復(fù)雜產(chǎn)品3DCAPP中工藝方案仿真關(guān)鍵技術(shù)與平臺(tái)研究

摘 要:現(xiàn)有的CAPP側(cè)重于工藝方案的規(guī)劃，方案是否正確與最優(yōu)則需通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)。為保證CAPP所規(guī)劃的工藝方案是合理及最優(yōu)的，提出了在現(xiàn)有CAPP系統(tǒng)中集成用于模擬檢驗(yàn)的可進(jìn)行幾何仿真與部分物理仿真的加工過(guò)程仿真部分，根據(jù)規(guī)劃的工藝方案模擬加工過(guò)程，并根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)修正工藝方案，從而保證規(guī)劃出來(lái)的工藝方案合理及最優(yōu)。基于VC與OpenGL開發(fā)了一個(gè)原型仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了部分加工過(guò)程仿真功能。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì); 加工過(guò)程仿真; 設(shè)計(jì)模型; 加工特征; 基本體素; VC; OpenGL

中圖分類號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-3695(2010)06-2163-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.06.048

Research on complex product 3DCAPP process planningsimulation plat and key technology

JIANG Cunxue， CAI Ligang， HU Yujin

(School of Mechanical Science Engineering， Huazhong University of Science Technology， Wuhan 430074， China)

Abstract:The existing CAPP system emphasize on process planning， that the process is true or not must be tested in practice.In order to ensure the process plans are feasible and efficient and optimum， integrated a process procedure simulation system including geometric and physical simulation into CAPP system， the simulation system verified the process plan and modified it to assure the process plan right and optimum. Based on the VC and OpenGL， constructed a principle simulation system which has some simulation function.

Key words:CAPP; process procedure simulation; design model; machining feature; basic cell; VC; OpenGL

0 引言

CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì))是連接CAD和CAM的橋梁，它的可行性和有效性對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程至關(guān)重要。調(diào)查表明，有效的CAPP系統(tǒng)可以減少制造成本達(dá)30%以上，縮短工程實(shí)踐的制造周期50%以上[1]。目前的CAPP重點(diǎn)放在工藝設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化上面，規(guī)劃出來(lái)的工藝方案的合理性與可靠性需要通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)。顯然，CAPP規(guī)劃的工藝方案并不能確保生產(chǎn)實(shí)踐的一次性成功，勢(shì)必造成材料、時(shí)間以及成本的浪費(fèi)，此種情況對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品尤甚。在CAPP系統(tǒng)中加入加工過(guò)程仿真部分是解決此問(wèn)題的一個(gè)行之有效的方法。加工仿真過(guò)程包括幾何仿真與物理仿真[2]。針對(duì)這兩個(gè)方面，研究人員提出了很多算法，也有不少的仿真軟件用于生產(chǎn)實(shí)踐中，但這些仿真軟件都是用于NC加工仿真，且都是針對(duì)一個(gè)加工方法的進(jìn)行加工仿真的，并不能滿足復(fù)雜產(chǎn)品加工過(guò)程的仿真。不可否認(rèn)的是，能進(jìn)行工藝規(guī)劃與工藝方案仿真的CAPP系統(tǒng)才是一個(gè)完整的CAPP系統(tǒng)。能否在CAPP系統(tǒng)中加入仿真部分?目前關(guān)于這方面的報(bào)道很少。本文基于加工 過(guò)程仿真的算法并集合復(fù)雜產(chǎn)品CAPP工藝方案的特點(diǎn)，研究了復(fù)雜產(chǎn)品CAPP工藝方案仿真軟件的關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)CAPP中工藝方案規(guī)劃與工藝方案仿真相結(jié)合進(jìn)行工藝規(guī)劃的思想，使CAPP從理論和實(shí)踐上更加完善化。從總體上講，一個(gè)完整的CAPP系統(tǒng)應(yīng)包括工藝設(shè)計(jì)和工藝方案的仿真兩大部分。工藝設(shè)計(jì)部分規(guī)劃的工藝方案通過(guò)仿真部分來(lái)檢驗(yàn)。工藝設(shè)計(jì)部分根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行修正， 通過(guò)多次反復(fù)迭代得到最佳工藝方案，保證生產(chǎn)實(shí)踐的一次性成功。一個(gè)完整的CAPP系統(tǒng)流程如圖1所示。

1 CAPP工藝方案仿真平臺(tái)及關(guān)鍵技術(shù)研究

前面說(shuō)過(guò)，現(xiàn)有的CAPP都把重點(diǎn)放在工藝方案設(shè)計(jì)與工藝方案優(yōu)化上面。為使CAPP理論與實(shí)踐更加完善，筆者針對(duì)CAPP工藝方案仿真部分的特點(diǎn)，研究了仿真關(guān)鍵技術(shù)并構(gòu)建了仿真平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)。

1.1 CAPP工藝方案仿真平臺(tái)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

CAPP工藝方案仿真平臺(tái)是將CAPP的工藝方案進(jìn)行擬實(shí)化加工的平臺(tái)，它能夠按照工藝方案將工件從毛坯到產(chǎn)品的過(guò)程全部仿真出來(lái)，并能根據(jù)要求反映出工藝人員所需要關(guān)注的細(xì)節(jié)部分。顯然要構(gòu)建此種仿真平臺(tái)是很復(fù)雜的。要建立CAPP工藝仿真平臺(tái)，必須分析CAPP工藝方案的結(jié)構(gòu)。分析可知，一個(gè)產(chǎn)品的工藝生產(chǎn)線是由工序構(gòu)成。工序由工步構(gòu)成。工步是實(shí)際的操作單元，所有的實(shí)際加工是在工步階段完成的，加工仿真也都在工步階段實(shí)現(xiàn)，解決好了工步中各個(gè)環(huán)節(jié)的仿真，就可以實(shí)現(xiàn)工步、工序乃至生產(chǎn)線的仿真。基于加工過(guò)程這個(gè)特點(diǎn)，提出了一種可行的復(fù)雜產(chǎn)品工藝方案全局分層仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)方案，如圖2所示。

從圖2所敘述的仿真結(jié)構(gòu)可知，仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)工藝方案全方位的仿真，從生產(chǎn)線到每個(gè)工序到每個(gè)工步，乃至于每個(gè)工步中工藝人員所需關(guān)注的細(xì)節(jié)部分。但關(guān)鍵的是工步層的各個(gè)環(huán)節(jié)的仿真實(shí)現(xiàn)。只有實(shí)現(xiàn)工步層各環(huán)節(jié)的仿真，才能真正解決CAPP的工藝方案的仿真問(wèn)題。借助于加工仿真的各種算法及CAPP工步加工的特點(diǎn)，研究了工步加工仿真的實(shí)現(xiàn)。工步仿真層的加工流程[3]如圖3所示。

工步加工仿真是微觀層次的仿真，是針對(duì)加工特征進(jìn)行的，是具體的加工過(guò)程。在這個(gè)層次，主要做以下工作:驗(yàn)證裝夾;驗(yàn)證加工方法;檢查刀具干涉;檢查刀具的硬度與強(qiáng)度;加工過(guò)程的實(shí)時(shí)再現(xiàn);NC代碼的生成。工步層的仿真既有幾何仿真又有物理仿真，對(duì)加工過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)都作了判斷，保證了加工工藝方案的正確性。更為突出的是，通過(guò)仿真平臺(tái)與計(jì)算機(jī)的交互環(huán)節(jié)，可生成加工NC程序，使CAPP真正成為連接CAD與CAM的橋梁。

1.2 CAPP工藝方案仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

1.2.1 設(shè)備的數(shù)字化建模與顯示技術(shù)

在工序仿真系統(tǒng)中，要根據(jù)規(guī)劃出來(lái)的工藝方案調(diào)出機(jī)床、夾具等設(shè)備，為此，必須建立這些設(shè)備的三維數(shù)據(jù)庫(kù)，以備仿真所用。設(shè)備模型包括幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型。幾何模型是對(duì)設(shè)備形狀特征的描述，表達(dá)了設(shè)備的基本形狀信息，如床身、工作臺(tái)及主軸等部件的形狀。這些幾何模型在運(yùn)動(dòng)模型的控制下，根據(jù)外部輸入的控制數(shù)據(jù)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)可以表示設(shè)備的實(shí)際行為，如工作臺(tái)的進(jìn)給、主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械手的行為等。運(yùn)動(dòng)模型反映了設(shè)備的各種控制功能，根據(jù)外部輸入的控制信息，進(jìn)行處理、判斷，并且輸出相應(yīng)的控制信息，驅(qū)動(dòng)相關(guān)幾何模型的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。

設(shè)備的運(yùn)動(dòng)模型是建立在幾何模型基礎(chǔ)上的加工中心各部件之間存在裝配層次關(guān)系與相互之間的約束關(guān)系。約束關(guān)系包括幾何約束和運(yùn)動(dòng)約束。幾何約束是加工中心裝配零部件之間的空間幾何位置的相互關(guān)系，主要是通過(guò)點(diǎn)、線、面等幾何元素之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)相互的層次關(guān)系和空間定位，如配合、對(duì)齊、偏置和接觸;運(yùn)動(dòng)約束是加工中心裝配體的運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)備中存在運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系的部件有床身與X向?qū)к墶向?qū)к壟cY向?qū)к墶向?qū)к壟c工件、立柱與刀架、刀架與刀庫(kù)、主軸箱與刀具之間等。

在工序仿真系統(tǒng)中，機(jī)床、刀具、夾具等設(shè)備在加工仿真中是相對(duì)不變的，用三維的繪圖工具生成需要的設(shè)備，并存入仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中以備調(diào)用，對(duì)于設(shè)備中的可活動(dòng)部件，通過(guò)在需要的時(shí)候調(diào)用響應(yīng)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)模型的建立

仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)模型的建立是仿真的核心，它包括幾何仿真算法、物理仿真算法，以及任意加工時(shí)刻的加工系統(tǒng)模型。實(shí)際上，在任意加工時(shí)刻，可以建立起機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并可用機(jī)械工程控制論來(lái)研究加工過(guò)程，為加工仿真提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。仿真程序通過(guò)調(diào)用仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)模型來(lái)得出仿真結(jié)果。

加工過(guò)程實(shí)際上是刀具與加工特征構(gòu)造單元體積塊進(jìn)行干涉檢查。在加工過(guò)程中，通過(guò)判斷刀具與單元體積塊的基本體素的干涉情況，來(lái)判斷基本體素的顯示狀況，從而顯示出該加工工序或工步的加工狀況。

加工特征構(gòu)造單元體積塊由微小立方柱單元體素構(gòu)成的加工仿真的數(shù)學(xué)判據(jù)，對(duì)于不同的加工方法，有不同的判據(jù)。如圖4所示(1是基本體素，2是刀具在刀具中心線的法向平面的投影)，在刀具中心線的法向平面內(nèi)，構(gòu)成加工特征構(gòu)造單元體積塊的基本體素的狀況，由式(1)判斷:

如果基本體素滿足

(Xi-X刀具)2+(Yi-Y刀具)2≤刀具半徑2(1)

則Zi=Zi-Z刀具。顯示時(shí)與刀具發(fā)生干涉的基本體素按新數(shù)據(jù)被顯示，其余基本加工仿真體素?cái)?shù)據(jù)不變，從而可以動(dòng)態(tài)地顯示出加工過(guò)程。基本體素的單位越小，則仿真過(guò)程更加逼真及更加形象。

1.2.3 加工過(guò)程虛擬仿真的零件的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型表示

在仿真過(guò)程中，工件是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的模型，因此，必須知道在任意時(shí)刻的工件的數(shù)據(jù)模型。為此，在設(shè)計(jì)模型與工步單元體積塊的基礎(chǔ)上建立了工件的動(dòng)態(tài)模型，并將正在加工的工步單元體積塊用基本體素進(jìn)行構(gòu)造，可以動(dòng)態(tài)地顯示加工實(shí)時(shí)狀況。

從制造角度來(lái)觀察，零件設(shè)計(jì)模型可看成是由一組加工活動(dòng)逐步對(duì)毛坯模型進(jìn)行切除操作后形成的。設(shè)Mp代表最終零件設(shè)計(jì)模型，Ms代表毛坯模型，n為工序總數(shù)，Si為第i道工序所需要的工步數(shù)，F(xiàn)ij代表第i道工序第j個(gè)工步切除的加工特征單元體積塊，則零件制造過(guò)程[4]可表達(dá)為

Mp=Ms-∑ni=1 ∑Skj=1 Fij(2)

從式(2)可知，零件是通過(guò)將毛坯中的加工特征體積單元塊通過(guò)不同的工步切削后形成的，但加工過(guò)程中，由于工步是變化的，加工過(guò)程中零件的模型是變化的，建立零件的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是必須的。將式(2)變?yōu)?/p>

Ms=Mp+∑ni=1 ∑Skj=1 Fij(3)

從式(3)可知，根據(jù)加工順序可確定第k道工序的零件模型表達(dá)為

Mk=Mp+∑ni=k ∑Skj=1 Fij(4)

從式(4)可知，第k道工序時(shí)零件狀態(tài)是在已知零件模型的基礎(chǔ)上，加上需要被切削掉的工步單元體積塊構(gòu)成的。建立此零件加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可解決三個(gè)問(wèn)題:a)可解決復(fù)雜產(chǎn)品的毛坯的建立;b)可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻的零件模型的動(dòng)態(tài)建立，實(shí)現(xiàn)任意工序與工步的動(dòng)態(tài)加工仿真;c)可實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、加工仿真的數(shù)據(jù)模型一體化。

在加工過(guò)程中，設(shè)計(jì)模型并沒(méi)有被切削，而工步單元體積塊才是與刀具發(fā)生干涉的對(duì)象，而且只有被加工的工步單元體積塊才發(fā)生變化，為此，用基本體素構(gòu)造工步單元體積塊并判斷與刀具發(fā)生干涉的基本體素狀況就能動(dòng)態(tài)地反映加工過(guò)程[5]。基本體素的形式是微小立方柱單元。基本體素的單位越小，則仿真過(guò)程更加逼真及更加形象。加工過(guò)程第k道工序第Sk工步時(shí)的仿真顯示數(shù)據(jù)模型如圖5所示。

2 加工仿真過(guò)程實(shí)驗(yàn)

采用Visual C++6.0，OpenGL技術(shù)構(gòu)建CAPP仿真平臺(tái)框架并實(shí)現(xiàn)了部分功能。圖6中的最上角的零件有兩個(gè)加工特征要加工，規(guī)劃后的工藝方案為:工序1(工步1，銑平面);工序2(工步1，鉆盲孔)。根據(jù)CAPP規(guī)劃的方案，CAPP仿真平臺(tái)進(jìn)行加工仿真。

仿真操作如下:

a)根據(jù)規(guī)劃的工藝方案的加工余量、加工特征及設(shè)計(jì)模型構(gòu)造出毛坯。

b)選擇需要加工仿真的工步，將已經(jīng)加工完的工步體積塊去掉，將需要加工的工步體積塊用基本體素構(gòu)造，不需要加工的工步體積塊根據(jù)需要顯示或不顯示。

c)動(dòng)態(tài)仿真加工過(guò)程，判斷此工步的狀況。

d)繼續(xù)b)步，直到所有工序完成。

e)根據(jù)仿真的情況判斷工藝方案的合理性。

f)對(duì)不合理的工藝方案工藝進(jìn)行修改，重新進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。

圖6顯示了銑削平面工序時(shí)的加工動(dòng)態(tài)過(guò)程，在加工平面特征時(shí)的工件動(dòng)態(tài)狀可以清楚地顯示出來(lái)。圖7顯示了加工盲孔的加工動(dòng)態(tài)過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于加工仿真的思想及CAPP工藝方案的特點(diǎn)，研究了CAPP工藝方案仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，從理論上更加完善了CAPP系統(tǒng)，使CAPP系統(tǒng)真正地成為連接CAD與CAM的橋梁。基于Visual C++6.0及OpenGL技術(shù)，構(gòu)建了CAPP仿真平臺(tái)的框架，并實(shí)現(xiàn)了部分功能。筆者將更深入地研究有關(guān)此方面的理論，并逐步增加仿真平臺(tái)的功能，使之真正成為工藝方案的實(shí)踐者，從而保證工藝方案的正確性與最優(yōu)性。

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