基于STEP-NC的數(shù)控車削加工仿真關鍵技術研究.pdf

1、數(shù)控技術誕生后的50年間，數(shù)控編程都是基于ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何加工，其本質特征是面向加工過程。近年來的研究和實踐表明，基于ISO6983的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)接口存在現(xiàn)場編程或修改非常困難、產(chǎn)品信息不全、系統(tǒng)間信息交換困難等缺點，不利于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的智能化，已成為阻礙制造系統(tǒng)信息集成的瓶頸，嚴重制約著數(shù)控系統(tǒng)乃至制造業(yè)的發(fā)展。為此，歐美等發(fā)達國家提出了一種新的CAM/CNC接口規(guī)范，稱為STEP-NC，即為CNC定義的一種與

2、STEP兼容的新接口標準。STEP-NC遵從STEP(ISO 10303)中對幾何信息的描述規(guī)則，同時又加入了與數(shù)控加工有關的工藝信息，并以面向對象的方式通過一系列特征的幾何信息和加工要求來描述整個數(shù)控加工任務，從而將產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換STEP標準(ISO 10303)延伸到數(shù)控加工領域，建立起一條貫穿產(chǎn)品設計與制造過程的信息高速公路。STEP-NC的出現(xiàn)對于數(shù)控技術的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。STEP-NC取代傳統(tǒng)的G、M代碼以

3、后，數(shù)控加工階段實際上成-為制造信息最集中的階段，數(shù)控系統(tǒng)能夠全面了解加工對象、加工資源、條件以及本身運行狀況，從而可以實現(xiàn)對加工過程進行智能化控制。 本文的研究是基于STEP-NC的智能化數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的一部分，以車削為研究對象，重點研究了STEP-NC車削數(shù)控系統(tǒng)中仿真模塊實現(xiàn)的關鍵技術，為STEP-NC車削數(shù)控系統(tǒng)智能化的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。 作為STEP-NC數(shù)控車削系統(tǒng)智能化決策的依據(jù)，仿真模塊是STEP-NC數(shù)

4、控系統(tǒng)的重要組成模塊之一，在對仿真模塊在數(shù)控系統(tǒng)中所執(zhí)行的功能進行分析的基礎上，提出了基于STEP-NC的數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)的體系結構。整個體系結構由仿真數(shù)據(jù)準備、仿真建模和仿真運行等三大部分組成。仿真數(shù)據(jù)準備主要是指進行仿真前所必須進行的數(shù)據(jù)的處理、加工規(guī)劃、刀具路徑規(guī)劃等工作。根據(jù)建模的目的和作用的不同，仿真建模主要由兩部分組成：幾何仿真建模和物理仿真建模。物理仿真建模主要包括了切削力、振動、加工質量、加工溫度場、刀具磨損等模型的

5、建立。幾何仿真建模主要是指幾何仿真所需要的幾何模型、運動模型、仿真控制模型等的建立。仿真運行和輸出是指在仿真環(huán)境中運行仿真模型，得出仿真結果。該體系結構為STEP-NC車削加工仿真的研究提供了基礎。 STEP-NC車削程序的解析、加工規(guī)劃以及刀具路徑規(guī)劃是進行仿真的前提。基于STEP-NC車削標準和車削程序，對STEP-NC車削程序的解析、工藝規(guī)劃和刀具路徑規(guī)劃進行了研究。STEP-NC車削程序解析的關鍵是程序語言向建模仿真語言

6、的翻譯和程序信息的檢索，根據(jù)EXPRESS語言的語法特點，制定了STEP-NC標準采用的描述方式向仿真建模語言(C++)映射的規(guī)則，應用該規(guī)則可以將STEP-NC程序的不同數(shù)據(jù)結構轉化為不同的C++類；提出了根據(jù)關鍵字和屬性檢索STEP-NC車削程序信息的方法，檢索得到的信息賦值給C++類對象中的成員變量，從而可以完成程序的解析。根據(jù)STEP-NC車削信息中對工藝問題的描述，分析了車削加工規(guī)劃所涉及的基本問題，采用在工步之間加入一些輔助

7、工步或操作的方法實現(xiàn)了車削工步序列的連續(xù)化問題，從而解決了車削加工規(guī)劃的基本問題。在對幾何模型的建立方法進行分析的基礎上，根據(jù)STEP-NC車削加工的特點，提出了STEP-NC車削仿真工件幾何模型的建立方法。將制造特征按照工步進行劃分，形成工步制造特征，進行工件幾何造型時，將工步制造特征依照其在工件坐標系中的位置和加工后的工件的幾何模型疊加在一起，形成工件的初始幾何模型，進行加工時，按照工步的執(zhí)行順序，依次從初始工件模型上去除每個工步的

8、制造特征，形成加工后的工件。采用上述方法，在仿真時可以清晰的表達每個工步制造特征的加工情況，從而解決了車削仿真工件幾何建模的基本問題。 切削力建模與仿真是STEP-NC車削加工過程物理仿真的基礎，根據(jù)STEP-NC車削數(shù)據(jù)模型和數(shù)控程序中的信息，建立了適用于STEP-NC車削加工過程的切削力模型。STEP-NC車削程序提供了工件材料、切削用量以及刀具參數(shù)等信息，這些信息是影響STEP-NC車削加工過程切削力的主要因素，刀具和工件

9、相對位移的變化將引起切削力的變化，進而引起加工過程中的振動，最終影響到加工質量。論文中的切削力建模過程綜合考慮了切削加工過程中工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)以及刀具．工件的相對位移等因素，建立了包含上述因素的STEP-NC切削力的機械模型，模型可以較為全面地反映各因素對STEP-NC車削加工切削力的影響，建立了STEP-NC切削力模型仿真運行的軟件環(huán)境，通過應用所建立的STEP-NC車削加工切削力模型進行仿真，得出了STEP-NC提供

10、的各加工參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，為STEP-NC車削加工過程中切削力的智能控制提供了決策依據(jù)。 振動仿真是STEP-NC數(shù)控加工物理仿真的重要內容之一，應用基于STEP-NC標準的工藝系統(tǒng)參數(shù)和STEP-NC程序提供的加工參數(shù)，以切削過程中切削面積的動態(tài)變化為基礎，建立了STEP-NC車削加工系統(tǒng)的振動模型。振動模型綜合考慮了STEP-NC車削加工的切削用量、刀具幾何參數(shù)和工藝系統(tǒng)參數(shù)的影響，編寫了振動仿真程序。應用建立的模型通

11、過仿真分析了STEP-NC車削系統(tǒng)的各個參數(shù)對系統(tǒng)中振動的影響，為STEP-NC車削數(shù)控系統(tǒng)對振動進行分析提供了技術上的解決方案。根據(jù)STEP-NC標準，提出了STEP-NC框架下的車削表面粗糙度的表達方式，基于本文提出的表達方式，STEP-NC車削控制器可以將加工后的以STEP-NC格式描述的表面粗糙度信息反饋給CAD/CAM系統(tǒng)，便于實現(xiàn)CAD/CAM與基于STEP-NC的CNC系統(tǒng)的集成。 表面粗糙度和表面形貌是STEP-

12、NC車削數(shù)控系統(tǒng)智能化控制的對象，本文的研究建立了STEP-NC車削表面粗糙度和表面形貌的二維、三維數(shù)學模型。建立的模型綜合考慮了切削用量、刀具幾何參數(shù)以及系統(tǒng)振動情況的影響，應用建立的模型進行了仿真。仿真結果表明仿真模型可以分析刀具幾何參數(shù)、切削用量以及系統(tǒng)振動情況對表面粗糙度和表面形貌的影響，從而數(shù)控系統(tǒng)的仿真模塊可以根據(jù)本文提供的模型分析和控制加工工件的表面粗糙度。 以上述STEP-NC仿真關鍵技術的研究為基礎，應用本文提

13、出的STEP-NC幾何建模技術和物理仿真模型，對典型工件的車削加工過程進行了研究。根據(jù)典型工件的STEP-NC車削程序，建立了工件和刀具的幾何模型，仿真了加工過程刀具的運動軌跡，應用典型工件的基于STEP-NC的加工信息以及加工系統(tǒng)的STEP-NC描述信息，根據(jù)論文中的物理仿真模型，分析了工件加工過程的穩(wěn)定性以及切削力、表面粗糙度、表面形貌的情況。通過應用論文中建立的模型和提出的關鍵技術對典型零件的車削過程進行仿真分析，證明了論文中建立