河南快三

客服电话:

工程论文

当前位置: 毕业论文>工程论文 > 正文

基于大型工程软件开发平台ACIS/HOOPS组件结构树的建模方法

发布时间: 2019-05-07 09:37文字数: 4305字

  摘要:针对新研制的龙门移动式数控5轴车铣复合机床XKA2780结构复杂,已有成熟虚拟加工系统灵活性差,必须要系统厂家深度开发方能实现的问题,文章提出了一种灵活可控的虚拟加工方法,首先基于大型工程软件开发平台ACIS/HOOPS,采用组件结构树的建模方法,建立了机床各组件之间的运动学关系并开发了相应的运动控制模型;其次通过扫描包络技术研究了刀具扫描包络体生成算法;然后以刀具轨迹为引导,将生成的刀具扫描包络体与工件进行布尔运算,实现了仿真环境中工件的虚拟切削;最后,通过对典型航天零部件的加工代码仿真和现场机床切削试验,验证系统的可靠性。实践结果表明,该系统可以对加工代码进行有效验证,且运动控制可兼容各种构型数控机床。
 
  关键词:五轴龙门机床;数控仿真;运动学建模;ACIS/HOOPS平台
 
  0引言
 
  为确保数控机床安全有效运行,须在零件正式加工前对加工的程序代码进行检测。传统的代码检测采用试切法,即在正式加工前,零件在数控机床上进行试切,根据试切结果反复排查、修改程序中的错误,待程序核查无误后,再进行零件的正式加工。然试切法不仅费时费力,还占用宝贵的机床时间,造成极大的浪费。
 
  随着计算机的发展,数控代码可通过计算机的模拟仿真进行检验,避开了试切过程,避免了人力、物力的严重浪费,亦能有效避免机床切削时的碰撞事故,更可依据模拟切削结果进行误差分析,检验加工精度,一举多得。
 
  对于数控加工模拟仿真的研究,国外起步较早,现已开发出若干优秀的商用仿真软件,如法国Spring公司的NCSimul,美国CGTech公司的Vericut,以色列Cimatron中的仿真模块等。尽管起步较晚,国内亦开发了若干有价值的数控仿真原型系统,如清华大学和华中理工大学研制的HMPS[3]、南京航空航天大学研制的SupermanCAD/CAM-2000[4]等。上述软件目前主要适用于一些典型的常用机床。对于结构特殊、制系统复杂的新型机床,如并联/混联机床、机械手和特殊结构的车铣复合机床,前述商用软件灵活性较差,均难以完成加工过程的模拟仿真,因此需要研究开放和灵活性较大的仿真系统来满足本文研究对象的虚拟加工需求。
 
  目前,常用数值法对5轴运动下的刀具扫掠体包络面进行求解,包括Jacobian秩亏损方法、扫掠微分方程方法、包络理论方法、隐式建模方法。严思杰和CHIOU等推导了APT刀具在5轴线性插补运动下的瞬时特征线的求解公式。朱利民等[针对锥刀、鼓刀和环刀的空间运动,应用双参数球族包络理论进行刀具扫掠体包络面的建模,得到了精确的解析,机床坐标系Om-XmYmZm建立于工作台上,Zm轴垂直于工作台向上为正,Ym轴垂直于机床横梁,远离工作台的方向为正,Xm满足右手定则。工件安装完成后,建立工件坐标系Ow-XwYwZw,各轴与机床坐标系平行。
 
  以摆轴A和旋转轴C的交点Oa为坐标原点,建立摆轴中心坐标系Oa-XaYaZa。其中,Za轴平行于C轴,远离工作台的方向为正;Xa轴与A轴重合,方向如图4所示;Ya通过右手定则确定。
 
  以刀尖点Ot为原点建立刀具坐标系Ot-XtYtZt,Zt轴与刀轴重合,指向刀柄方向为正;Xt方向与Xa一致。刀具坐标系中,刀具摆动中心Oa的坐标为解,可用于加工仿真的精度校验。然而,上述建模过程[00L]T,刀尖与O相对复杂,且需要数值求解高阶常微分方程或超越方程,计算量极大。
 
  为满足大型运载火箭的制造需求,在国家重大专项的支撑下,现研发出了横向跨距为8.5m的龙门移动式数控5轴车铣复合机床XKA2780。该型机床的数控系统和床身结构均与普通机床差异较大,无法通过成熟商业仿真系统完成设备加工过程的虚拟仿真。
 
  本文创新性采用组件结构树关联方法,将机床各轴模型和对应构型运动学相对接,并同步引入部件碰撞干涉快速检测方法,实现任意复杂构型机床的虚拟仿真和碰撞检测;其次,通过求解刀具运动轨迹扫描临界线和刀具截面,可精确建立刀具扫描包络体,提升零件的材料去除仿真精度。最后,以某典型航空零部件为例,将其加工代码在仿真系统上进行验证。
 
  1机床运动学建模
 
  1.1定义坐标系
 
  仿真系统中,可根据机床结构各组件、零件之间的关系建立不同的坐标系,包括机床坐标系XmYmZm、组件坐标系XcomYcomZcom、零件坐标系XmodYmodZmod及工件坐标系XwYwZw。
 
  组件坐标系是指各运动部件的字段坐标系。为了定量描述机床运动组件的位置,建立机床模型时,以字段(Segment)为量化手段在机床每个组件上添加坐标系。每个组件都有各自的坐标系,可通过修改组件坐标系参数调整部件或进行多个部件的连接。
 
  Z轴转角分别为α和γ。
 
  1.2建立运动关系树
 
  基于所定义的坐标系,可根据机床装配体中各个部件的相对运动关系,建立机床部件的运动关系树。以机床坐标系为参考,不发生相对位移的零部件定义为静止零部件,反之定义为运动部件。
 
  对于XKA2780车铣复合机床,基座组件是整个机床的基础。故在基座上建立机床坐标系,其它组件坐标系以此为参考,依次建立相应的运动支链。机床各部分的运动关系树。
 
  该机床由两条运动链组成,每条运动链均由若干个运动轴(移动轴或转动轴)串联而成,每个运动轴有各自的极限行程。可根据机床实际结构参数确定各轴极限行程。
 
  组合机床与自动化加工技术
 
  1.3刀具轨迹建模
 
  5轴刀具轨迹是由一系列的小直线段首尾相连而成,每条线段内的线加速度和角加速度均为常值,速度的变化发生在各线段之间的节点处。基于所建立坐标系及各组件的运动关系,对刀具轨迹进行建模。
 
  对刀以后,工件坐标系原点在机床坐标系中为
 
  m[QQQ]T,则工件坐标系相对于机床坐
 
  置处理系统转换后,在输出的NC文件中,刀轴位姿才可用转角α、γ表示。
 
  在APT-CL文件中,刀轴矢量T可快速转换为机床A轴和C轴的旋转量α、γ,用于确定机床运动。
 
  如图5所示,设刀轴矢量T为自由矢量,刀尖点Ot与工件坐标系原点重合。将刀轴矢量T绕Zw轴逆时针转到YwZw平面上,再绕Xw轴逆时针转到与Zw
 
  同理可得,组件C的驱动量γ角为:Pi移动Δdi到Pi+1,同时刀具轴向绕刀尖以角速度ωi从方向Ti到Ti+1,则刀尖移动距离Δdi、移动时间Δti和进给速度vi,至此,根据刀具运动模型和刀具矢量与驱动角α、γ的关系,可分别获得机床各移动轴的速度和各旋转轴的角速度。
 
  由式(5)与式(6)可得机床各移动轴速度为:由式(5)、式(11)与式(12)可得机床旋转轴的角速度ωi为:ωi=[ωαiωγi]/Δti=[ΔαiΔγi]/Δti(12)
 
  2刀具库系统开发
 
  刀具库用来储存各种刀具的数据,包括刀具种类、刀具材料、刀具的几何参数等信息。刀具类型不同,其参数定义方式也不同。文中以最常见的棒铣刀为研究对象,建立棒铣刀模型,其建模方法同样适用于其他类型铣刀。
 
  D为刀具直径,R为刀具圆弧半径。以刀具圆环上部圆心为坐标原点,建立坐标系o-xyz,z轴与刀具轴线重合,x轴垂直于水平面向外,y轴由右手定则确定。P为圆弧中心点,θ为直线oP与x轴的夹角,φ为圆环上任一点和o点的连线与xoy平面的夹角。通用棒铣刀可看成圆柱体和圆环的组合,则刀头部分表达式为:
 
  其初始位姿为(x0、y0、z0、i0、j0、k0),最终位姿参数为(x1、y1、z1、i1、j1、k1)。图6b中,T0、T1为刀具在插补线段端点的刀轴方向,刀具从初始点T0沿T01转向T1方向,则刀具的转动方向T01为:T01=T0×T1(13)
 
  2.3扫掠体临界线求解
 
  刀具扫掠体是由临界线所围成的平面在空间中扫略产生的,因此,求刀具扫掠体的关键是计算刀具包络面临界线。
 
  (a)刀具包络面(b)扫略临界线
 
  图8刀具包络面示意图
 
  图8a中,C3和C0是刀具的上下端面,C1是刀具切削环面,C2为刀具圆柱面。图8b中L为圆环面和圆柱面的临界线。设Q为刀具上任意一点,N(Q)是Q的表面法向量,V(Q)是Q的速度矢量。
 
  2.2刀具体建模
 
  鉴于刀具切削工件时,属刀具实体与工件实体间的布尔运算,故完成刀具运动轨迹及位姿求解后,仍需对刀具体进行建模。
 
  将式(18)和式(20)分别带入式(15)和式(16),可得该刀具圆环面和圆柱面在速度矢量V的方向上所产生的临界线。
 
  3仿真系统开发及应用验证
 
  基于ACIS+HOOPs组件技术,在VC6.0开发环境下,开发龙门移动式数控5轴车铣复合机床XKA2780的数控加工仿真原型系统。该系统外层界面和内部数据运算由C++语言实现,三维图形渲染和界面图形输出由HOOPs平台完成,机床模型的仿真动作和工件材料去除效果由ACIS中的建模功能完成。该仿真系统可实现工艺系统运动学建模、插补运算毛皮材料去除和机床运行数据采集等各项功能。
 
  3.1数控仿真策略
 
  控制系统通过对数控代码逐行读入并编译,获得刀具的位置和姿态参数。仿真系统将刀具位姿参数作为已知量,按照前述运动学算法进行计算,获得各运动轴在单位时间内的移动量或转动量。根据计算结果,调用各组件的驱动函数,驱动模型按所设计轨迹运动,实现机床加工的模拟仿真。
 
  3.2刀具切削仿真
 
  图10a为带俯仰角的刀具扫描包络体,图10b为带扭转角的刀具扫描包络体,两者均沿五轴刀具轨迹生成。图10c为毛坯跟刀具扫描包络体进行布尔运算后的三维模型图。
 
  在切削仿真过程中,每一条刀具轨迹均生成带俯仰角或扭转角的刀具包络体,并与毛坯反复进行布尔运算,最后获得所需零部件的三维模型。
 
  由多次测试结果可知,该仿真系统可顺利完成典型航空零部件的切削仿真,经系统校验无误的代码可较好满足机床XKA2780的工作要求。
 
  4结论
 
  为满足龙门移动式数控5轴车铣复合机床XKA2780的加工仿真需求,本文基于ACIS/HOOPs开发平台,开发了独立的虚拟仿真系统,得到结论如下:
 
  (1)基于ACIS/HOOPs开发平台,将字段与机床组件的层次关系进行关联,有效完成了机床工艺系统的建模,并在控制系统的驱动下成功模拟机床多轴联动。不失一般性,该建模方法亦可用于开发混联机床、车铣复合机床等其他数控机床的仿真系统。
 
  (2)本文提出一种通过刀具扫描临界线获得刀具扫描包络体的方法,相比传统的求解精确包络面方法,该方法不仅建模速度快,而且计算简单,可为数控仿真和轨迹规划领域的相关应用提供参考。
 
  (3)基于刀具体建模,将继续探究整个加工过程的切削参数确定方法,为更进一步的物理仿真和数控代码优化提供参考。此外,鉴于所提的刀具体建模方法适用于其他类型的回转刀具,将进一步探究该方法在仿真中的精度评估、行距优化、路径生成等方面的应用。

移动版:

本文标签:

河南快三_河南快三彩票平台|官网 吉林十一选5|首页 十大彩票平台|正规授权 北京pk10|首页 秒速飞艇_秒速飞艇手机版【官方网站】 最好的快三投注平台|官网 吉林快三|首页 快乐十分_快乐十分广东|正规授权 全国最大的快三投注平台|首页 广西快三|官网 幸运28网站|首页