，在仿真模型中可不予考虑，以简化模型。图l为三角爪盘的三维造型。

　　(2)利用SolidWorks的.VRML转换程序输出为VRML文件："文件一另存为：保存类型一VRML(*.wrl)-选项-文件格式：VRML-版本：VRML97"。即可输出为VRML文件。在Parallel Graphics公司的Cottons浏览器的基础上，在虚拟环境中构建可视的实体模型，虚拟三角爪盘的精确建模，如图2所示。这对于建立虚拟加工场景，实现现实意义下的零件组成部件，部件组成机床提供了非常便捷的方法。

　　(3)虚拟数控车床的虚拟装配，采用结构化、模块化、层次化设计思想，利用VRML作为建构的工具，采用Inline内联节点的方法引入零件的VRML文件。在一级子装配完成后，采用同样的方法进行上一级子装配的VRML实现，即上一级子装配由下级子装配Inline组成，以此类推，直到最高级装配体。这样，实际上只存储了零件的三维造型数据，子装配文件只是一些"Inline"，文件量很小。采用Inline方法可节省空间，减小文件的长度，给程序的调试和定义动画带来方便;也可进一步用于各种支持VRML文件格式的开发程序(如Java、Java Script等)中，有利于对组成虚拟数控机床的各实体模型再进行脚本编程，实现数控加工过程的虚拟动态仿真。虚拟数控车床总成如图3所示。

　　3虚拟数控车削加工动态仿真研究

　　虚拟数控加工过程的动态仿真研究主要包括以下方面：①刀具运动轨迹仿真，此时只是刀具按加工轨迹围绕毛坯运动，目的是直观检验刀具运动轨迹的合理性;②机床运动过程仿真，此时将工件安装在机床工作台上，刀具运动轨迹分解为机床各运动部件的运动，目的是直观检验刀具与机床部件及机床部件问的碰撞和干涉;③实时材料去除加工过程仿真，此时刀具按其运动轨迹对毛坯进行材料切除，目的是模拟实际的切削过程，生成产品加工结果模型，对加工精度和可加工性进行评估。在此仿真过程中，进一步通过估算切削力、夹紧力和切削热，将工艺系统因热变形和受力变形造成的刀具与工件问的相对位移与刀具的理论运动轨迹叠加，使所生成的产品加工结果模型能反映动态因素对加工质量的影响。

　　在虚拟数控车床精确建模的基础上，基于VRML实现车削加工动态仿真，不依赖昂贵的CAD/CAM软件，仿真信息共享程度很高，应用IE或Netscape浏览器可方便浏览，为制造设备信息化奠定基础。

　　VRML 2.0具有对动画和行为的描述的功能，为支持关键帧动画技术引入了时间和插值节点，从而使虚拟环境更具现实感，包括5个简单结构：节点事件域(node event fields)，路径(routes)，传感器(sensors)，插入件(interpolators)和描述节点(scriptnodes)。前4个结构用于连接和控制对象的动作、反应和动画，描述节点Script可以加入程序语言(如Java、Java Script等)，对VRML对象的行为和动态的进行设定。

　　具体实现加工动态仿真时，可结合使用Route语句和Script节点来实现动态效果：用时间传感器TimeSensor发出一系列的时刻值，通过路由Route传给控制动画的各种插补器，插补器接收到每一个时刻值就会在Key域找到对应的值及Key Value域中找到对应的值，然后由value-changed事件出口输出新的值列表，并通过路由将新值传递给各零部件，包括工件的旋转运动与刀具的直线运动，以实现数控加工动态仿真，如图3所示。

　　图3使用的Cortona浏览器有控制台，设置有缩放、旋转、拖动、复位和自旋转等按钮，基本上可实现物体的变换效果，如灯光、视角变换、裁剪、阴影、投影、碰撞等，实现虚拟现实操作，这样简化了用户对图形实现的处理过程，也可以利用它详细观察数控加工过程动态仿真的结果。通过观察可以发现代码的问题，手工修改NC代码程序。同时，可以将理想工件和加工刀具轨迹进行效果比较。这些都是优于传统仿真的地方。

　　4结语

　　利用SolidWorks一VRML实现虚拟现实的精确建模与动态仿真，减少了虚拟建模的工作量，提高了工作效率，更重要的是能够满足虚拟现实场景中对实体的精确度的要求;虚拟数控机床的精确建模不仅为未来建立虚拟制造系统奠定基础，而且可以在以下几方面发挥积极作用：①培训NC代码编程人员和机床操作人员;②数控设备选型;③评估加工精度;④检验NC代码;⑤评估产品的可加工性;⑥评估工艺规程的合理性。