虚拟机床加工系统研究

1 概述

虚拟机床加工系统的研究工作最早是由美国提出的。美国伊利诺伊大学主持成立的虚拟机床研究机构和美国NIST都投入了大量的人力、物力开展虚拟机床的研究与开发工作。前者的工作主要按机床行为建模和过程建模两部分进行。其中虚拟机床的行为建模包括以下六部分：(1)机床拓扑模型；(2)机床运动学模型；(3)机床控制模型；(4)几何误差模型；(5)主轴动态特性模型；(6)热误差模型。过程建模主要是建立系统响应、工件属性与加工过程之间的关系。包括：(1)切削过程模型；(2)工件属性模型；(3)工装夹具模型等三部分。而后者则以为虚拟制造提供支持工具，并为制定下一代基于信息的制造技术标准奠定基础为目标。

我们在跟踪国外研究进展的基础上，完成了一个以车削加工为基础的虚拟机床加工系统的软件系统。本文将对虚拟机床加工系统的部分研究内容进行较深入的讨论(本文研究内容得到国家“863计划”资助)。

2 虚拟机床加工系统研究的基本内容和关键技术

1) 虚拟机床加工系统的基本要求

虚拟机床加工系统是在计算机上建立的一套能够描述真实加工过程和质量检验过程，允许使用者测试和优化加工工艺、预测加工质量的软件工具。它可以根据实际加工机床或加工中心进行初始化，然后由数控代码驱动虚拟的机床进行切削加工。它除可描述刀具真实运动轨迹外，还可根据刀具特征计算工件的形状误差、形位误差、几何尺寸误差和表面粗糙度，进而达到预测加工质量的目的。虚拟机床加工系统所生产的产品是可视的虚拟产品，具有真实产品所必须具备的一切特征，是一个数字化的产品。

虚拟机床加工系统的建模有以下两点最基本的要求：

·在功能上要与现实机床加工系统有一定的等价性；
·在组成结构上要与现实制造系统中的机床加工系统有一定的可比性，要可系列化，具有可重用性与可重组性。

此外，由于虚拟机床加工系统是一种估计和验证新产品的可制造性的不可缺少的工具。它所关注的是金属切削加工的描述，它是以真实感为基础的、是依赖于真实系统的。经过虚拟实现的加工最终仍要在真实的环境中实现。因此，虚拟机床加工系统要包含诸如：(1)机床型号；(2)机床的主要结构尺寸、工作台的大小、工作行程等；(3)机床的精度，包括加工时各工作部件的运动精度、导轨精度、定位精度等；(4)机床的使用情况，如故障率、故障原因、维修记录、使用环境等；(5)操作机床的人员状况等的全部信息。

虚拟机床加工系统就是要包含上述所有信息并能自如地与其他虚拟资源及真实系统互通信息的虚拟系统。

2) 虚拟机床系统研究的基本内容

附图所示就是一个能够达到上述目的和要求的虚拟机床加工系统的基本框架以及该系统与其他虚拟制造资源及真实资源的联系。它清楚地展现了虚拟机床加工系统所要研究的基本内容。

虚拟机床加工系统的基本框架和研究内容

图中所示的各种联系都是双向的。整个虚拟生产系统的工作是以虚拟机床加工系统为中心的。CAD/CAM系统为虚拟机床加工系统提供标准化的设计数据。根据这一设计数据，虚拟机床加工系统在对异地加工位置的实际机床系统进行选取使自身初始化后进行产品的加工生产，并将加工后所得到的产品数据交付虚拟检测系统和虚拟装配系统检验产品的质量和性能，同时对加工和设计提出修改建议。这一过程是反复进行的，直至获得合格的虚拟产品。而后，将所形成的加工数据反馈给最终所选定的加工地进行加工。通过上述过程一个新产品便被迅速地加工完成。在正式交付加工数据之前，虚拟的加工不仅不需要任何资源，而且可以随时满足客户的特殊要求，实现敏捷的生产。

3) 虚拟机床加工系统研究的关键技术

·建立一个在结构上与现实机床加工系统具有一定的可比性、代表着一类机床加工系统的共同特性、具有更高的柔性、可重构性、可重用性的虚拟机床加工系统拓扑模型；
·针对上述模型建立虚拟机床加工系统的运动学模型，从而完成虚拟机床加工系统主轴的运动状态描述以及刀具的运动轨迹描述；
·建立虚拟机床加工系统的误差模型，将一类机床加工系统的误差融入运动学模型中，使刀具的工作空间具有更高的真实性；
·真实地反映切削过程的切削模型的建立；
·能够真实反映工件全部信息的标准化的产品数据表示法；
·统一的各系统之间的接口定义及信息交换方式；
·对所加工的产品以及对数字零件的加工质量的预报和监测。

3 解决关键技术的一些基本方法

1) 建立机床加工系统拓扑模型

利用拓扑等价关系可以形成一个拓扑意义上的机床，建立最一般的复映关系。这种复映关系指的是虚拟机床加工系统与现实机床加工系统以及虚拟机床加工系统中所包含的影响加工质量的各种关系。在拓扑模型的建立中，我们将现有机床划分成适当的组成部分，以便组成相应的结构。对于多轴机床来说，各部件组成的顺序及运动方式的不同，将使刀具轨迹和误差的组成有明显的区别。特别是调整误差与机床各组件的相对位置更是有很大的关系。利用一种成形运动的特征运动链可表示出机床的拓扑结构，并方便误差的融合。例如：多轴机床的成形函数可由下式表示为

r_W=Aⁱ¹Aⁱ²…A^ij…Aⁱⁿr_T (1)

式中r_W——工件坐标系中工件的位置向量
r_T——刀具坐标系中刀具的位置向量
A^ij——工件至刀具的运动链组件标架的齐次坐标变换矩阵

在此，可用一定的代码表示多轴机床。如，一台五轴机床可表示为W/baxyz/T(Z)，则成形函数为

r_W=A_(φ)⁵A_(φ)⁴A_(x)¹A_(y)²A_(z)³r_T (2)

式中，x、y、z为X、Y、Z轴的移动量，φ、Φ为A、B轴的转动量。

这个成形函数便构成了拓扑结构的雏形。后续的一切工作都是以它为基础的。

2) 虚拟机床加工系统的初始化

虚拟机床加工系统的初始化的主要作用是使虚拟机床加工系统能够更加真实地按照现有机床进行虚拟加工，使得到的加工结果能够迅速地在真实的加工现场得到应用。这实际上是工艺规划中的机床选择问题。尽管此时的选择范围变得相当大。除此之外，还有所选机床的虚拟化的任务也要在此完成。它需要大量的参数及很多的图形操作。要完成这些任务，网络通讯的支持是必不可少的。

3) 工件属性模型的研究

虚拟机床加工系统的最终目标是要得到对工件属性进行预测的能力。因此工件属性模型的建立对虚拟机床加工系统的成功是非常重要的。这其中所涉及的领域包含工件表面数据的表示方法、刀具的模型化、单点刀具及多点刀具的性能、表面成形的模型化方法等。同时也着重注意机床系统误差的影响。

具有真实感的加工表面的数据组织形式以及对如粗糙度这样的误差的直接拾取的计算方法还在进一步进行研究。统一数据的描述格式是必要的。因为它将对虚拟机床加工系统的所有环节产生影响。目前描述工件数据的方法主要有CSG、STEP法等。另外对图形数据的处理过程以及加工表面微观形貌特征的描述也可使用分形方法。总之，将现有方法与各种可能的因素综合考虑，总结出一种适当的方案是目前的主要工作。

4) 运动、几何误差模型及动力学问题的考虑

对于多轴机床运动学模型的建立，目前大多数采用D—H方法或对D—H方法进行一定的修正。在应用其进行误差分析时，又有使用四参数模型和五参数模型的方法。尽管D—H方法可将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来，但其对误差标定及速度、力等问题的求解，则不是十分方便。旋量方法能够明显简化计算程序的编制，并可同时对自由矢量和线矢量进行处理。该方法的使用不仅可使此方面的研究难度降低，而且会更加清晰。

除此之外，由于机床加工系统是一个非常复杂的加工工艺系统，自从其问世以来对它的研究虽已有相当长的历史，但其中仍有很多疑难问题并没有得到很好的定量解释，起主导作用的仍然是经验和实验数据；同时它的各个组成部分，又具有非常强的联系，各种联系因素错综复杂。这就给虚拟工作带来了相当大的难度。特别是动态误差对加工质量的影响是非常大的。振动和加工温度的变化在一定范围内将对粗糙度起着关键性的作用。采用一种简化的方法，将其分解为各个相对独立的组成部分去研究，已经成为普遍认可的研究策略。

4 结束语

在国内，虚拟制造技术研究开展得比较早，也取得了一定的成绩。但对虚拟机床加工系统的研究尚未见报道。我们在对虚拟机床加工系统的部分关键技术进行深入研究的基础上，完成了一个以车削加工为基础的虚拟机床加工系统的软件系统。该软件系统具有完成NC代码的转换、虚拟加工以及加工质量的监测等功能，具有了一定的实际意义。目前正在进行多轴机床的虚拟机床加工系统的研究。针对多轴机床的特点以及加工工件的特点，我们将工作重点放在工件属性的描述、切削力的建模以及工件加工后的表面轮廓的描述和检测以及Agent技术的研究上。

基于Agent的技术的研究，对虚拟机床加工系统这样一个软件工具的建立是非常有价值的。实践表明，在虚拟制造及分布网络化制造中，基于Agent的结构将发挥巨大的作用。