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《虛擬數(shù)控車削物理仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、虛擬數(shù)控車削物理仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)黃雪梅趙明揚*王啟義**東北大學機械學院中科院沈陽自動化研究所*大連鐵道學院**摘要虛擬加工過程仿真是虛擬制造的底層關鍵技術(shù)。本文面向數(shù)控車削，開發(fā)了一套動態(tài)車削物理仿真系統(tǒng)，提出了仿真系統(tǒng)的總體框架，建立了動態(tài)物理仿真模型及相關子模型，分析了動態(tài)車削過程的影響因素，闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程中有關模型構(gòu)成及工件數(shù)據(jù)描述等技術(shù)性問題。關鍵詞虛擬制造，虛擬加工過程仿真，物理仿真中圖分類號：TH1661前言虛擬加工過程仿真是虛擬制造的底層關鍵技術(shù)，包括幾何仿真和物理仿真兩大部分。目前幾何仿真方面的研究理論比較全面和
2、深入，出現(xiàn)UG、Pro/ENGINEER、MasterCAM等成熟的商業(yè)軟件。而物理仿真由于其切削機理復雜、建模難度大等客觀原因，研究還不夠深入。但對切削過程物理方面因素的分析與預測在虛擬制造研究中具有重要意義，國內(nèi)外已經(jīng)對其加以重視并開展了研究工作。美國國家自然科學基金會[1]資助伊利諾依大學、西北大學、普渡大學聯(lián)合進行機械加工過程模型的研究，研究內(nèi)容包括車、銑、鉆等加工型式，涉及到有關切削力、振動、切屑形成、工件表面質(zhì)量等諸多方面。國內(nèi)也有研究者[2][3]致力于面向加工質(zhì)量分析與預測的加工過程物理仿真單元及系統(tǒng)的研究與開發(fā)。本文面向
3、數(shù)控車削加工過程，建立了車削加工過程物理仿真系統(tǒng)，就系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)開發(fā)等技術(shù)問題加以研究。2車削物理仿真模型的體系結(jié)構(gòu)2.1仿真系統(tǒng)的構(gòu)成 車削加工過程是由機床—工件—刀具構(gòu)成、涉及到多種影響因素的綜合系統(tǒng)，在加工過程中還會受到各種隨機干擾，在建模時綜合考慮了各種因素，圍繞被切削材料的微觀硬度變化，將其作為物理仿真系統(tǒng)的主干擾因素，建立了工件微觀硬度—瞬時切削力—相對振動—工件表面粗糙度的虛擬數(shù)控車削加工物理仿真主干模型，總體結(jié)構(gòu)如圖1：物理仿真模型動態(tài)切削力隨機振動切削負荷工件硬度變化工件表面粗糙度刀具模型圖1車削加工物理仿真系
4、統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)______________________________________________________________________________________國家自然科學基金項目（59775077）和國家863/CIMS主題項目（863-511-943-011）資助2.2切削力模型 在正常的車削加工過程中，車刀一直未脫離工件，此時切削力與瞬間的切削面積成正比，因此能夠引起瞬時切削面積變化的因素都將會造成切削力的改變，這些因素包括被切削材料的物理性能即工件的微觀硬度變化、刀具與工件之間的相對位移及切削的再生機理等
5、方面。由此瞬時切削力模型由靜態(tài)力和各種動態(tài)因素造成的切削力波動疊加而成，即由名義切削力Fnim、工件硬度不均勻形成的變切削力Fran、刀具與工件的相對振動使切削層參數(shù)變化時的變切削力Fvir及再生力Freg構(gòu)成。動態(tài)切削力Fins可表示為：其中工件微觀硬度不均形成的瞬時切削力模型Fran為：KSH為排除了工件硬度因素的切削力影響系數(shù)，μsj是樣本實際硬度，μ是實驗硬度，此處為工件的平均硬度，m是工件硬度變化對力影響指數(shù)，A是切削層體積。2.3工件粗糙度模型在車削加工過程中影響工件表面形貌的主要因素有：刀具幾何形狀、工件旋轉(zhuǎn)運動與切削振動等
6、。對于靜態(tài)切削過程，刀具進給量f與刀具圓弧半徑rb是影響表面粗糙度的主要因素。而在實際的切削過程中，由于切削振動使刀具與工件發(fā)生了相對位移，工件在微觀上形成凸凹不平的表面，從而影響到工件的表面形貌特征，這時工件的表面質(zhì)量就要在理論粗糙度的基礎上再進一步考慮動態(tài)切削的各項特征與相關因素。3工件的微觀硬度工件微觀硬度差異對動態(tài)切削過程有明顯影響，先將工件被加工表面劃分出適當?shù)膮^(qū)域作為樣本塊，然后應用數(shù)理統(tǒng)計方法表達出各樣本塊實際硬度與平均硬度的差異，以此來研究對動態(tài)切削過程的影響。3.1劃分工件為樣本塊將零件表面劃分出獨立的區(qū)域是研究工件微觀
7、硬度的第一步。綜合分析切削過程，切削用量對切削過程中的各物理量的變化有直接影響，因此將工件劃分成體積相等的與切削用量相關的幾何體。我們以外圓車削為例，在工件表面取長為進給量f的圓環(huán)，圓環(huán)的徑向長度為切削深度ap，而圓環(huán)的進一步分割則依據(jù)切削速度v與系統(tǒng)的振動特性。這樣工件被加工表面就被分割成與切削用量有關的體積相等的樣本塊。3.2樣本硬度的確定我們采用理論分析與實驗結(jié)合的方法來確定樣本的硬度。理論上，切削材料的微觀硬度差異取決于切削材料種類與熱處理情況。根據(jù)固體混合物中的樣本方差理論，將工件視為由兩種或兩種以上的硬度不同的微觀組織構(gòu)成。通
8、過分析這些微觀組織的性質(zhì)和它們在樣本塊中的比例，由數(shù)理統(tǒng)計知識確定各樣本塊的實際硬度。4仿真系統(tǒng)開發(fā)4.1開發(fā)環(huán)境與開發(fā)方法仿真系統(tǒng)在PetiumPro233/64MBRAM的微機上開發(fā)完成，
