研究3D—CAPP中工艺方案仿真关键技术与平台

　　0 引言

　　CAPP(计算机辅助工艺设计)是连接CAD和CAM的桥梁，它的可行性和有效性对整个生产过程至关重要。调查表明，有效的CAPP系统可以减少制造成本达30%以上，缩短工程实践的制造周期50%以上。目前的CAPP重点放在工艺设计与工艺优化上面，规划出来的工艺方案的合理性与可靠性需要通过生产实践进行检验。显然，CAPP规划的工艺方案并不能确保生产实践的一次性成功，势必造成材料、时间以及成本的浪费，此种情况对于复杂产品尤甚。在CAPP系统中加入加工过程仿真部分是解决此问题的一个行之有效的方法。加工仿真过程包括几何仿真与物理仿真。针对这两个方面，研究人员提出了很多算法，也有不少的仿真软件用于生产实践中，但这些仿真软件都是用于NC加工仿真，且都是针对一个加工方法的进行加工仿真的，并不能满足复杂产品加工过程的仿真。不可否认的是，能进行工艺规划与工艺方案仿真的CAPP系统才是一个完整的CAPP系统。能否在CAPP系统中加入仿真部分?目前关于这方面的报道很少。本文基于加工过程仿真的算法并集合复杂产品CAPP工艺方案的特点，研究了复杂产品CAPP工艺方案仿真软件的关键技术及平台结构，以实现CAPP中工艺方案规划与工艺方案仿真相结合进行工艺规划的思想，使CAPP从理论和实践上更加完善化。从总体上讲，一个完整的CAPP系统应包括工艺设计和工艺方案的仿真两大部分。工艺设计部分规划的工艺方案通过仿真部分来检验。工艺设计部分根据仿真结果进行修正，通过多次反复迭代得到最佳工艺方案，保证生产实践的一次性成功。一个完整的CAPP系统流程如图1所示。

　　图1 CAPP系统流程图

　　1 CAPP工艺方案仿真平台及关键技术研究

　　前面说过，现有的cAPP都把重点放在工艺方案设计与工艺方案优化上面。为使CAPP理论与实践更加完善，笔者针对CAPP工艺方案仿真部分的特点，研究了仿真关键技术并构建了仿真平台框架结构。

　　1.1 CAPP工艺方案仿真平台系统的基本结构

　　CAPP工艺方案仿真平台是将CAPP的工艺方案进行拟实化加工的平台，它能够按照工艺方案将工件从毛坯到产品的过程全部仿真出来，并能根据要求反映出工艺人员所需要关注的细节部分。显然要构建此种仿真平台是很复杂的。要建立CAPP工艺仿真平台，必须分析CAPP工艺方案的结构。分析可知，一个产品的工艺生产线是由工序构成。工序由工步构成。工步是实际的操作单元，所有的实际加工是在工步阶段完成的，加工仿真也都在工步阶段实现，解决好了工步中各个环节的仿真，就可以实现工步、工序乃至生产线的仿真。基于加工过程这个特点，提出了一种可行的复杂产品工艺方案全局分层仿真系统的基本结构方案，如图2所示。

　　图2 一种可行的复杂产品工艺方案全局分层仿真系统的基本结构方案

　　从图2所叙述的仿真结构可知，仿真平台可实现工艺方案全方位的仿真，从生产线到每个工序到每个工步，乃至于每个工步中工艺人员所需关注的细节部分。但关键的是工步层的各个环节的仿真实现。只有实现工步层各环节的仿真，才能真正解决CAPP的工艺方案的仿真问题。借助于加工仿真的各种算法及CAPP工步加工的特点，研究了工步加工仿真的实现。工步仿真层的加工流程如图3所示。

　　图3 工步仿真层的加工流程图

　　工步加工仿真是微观层次的仿真，是针对加工特征进行的，是具体的加工过程。在这个层次，主要做以下工作：验证装夹;验证加工方法;检查刀具干涉;检查刀具的硬度与强度;加工过程的实时再现;NC代码的生成。工步层的仿真既有几何仿真又有物理仿真，对加工过程的各个环节都作了判断，保证了加工工艺方案的正确性。更为突出的是，通过仿真平台与计算机的交互环节，可生成加工NC程序，使CAPP真正成为连接CAD与CAM的桥梁。

　　1.2 CAPP工艺方案仿真关键技术研究

　　1.2.1 设备的数字化建模与显示技术

　　在工序仿真系统中，要根据规划出来的工艺方案调出机床、夹具等设备，为此，必须建立这些设备的三维数据库，以备仿真所用。设备模型包括几何模型和运动模型。几何模型是对设备形状特征的描述，表达了设备的基本形状信息，如床身、工作台及主轴等部件的形状。这些几何模型在运动模型的控制下，根据外部输入的控制数据做相应的运动，这些运动可以表示设备的实际行为，如工作台的进给、主轴的转动、机械手的行为等。运动模型反映了设备的各种控制功能，根据外部输入的控制信息，进行处理、判断，并且输出相应的控制信息，驱动相关几何模型的位置和运动状态变化。

　　设备的运动模型是建立在几何模型基础上的加工中心各部件之间存在装配层次关系与相互之间的约束关系。约束关系包括几何约束和运动约束。几何约束是加工中心装配零部件之间的空间几何位置的相互关系，主要是通过点、线、面等几何元素之间的配合来实现相互的层次关系和空间定位，如配合、对齐、偏置和接触;运动约束是加工中心装配体的运动部件之间的相对运动关系，如直线运动、旋转运动。设备中存在运动约束关系的部件有床身与x向导轨、盖向导轨与y向导轨、y向导轨与工件、立柱与刀架、刀架与刀库、主轴箱与刀具之间等。

　　在工序仿真系统中，机床、刀具、夹具等设备在加工仿真中是相对不变的，用三维的绘图工具生成需要的设备，并存入仿真数据库中以备调用，对于设备中的可活动部件，通过在需要的时候调用响应代码来实现。

　　1.2.2仿真数据库中相关模型的建立

　　仿真数据库中相关模型的建立是仿真的核心，它包括几何仿真算法、物理仿真算法，以及任意加工时刻的加工系统模型。实际上，在任意加工时刻，可以建立起机械系统的数学模型，并可用机械工程控制论来研究加工过程，为加工仿真提供坚实的理论基础。仿真程序通过调用仿真数据库牛相关模型来得出仿真结果。

　　加工过程实际上是刀具与加工特征构造单元体积块进行干涉检查。在加工过程中，通过判断刀具与单元体积块的基本体素的干涉情况，来判断基本体素的显示状况，从而显示出该加工工序或工步的加工状况。

　　加工特征构造单元体积块由微小立方柱单元体素构成的加工仿真的数学判据，对于不同的加工方法，有不同的判据。如图4所示(1是基本体素，2是刀具在刀具中心线的法向平面的投影)，在刀具中心线的法向平面内，构成加工特征构造单元体积块的基本体素的状况，由式(1)判断：

　　如果基本体素满足

　　则。显示时与刀具发生干涉的基本体素按新数据被显示，其余基本加工仿真体素数据不变，从而可以动态地显示出加工过程。基本体素的单位越小，则仿真过程更加逼真及更加形象。

　　图4 由微小立方柱单元体素构成特征构造单元

　　1.2.3加工过程虚拟仿真的零件的动态数学模型表示

　　在仿真过程中，工件是一个动态变化的模型，因此，必须知道在任意时刻的工件的数据模型。为此，在设计模型与工步单元体积块的基础上建立了工件的动态模型，并将正在加工的工步单元体积块用基本体素进行构造，可以动态地显示加工实时状况。

　　从制造角度来观察，零件设计模型可看成是由一组加工活动逐步对毛坯模型进行切除操作后形成的。设代表最终零件设计模型，代表毛坯模型，n为工序总数，为第i道工序所需要的工步数，代表第i道工序第j个工步切除的加工特征单元体积块，则零件制造过程一。可表达为　　

　　从式(2)可知，零件是通过将毛坯中的加工特征体积单元块通过不同的工步切削后形成的，但加工过程中，由于工步是变化的，加工过程中零件的模型是变化的，建立零件的动态数学模型是必须的。将式(2)变为

　　从式(3)可知，根据加工顺序可确定第k道工序的零件模型表达为

　　从式(4)可知，第k道工序时零件状态是在已知零件模型的基础上，加上需要被切削掉的工步单元体积块构成的。建立此零件加工过程中动态数学模型可解决三个问题：a)可解决复杂产品的毛坯的建立;b)可实现任意时刻的零件模型的动态建立，实现任意工序与工步的动态加工仿真;c)可实现工艺设计、工艺优化、加工仿真的数据模型一体化。

　　在加工过程中，设计模型并没有被切削，而工步单元体积块才是与刀具发生干涉的对象，而且只有被加工的工步单元体积块才发生变化，为此，用基本体素构造工步单元体积块并判断与刀具发生干涉的基本体素状况就能动态地反映加工过程。基本体素的形式是微小立方柱单元。基本体素的单位越小，则仿真过程更加逼真及更加形象。加工过程第k道工序第S。工步时的仿真显示数据模型如图5所示。

　　2 加工仿真过程实验

　　采用Visual C++6.o，OpenGL技术构建CAPP仿真平台框架并实现了部分功能。图6中的最上角的零件有两个加工特征要加工，规划后的工艺方案为：工序1(工步1，铣平面);工序2(工步1，钻盲孔)。根据CAPP规划的方案，CAPP仿真平台进行加工仿真。

　　图5 加工过程第k道工序第工步时零件的仿真数据模型及图形显示

　　仿真操作如下：

　　a)根据规划的工艺方案的加工余量、加工特征及设计模型构造出毛坯。

　　b)选择需要加工仿真的工步，将已经加工完的工步体积块去掉，将需要加工的工步体积块用基本体素构造，不需要加工的工步体积块根据需要显示或不显示。

　　c)动态仿真加工过程，判断此工步的状况。

　　d)继续b)步，直到所有工序完成。

　　e)根据仿真的情况判断工艺方案的合理性。

　　f)对不合理的工艺方案工艺进行修改，重新进行仿真检验。

　　图6显示了铣削平面工序时的加工动态过程，在加工平面特征时的工件动态状可以清楚地显示出来。图7显示了加工盲孔的加工动态过程。

　　3 结束语

　　基于加工仿真的思想及CAPP工艺方案的特点，研究了CAPP工艺方案仿真系统的基本结构及关键技术，从理论上更加完善了CAPP系统，使CAPP系统真正地成为连接CAD与CAM的桥梁。基于Visual c++6.0及OpenGL技术，构建了CAPP仿真平台的框架，并实现了部分功能。笔者将更深入地研究有关此方面的理论，并逐步增加仿真平台的功能，使之真正成为工艺方案的实践者，从而保证工艺方案的正确性与最优性。