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《虛擬數(shù)控車(chē)削物理仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、虛擬數(shù)控車(chē)削物理仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)黃雪梅趙明揚(yáng)*王啟義**東北大學(xué)機(jī)械學(xué)院中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所*大連鐵道學(xué)院**摘要虛擬加工過(guò)程仿真是虛擬制造的底層關(guān)鍵技術(shù)。本文面向數(shù)控車(chē)削，開(kāi)發(fā)了一套動(dòng)態(tài)車(chē)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(dòng)態(tài)物理仿真模型及相關(guān)子模型，分析了動(dòng)態(tài)車(chē)削過(guò)程的影響因素，闡述了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中有關(guān)模型構(gòu)成及工件數(shù)據(jù)描述等技術(shù)性問(wèn)題。關(guān)鍵詞虛擬制造，虛擬加工過(guò)程仿真，物理仿真中圖分類(lèi)號(hào)：TH1661前言虛擬加工過(guò)程仿真是虛擬制造的底層關(guān)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(jī)理復(fù)雜、建模難度大等客觀原因，研究還不夠深入。但對(duì)切削過(guò)程物理方面因素的分析與預(yù)測(cè)在虛擬制造研究中具有重要意義，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)其加以重視并開(kāi)展了研究工作。美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)[1]資助伊利諾依大學(xué)、西北大學(xué)、普渡大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行機(jī)械加工過(guò)程模型的研究，研究?jī)?nèi)容包括車(chē)、銑、鉆等加工型式，涉及到有關(guān)切削力、振動(dòng)、切屑形成、工件表面質(zhì)量等諸多方面。國(guó)內(nèi)也有研究者[2][3]致力于面向加工質(zhì)量分析與預(yù)測(cè)的加工過(guò)程物理仿真單元及系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。本文面向
3、數(shù)控車(chē)削加工過(guò)程，建立了車(chē)削加工過(guò)程物理仿真系統(tǒng)，就系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等技術(shù)問(wèn)題加以研究。2車(chē)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(chē)削加工過(guò)程是由機(jī)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(guò)程中還會(huì)受到各種隨機(jī)干擾，在建模時(shí)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(shí)切削力—相對(duì)振動(dòng)—工件表面粗糙度的虛擬數(shù)控車(chē)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(dòng)態(tài)切削力隨機(jī)振動(dòng)切削負(fù)荷工件硬度變化工件表面粗糙度刀具模型圖1車(chē)削加工物理仿真系
4、統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)______________________________________________________________________________________國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（59775077）和國(guó)家863/CIMS主題項(xiàng)目（863-511-943-011）資助2.2切削力模型 在正常的車(chē)削加工過(guò)程中，車(chē)刀一直未脫離工件，此時(shí)切削力與瞬間的切削面積成正比，因此能夠引起瞬時(shí)切削面積變化的因素都將會(huì)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(duì)位移及切削的再生機(jī)理等
5、方面。由此瞬時(shí)切削力模型由靜態(tài)力和各種動(dòng)態(tài)因素造成的切削力波動(dòng)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(duì)振動(dòng)使切削層參數(shù)變化時(shí)的變切削力Fvir及再生力Freg構(gòu)成。動(dòng)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(shí)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(shí)際硬度，μ是實(shí)驗(yàn)硬度，此處為工件的平均硬度，m是工件硬度變化對(duì)力影響指數(shù)，A是切削層體積。2.3工件粗糙度模型在車(chē)削加工過(guò)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(yùn)動(dòng)與切削振動(dòng)等
6、。對(duì)于靜態(tài)切削過(guò)程，刀具進(jìn)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(shí)際的切削過(guò)程中，由于切削振動(dòng)使刀具與工件發(fā)生了相對(duì)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(shí)工件的表面質(zhì)量就要在理論粗糙度的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步考慮動(dòng)態(tài)切削的各項(xiàng)特征與相關(guān)因素。3工件的微觀硬度工件微觀硬度差異對(duì)動(dòng)態(tài)切削過(guò)程有明顯影響，先將工件被加工表面劃分出適當(dāng)?shù)膮^(qū)域作為樣本塊，然后應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法表達(dá)出各樣本塊實(shí)際硬度與平均硬度的差異，以此來(lái)研究對(duì)動(dòng)態(tài)切削過(guò)程的影響。3.1劃分工件為樣本塊將零件表面劃分出獨(dú)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(guò)程，切削用量對(duì)切削過(guò)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(guān)的幾何體。我們以外圓車(chē)削為例，在工件表面取長(zhǎng)為進(jìn)給量f的圓環(huán)，圓環(huán)的徑向長(zhǎng)度為切削深度ap，而圓環(huán)的進(jìn)一步分割則依據(jù)切削速度v與系統(tǒng)的振動(dòng)特性。這樣工件被加工表面就被分割成與切削用量有關(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法來(lái)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(lèi)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(guò)分析這些微觀組織的性質(zhì)和它們?cè)跇颖緣K中的比例，由數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)確定各樣本塊的實(shí)際硬度。4仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)4.1開(kāi)發(fā)環(huán)境與開(kāi)發(fā)方法仿真系統(tǒng)在PetiumPro233/64MBRAM的微機(jī)上開(kāi)發(fā)完成，
