復雜產品3DCAPP中工藝方案仿真關鍵技術與平臺研究

摘 要:現有的CAPP側重于工藝方案的規劃，方案是否正確與最優則需通過實踐檢驗。為保證CAPP所規劃的工藝方案是合理及最優的，提出了在現有CAPP系統中集成用于模擬檢驗的可進行幾何仿真與部分物理仿真的加工過程仿真部分，根據規劃的工藝方案模擬加工過程，并根據仿真結果來修正工藝方案，從而保證規劃出來的工藝方案合理及最優。基于VC與OpenGL開發了一個原型仿真系統，實現了部分加工過程仿真功能。

關鍵詞:計算機輔助工藝設計; 加工過程仿真; 設計模型; 加工特征; 基本體素; VC; OpenGL

中圖分類號:TP391文獻標志碼:A

文章編號: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(計算機輔助工藝設計)是連接CAD和CAM的橋梁，它的可行性和有效性對整個生產過程至關重要。調查表明，有效的CAPP系統可以減少制造成本達30%以上，縮短工程實踐的制造周期50%以上[1]。目前的CAPP重點放在工藝設計與工藝優化上面，規劃出來的工藝方案的合理性與可靠性需要通過生產實踐進行檢驗。顯然，CAPP規劃的工藝方案并不能確保生產實踐的一次性成功，勢必造成材料、時間以及成本的浪費，此種情況對于復雜產品尤甚。在CAPP系統中加入加工過程仿真部分是解決此問題的一個行之有效的方法。加工仿真過程包括幾何仿真與物理仿真[2]。針對這兩個方面，研究人員提出了很多算法，也有不少的仿真軟件用于生產實踐中，但這些仿真軟件都是用于NC加工仿真，且都是針對一個加工方法的進行加工仿真的，并不能滿足復雜產品加工過程的仿真。不可否認的是，能進行工藝規劃與工藝方案仿真的CAPP系統才是一個完整的CAPP系統。能否在CAPP系統中加入仿真部分?目前關于這方面的報道很少。本文基于加工 過程仿真的算法并集合復雜產品CAPP工藝方案的特點，研究了復雜產品CAPP工藝方案仿真軟件的關鍵技術及平臺結構，以實現CAPP中工藝方案規劃與工藝方案仿真相結合進行工藝規劃的思想，使CAPP從理論和實踐上更加完善化。從總體上講，一個完整的CAPP系統應包括工藝設計和工藝方案的仿真兩大部分。工藝設計部分規劃的工藝方案通過仿真部分來檢驗。工藝設計部分根據仿真結果進行修正， 通過多次反復迭代得到最佳工藝方案，保證生產實踐的一次性成功。一個完整的CAPP系統流程如圖1所示。

1 CAPP工藝方案仿真平臺及關鍵技術研究

前面說過，現有的CAPP都把重點放在工藝方案設計與工藝方案優化上面。為使CAPP理論與實踐更加完善，筆者針對CAPP工藝方案仿真部分的特點，研究了仿真關鍵技術并構建了仿真平臺框架結構。

1.1 CAPP工藝方案仿真平臺系統的基本結構

CAPP工藝方案仿真平臺是將CAPP的工藝方案進行擬實化加工的平臺，它能夠按照工藝方案將工件從毛坯到產品的過程全部仿真出來，并能根據要求反映出工藝人員所需要關注的細節部分。顯然要構建此種仿真平臺是很復雜的。要建立CAPP工藝仿真平臺，必須分析CAPP工藝方案的結構。分析可知，一個產品的工藝生產線是由工序構成。工序由工步構成。工步是實際的操作單元，所有的實際加工是在工步階段完成的，加工仿真也都在工步階段實現，解決好了工步中各個環節的仿真，就可以實現工步、工序乃至生產線的仿真?；诩庸み^程這個特點，提出了一種可行的復雜產品工藝方案全局分層仿真系統的基本結構方案，如圖2所示。

從圖2所敘述的仿真結構可知，仿真平臺可實現工藝方案全方位的仿真，從生產線到每個工序到每個工步，乃至于每個工步中工藝人員所需關注的細節部分。但關鍵的是工步層的各個環節的仿真實現。只有實現工步層各環節的仿真，才能真正解決CAPP的工藝方案的仿真問題。借助于加工仿真的各種算法及CAPP工步加工的特點，研究了工步加工仿真的實現。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，是針對加工特征進行的，是具體的加工過程。在這個層次，主要做以下工作:驗證裝夾;驗證加工方法;檢查刀具干涉;檢查刀具的硬度與強度;加工過程的實時再現;NC代碼的生成。工步層的仿真既有幾何仿真又有物理仿真，對加工過程的各個環節都作了判斷，保證了加工工藝方案的正確性。更為突出的是，通過仿真平臺與計算機的交互環節，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工藝方案仿真關鍵技術研究

1.2.1 設備的數字化建模與顯示技術

在工序仿真系統中，要根據規劃出來的工藝方案調出機床、夾具等設備，為此，必須建立這些設備的三維數據庫，以備仿真所用。設備模型包括幾何模型和運動模型。幾何模型是對設備形狀特征的描述，表達了設備的基本形狀信息，如床身、工作臺及主軸等部件的形狀。這些幾何模型在運動模型的控制下，根據外部輸入的控制數據做相應的運動，這些運動可以表示設備的實際行為，如工作臺的進給、主軸的轉動、機械手的行為等。運動模型反映了設備的各種控制功能，根據外部輸入的控制信息，進行處理、判斷，并且輸出相應的控制信息，驅動相關幾何模型的位置和運動狀態變化。

設備的運動模型是建立在幾何模型基礎上的加工中心各部件之間存在裝配層次關系與相互之間的約束關系。約束關系包括幾何約束和運動約束。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系，主要是通過點、線、面等幾何元素之間的配合來實現相互的層次關系和空間定位，如配合、對齊、偏置和接觸;運動約束是加工中心裝配體的運動部件之間的相對運動關系，如直線運動、旋轉運動。設備中存在運動約束關系的部件有床身與X向導軌、X向導軌與Y向導軌、Y向導軌與工件、立柱與刀架、刀架與刀庫、主軸箱與刀具之間等。

在工序仿真系統中，機床、刀具、夾具等設備在加工仿真中是相對不變的，用三維的繪圖工具生成需要的設備，并存入仿真數據庫中以備調用，對于設備中的可活動部件，通過在需要的時候調用響應代碼來實現。

1.2.2 仿真數據庫中相關模型的建立

仿真數據庫中相關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，以及任意加工時刻的加工系統模型。實際上，在任意加工時刻，可以建立起機械系統的數學模型，并可用機械工程控制論來研究加工過程，為加工仿真提供堅實的理論基礎。仿真程序通過調用仿真數據庫中相關模型來得出仿真結果。

加工過程實際上是刀具與加工特征構造單元體積塊進行干涉檢查。在加工過程中，通過判斷刀具與單元體積塊的基本體素的干涉情況，來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。

加工特征構造單元體積塊由微小立方柱單元體素構成的加工仿真的數學判據，對于不同的加工方法，有不同的判據。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，構成加工特征構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。顯示時與刀具發生干涉的基本體素按新數據被顯示，其余基本加工仿真體素數據不變，從而可以動態地顯示出加工過程?；倔w素的單位越小，則仿真過程更加逼真及更加形象。

1.2.3 加工過程虛擬仿真的零件的動態數學模型表示

在仿真過程中，工件是一個動態變化的模型，因此，必須知道在任意時刻的工件的數據模型。為此，在設計模型與工步單元體積塊的基礎上建立了工件的動態模型，并將正在加工的工步單元體積塊用基本體素進行構造，可以動態地顯示加工實時狀況。

從制造角度來觀察，零件設計模型可看成是由一組加工活動逐步對毛坯模型進行切除操作后形成的。設Mp代表最終零件設計模型，Ms代表毛坯模型，n為工序總數，Si為第i道工序所需要的工步數，Fij代表第i道工序第j個工步切除的加工特征單元體積塊，則零件制造過程[4]可表達為

Mp=Ms-∑ni=1 ∑Skj=1 Fij(2)

從式(2)可知，零件是通過將毛坯中的加工特征體積單元塊通過不同的工步切削后形成的，但加工過程中，由于工步是變化的，加工過程中零件的模型是變化的，建立零件的動態數學模型是必須的。將式(2)變為

Ms=Mp+∑ni=1 ∑Skj=1 Fij(3)

從式(3)可知，根據加工順序可確定第k道工序的零件模型表達為

Mk=Mp+∑ni=k ∑Skj=1 Fij(4)

從式(4)可知，第k道工序時零件狀態是在已知零件模型的基礎上，加上需要被切削掉的工步單元體積塊構成的。建立此零件加工過程中動態數學模型可解決三個問題:a)可解決復雜產品的毛坯的建立;b)可實現任意時刻的零件模型的動態建立，實現任意工序與工步的動態加工仿真;c)可實現工藝設計、工藝優化、加工仿真的數據模型一體化。

在加工過程中，設計模型并沒有被切削，而工步單元體積塊才是與刀具發生干涉的對象，而且只有被加工的工步單元體積塊才發生變化，為此，用基本體素構造工步單元體積塊并判斷與刀具發生干涉的基本體素狀況就能動態地反映加工過程[5]?；倔w素的形式是微小立方柱單元?；倔w素的單位越小，則仿真過程更加逼真及更加形象。加工過程第k道工序第Sk工步時的仿真顯示數據模型如圖5所示。

2 加工仿真過程實驗

采用Visual C++6.0，OpenGL技術構建CAPP仿真平臺框架并實現了部分功能。圖6中的最上角的零件有兩個加工特征要加工，規劃后的工藝方案為:工序1(工步1，銑平面);工序2(工步1，鉆盲孔)。根據CAPP規劃的方案，CAPP仿真平臺進行加工仿真。

仿真操作如下:

a)根據規劃的工藝方案的加工余量、加工特征及設計模型構造出毛坯。

b)選擇需要加工仿真的工步，將已經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造，不需要加工的工步體積塊根據需要顯示或不顯示。

c)動態仿真加工過程，判斷此工步的狀況。

d)繼續b)步，直到所有工序完成。

e)根據仿真的情況判斷工藝方案的合理性。

f)對不合理的工藝方案工藝進行修改，重新進行仿真檢驗。

圖6顯示了銑削平面工序時的加工動態過程，在加工平面特征時的工件動態狀可以清楚地顯示出來。圖7顯示了加工盲孔的加工動態過程。

3 結束語

基于加工仿真的思想及CAPP工藝方案的特點，研究了CAPP工藝方案仿真系統的基本結構及關鍵技術，從理論上更加完善了CAPP系統，使CAPP系統真正地成為連接CAD與CAM的橋梁?；赩isual C++6.0及OpenGL技術，構建了CAPP仿真平臺的框架，并實現了部分功能。筆者將更深入地研究有關此方面的理論，并逐步增加仿真平臺的功能，使之真正成為工藝方案的實踐者，從而保證工藝方案的正確性與最優性。

參考文獻:

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