基于虚拟制造的三维数控仿真系统开发

    1、引言

    随着全球制造业市场的日新月异和现代化信息技术的高速发展，在计算机对人类生活的诸多方面都产生着深刻影响的同时，也在制造业中发挥着越来越重要作用，促使制造业不断开发和运用着全新的制造理念和技术。20世纪80年代初以来，制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统CIMS(computerinte grated manufacturing system)开始得到实施;80年代末，以过程集成为核心的并行工程CE(concurrent engineering)技术进一步提高了制造水平;进人90年代后，先进制造技术进一步向更高水平发展，精益生产LP(lean production)、敏捷制造AM(agile manufacturing)等新的制造理念不断涌现，虚拟制造VM(virtual manufacturing)也是产生于此阶段。

    对于虚拟制造,目前还役有全球统一的标准定义,但不同国家的研究者都曾进行过尝试，但因角度不同而均有失偏颇。我国目前比较认同的定义是清华大学肖田元教授领导的研究小组对虚拟制造的定义:虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、品质检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策与控制能力，实现产品制造全过程的优化。

    2、虚拟制造技术

    从宏观角度来分析，虚拟制造是属于制造业信息化的科技范畴。为把我国建成不仅是新的世界制造中心，而且是广泛应用先进技术的制造强国，国家相关部门要求国内骨干企业尽快着手信息化工作，2010年到2015年大中型企业要达到国际先进的信息化制造水平。为使制造企业实现这一宏伟目标，就必须加强对虚拟制造技术的开发和应用，因为它不仅是产业政策的规范，更有经济利益的驱动。

    由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用:在美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。主要在虚拟制造各个领域关键技术、系统开发和建立虚拟制造环境等技术的研究，在欧洲和日本，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟制造技术的研究工作，尤其是在虚拟制造系统的建模和仿真技术。实际应用的典型例子有奔驰公司利用虚拟制造软件缩短了30%～40%的车体喷漆设计时间;波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年。

    从国内情况分析，要想完成制造业的跨越式发展，使我国实现从制造大国到制造强国的进步，就必须注重引人国际先进制造技术理念的同时，提高自主创新能力，尽可能多的拥有独立知识产权。由于我国市场已由卖方市场转为买方市场，人们对产品的需求愈来愈趋于舒适化、个性化和多样化，以往的生产模式已经不能满足市场的需求，必须依靠能够充分体现先进制造技术理念的虚拟制造来解决这个问题。

    3、三维数控仿真

    在虚拟制造中，通过对数控机床及系统的建模进而虚拟地仿真数控加工过程，不仅能节省资源、避免风险，而且可以通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对机床操作人员进行培训，帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。人能够凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境.在设计新的方案或更改方案时能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化。系统具有仿真效果真实感强、实时性好的优点。近几年数控技术得到了快速发展，但加工零件的Nc代码在实际加工前通常需要进行试切，以枪验NC代码的正确性和被加工零件是否达到工艺要求，这一过程不仅周期长、劳动强度大，而且成本高。而数控仿真系统是采用计算机建模和仿真技术来模拟实际数控加工环境，从而部分和完全代替了试切环节，减少设计和制造周期及成本。利用数控仿真系统还可以检验数控加工中出现的各种现象。三维图形的处理是数控仿真系统的基础，国内外对此进行了大量的研究，但三维空间潜藏着许多难以克服的困难。现在采用较多的是基于构造的实体几何表示(CSG)方法，即通过对体素定义运算而得到新的形体的一种表示方法，它存在对形体的局部操作不易实现、形体的表示受体素种类的限制等缺点。

    研究者据此提出了基于边界表示法的三维图形的建模方法，从而可以快速有效地实现三维图形的运动仿真和碰撞干涉检测等。本文所述为科技攻关项目的子课题研究内容，即通过对虚拟加工环境系统结构和系统实现中的主要关键技术的研究，开发出基于虑拟制造技术的三维数控仿真系统。

    4、加工环境与系统结构

    虚拟加工环境是实现虚拟制造全过程的一个重要环节，它是将机床-刀具等制造资源和被加工对象以数字化的形式建立在计算机内、利用计算机技术实现产品的加工过程仿真，而且必须与实际加工系统具有功能和行为的一致性。虚拟加工环境系统结构主要包括(:l)三维混合建模模块:包括几何建模、行为建棋、其它建模;(2)虚拟加工环境模块:包括静态几何模型和运动模型的建立;(3)数控代码解析模块:用于对所编制的程序错误进行检验，并对数控加工过程仿真的动作和状态起指挥和控制作用;(4)加工过程仿真模块:包括加工过程几何仿真、物理仿真以及图形显示、加工报告等，其中物理仿真指的是读取数控程序中的相关参数，用于建立机床加工物理仿真力学参数模型。三维数控仿真系统结构如图1所示。

    三维虚拟加工环境虽然能够准确反映实际加工过程，但开发难度相对较大，其主要原因是:(1)三维建模(几何建模和行为建模)比较复杂:零件、夹具、刀具库、加工中心等均需要三维建模，特别是加工中心，既要保证模型具有结构和功能的相似性，又要保证加工过程中部件间运动行为的一致性;(2)加工过程动画显示的实时性和图形真实感处理较难:加工过程是一个动态过程，且往往是连续加工，进行动态连续过程的描述难度较大，例如在由毛坯加工成零件的过程中，其形状和尺寸会随工序而变化;(3)数控解析难以通用：由于不同数控系统扩展标准的不一致性，地址码与功能的非对应性和与操作数组合的灵活性，给刀具位移轨迹数据的采集带来较大的困难。