VR虚拟现实虚拟加工与装配技术 精品.docx

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虚拟加工及相关技术

摘要

【摘要】分析了发展虚拟轴机床的意义，研究了虚拟轴机床的发展历史、现状和发展趋势，提出了应采取的对策及今后研究开发工作的方向。

关键词:

虚拟轴机床数控技术机器人技术

IntelligentManufacturing

Abstract

IntelligentManufacturingintroducedthebackground,maincontentsandobjectives,ArtificialIntelligenceandIMT,IMSrelations,IMSandCIMS,intelligentmanufacturingandthematerialbasisofthetheoreticalbasisofthecharacteristicsofintelligentmanufacturingsystemandtheframeworkstructure,andgaveabriefingonintelligenceMachiningCenterIMC,intelligentmanufacturingtechnologydevelopmenttrendofwood,aswellastheIntelligentManufacturingSystemsresearchresultsandproblematic.

Keywords:

IntelligentManufacturing,IMS,IMC,IMT.

第一章绪论

1.1虚拟装配技术

近年来，世界机械制造业市场的竞争日趋激烈，为了适应变化迅速的市场需求，产品研制周期、质量、成本、服务成为每一个现代企业必须面对的问题。

近20年来的实践证明，将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是现代化企业生存、发展的必由之路。

同时，先进的产品研制方法、手段以及实施途径，实际上是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。

以波音公司为例，在数字化代表产品--波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们如何充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。

波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与集成产品开发团队IPT（IntegratedProductDevelopmentTeam）（238个Team）的有效实施，保证了飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成。

研制周期从过去的8年时间缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。

“虚拟装配”（VirtualAssembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。

通常有2种定义：

（1）虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。

该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程。

（2）虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

1.2虚拟制造技术

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，在计算机群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测以及企业各级的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。

虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，包括加工环境建模、加工工艺模拟、NC解析、加工过程仿真等。

其中，环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。

本文以实际加工环境为基础建立一个具有沉浸感的虚拟加工环境，对虚拟加工环境建模关键技术展开研究，设计人员能在该环境下对零件加工过程进行仿真并对零件的加工进行分析，从而提高生产效率和加工质量。

第二章虚拟加工技术及其应用

2.1虚拟加工系统体系结构

虚拟加工是现实加工过程在计算机上的映射，与真实制造过程相比，具有虚拟性、数字化集成性、依赖性。

虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变对虚拟加工系统进行变更。

由此，以现实制造过程为基础，本课题组提出了一个开放的、可重组、可扩展的虚拟加工系统体系（图1）。

图1虚拟加工系统体系结构

体系结构由界面层、功能层和数据层组成。

界面层提供用户与系统交互的界面，用户通过该界面可以快速组装一个虚拟加工环境并进行虚拟加工，直观地观看加工过程，对加工过程进行干预，并获取分析结果。

功能层分为虚拟加工环境建模部分和虚拟加工仿真、分析部分，前一部分主要用于快速配置可重构的虚拟加工环境，包括设备建模、环境（车间）建模、刀具建模、夹具建模等功能模块;虚拟加工仿真、分析部分主要用于对产品的加工过程进行仿真相分析，包括了加工过程可视化、加工过程受热变形仿真、加工误差检测、仿真结果分析等功能模块。

数据层是虚拟加工系统重组、扩展的基础，包括可重用的虚拟设备模型、可扩展的虚拟环境模型。

除此之外，用来组装虚拟设备的虚拟零部件模型及用来进行加工的刀具模型、夹具模型、毛坯模型等都要建立相应的数据库。

虚拟加工环境建模是真实加工环境在数字化世界中的映射。

产品的实际加工环境包括加工设备、工装夹具及其加工刀具等，因此在虑拟加工环境中需要建立相应的加工设备模型、夹具模型、刀具模型及工件模型，使得虚拟加工环境能够依据用户输入的NC代码、工艺模塑和刀具模型给出有关工件变化、刀具状况、加工效率等信息，为进行产品的可制造性评价和优化打下基础。

虚拟加工设备主要是指虚拟机床，用于仿真实际加工设备加工虚拟产品，机床模型包括机床的几何实体信息、运动特征信息、伺服特性信息、刚度特性信息以及热变形特性信息的影响等;虚拟刀具包括镜刀、车刀、钻头等常用的加工刀具，用于仿真实际的切削过程，刀具模型包括刀具几何实体信息、切削特征信息和运动特征信息等:

虚拟夹具用于仿真实际的工装夹具，夹具模型包括夹具几何实体信息、装夹特征信息等。

虚拟加工设备、夹具、刀具和工件建模原理一致，本文以虚拟加工设备为例，研究虚拟加工环境的构建。

2.2虚拟加工设备建模

图2虚拟加工设备模型类结构

虚拟机床是虚拟加工过程的具体实施者。

根据机床信息的不同，机床模型分为几何模型和仿真模型，其中几何模型将虚拟机床看成是一个层次式的装配体，包含多个部件和零件，且部件之间存在着相互装配关系和约束条件，组成零部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模;机床仿真模型是在NC代码的驱动下，采用一种类似于NC加工插补算法实现各运动部件的平动与转动，以此驱动虚拟机床的运动。

本文将仿真模型作为机床的物理属性依附在机床的几何模型上，建立虚拟加工设备模型的类结构（图2）。

类结构建立床身、工作台和导轨等基本类，在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类；零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类，通过零件、部件之间的包含、聚合关系形成虚拟加工设备。

本文以类结构为指导，给出虚拟机床的建模流理（图3）首先建立可重用的零部件JL何模型和可重用的零部件仿真模型，分别存入几何模型库和仿真模型库。

从几何模型库和仿真模型库中分别选取合适的零部件几何模型和仿真模型就可以组建成所求的零部件完整模型。

获取了零部件的完整模型。

然后将它们按一定规则装配组装成虚拟加工设备模型。

对各种虚拟加工设备进行物理属性建模就可得到符合实际需要的虚拟加工设备。

2.2.1几何特征信息的获取

零件儿何模型的建立是实现可重构虚拟加工环境建模的关键，零部件乃至设备的工程语义、各种仿真模型最终都必须以零部件几何模型为依托。

我们将分析处理用的与工程语义相关联的零部件几何模型和屏幕三维显示用的几何模型（分别称为工程几何模型和显示几何模型）分开处理。

工程几何模型负责接受各种仿真模型的依附以及描述该零部件工程语义的工程数据（如质量、材料、代号等）的定义，所含数据包括零部件模型的参考点、坐标系、描述该零部件形状的特征数据，但不包括有关屏幕显示的信息。

对工程几何模型需要的特征数据通过对使用的三维软件进行二次开发获得。

以UG为例，特征信息获取方法如下:

Step1:

应用函数DF_PART_ask_display_part,从UGOpenAPI中获取零部件模型句柄。

Step2:

应用函数UF_PART_ask_part_name，从UG/OpenAPI中获取零部件名字，并创建一个零部件几何模型对象。

虚拟加工环境开发中，我们设计了零部件几何模型类CGeoPart3d，用于记录其特征树、零件名等信息。

Step3:

获取特征数据，根据特征类型创建相应的特征对象，把这些特征数据存储在对应特征对象的成员变量中。

建立CGLFeatu因为特征义类记录各特征共有数据，如特征类型、特征名、参考点坐标等;建立Block、Cone、Cylinder、Simple_Hole、Reel_Pad等常规特征子类记录各类特征特有参数，如Block的特征类CGLFeatBlock记录Block特征特有的参数长宽高。

UG/OpenAPI中获取特征类型的函数为UF_MODL_ask_feat_type;获取特征名的函数为UF_MODL_ask_feat_name;获取参考点坐标的函数，UF_MODL_ask_feat_location;获取特征参数的函数，UF_MODL_ask_*_parms,*代表具体的特征类型，如为Block，则函数表示获取Block特征的参数。

Step4:

应用获取特征关系函数UF_MODL_ask_feat_relatives，获取特征之间的关系，并根据该关系step3创建的各特征对象链接到零部件几何模型对象的特征树的对应位置

显示几何模型只包含三维显示需要的一些数据（如点集、三角面片集、颜色、法矢等）。

我们采用VRML文件作为中性文件获得零件的显示几何模型，即在CAD软件中通过对一些规则形状的物体进行几何运算，并导出形成STL、VRML格式的中性文件，记录零部件几何模型的三角面片数据。

2.2.2零件几何模型的建立

获取的显示几何模型实质是一系列离散的面集，而获取的特征数据只有外形尺寸等特征信息，都不足以表示零部件几何模型。

需要根据特征数据来识别并重新组织面集以构造零部件几何模型。

本文采用面向对象的思想分析零件几何模型，为特征造型中常见的几何表面类型及其约束方程分别设计类，利用类和对象间的继承、聚合特性实现零件的可重构和重用性。

图4为本文建立的零件几何模型对象结构，描述零件几何模型与工程语义、形状特征之间的对象关系以及该零部件与其它零部件之间的几何约束关系。

图4零部件几何模型的对象结构

图中，约束方程类是根据获取特征信息建立相应的特征面约束方程;几何表面有平面类（CGLPlaneFace）、圆面类（CGLRoundFace）、桂面类（CGLCylinderFace）、锥面类（CGLConeFace）等;形状特征用于描述一定工程意义的功能几何形状信息，包括与零件的几何形状、尺寸相关的信息集合。

形状特征有:

Block特征（CGLFeatBlock）、Boss特征（CGLFeatBoss）、Cone特征（CGLFeatCone）、Cylinder特征（CGLFeatCylinder）等

一个形状特征由一组几何表面组成，每一个几何表面都会对应于一个显示几何模型中的面集。

通过约束方程类将VRML文件中离散的三角面片和形状特征的几何表面管理起来，形成零件的完整几何模型。

零部件几何模型类CGeoPart3d记录零部