虚拟加工平台中加工过程模型研究

    在数控加工中，如果只对加工过程进行几何仿真，只仿真刀具、工件几何体，仅以此来验证NC程序的正确性和进行干涉校验，那是远远不够的。实际的加工过程是由机床、工件、刀具等构成的，是一个涉及到多种影响因素的综合系统，其中由切削力引起的工件的变形将直接影响零件的质量，对材料成本高、精度要求高的零件尤其如此。因此，有必要从揭示切削内在机理建立加工过程模型入手，通过在计算机上仿真演示，来控制切削参数，以达到优化切削过程的目的。

    随着虚拟制造等新概念的提出，虚拟加工作为虚拟制造技术的一个十分重要的分支，其过程的研究在国内外受到越来越普遍的重视。同时，计算机图形学，信息技术，CAD/CAM 技术，金属切削原理，加工过程建模技术，分析技术以及虚拟现实技术等领域的新成就也为虚拟加工过程研究提供了良好的技术支撑。利用这些技术可以构建对加工过程进行研究和预测的实验平台。利用该平台，在虚拟加工环境中，除了完成零件加工过程的几何仿真，同时还要利用零件的几何参数，材料的物理性能，加工过程切削参数建立起加上过程物理模型，并进行物理仿真，对加工过程的动态情况进行模拟，以期尽早发现加工过程中未能预料到的对加工质量产生不利影响的因素。为判断产品设计的可加工性，调整和优化切削参数提供依据。

    本文概要介绍了完成虚拟加工过程仿真的虚拟加工平台的主要功能模块。并对直齿圆柱铣刀三坐标铣削加工进行了讨论。本文从零件、刀具的实体模型入手，讨论了刀具扫描体的建立方法以及模拟材料切除，获取零件在加工过程中的中间几何模型的算法，并建立了材料切除过程中的切削力的模型。

    2 虚拟加工平台系统功能

    虚拟切削加工是指在数控机床上进行的切削加工过程在虚拟环境下的映射。采用虚拟加工环境可以为一些零件的加工提供一个试切环境。图1所示为虚拟加工平台系统功能框图。该系统的硬件环境是 PIII550。并利用现有的 CAD/CAM软件所具有的强大的几何建模及NC程序生成的功能，建立虚拟加工所需的几何模犁以及丰成相应的NC程序。所建立的几何模型包括毛坯、零件、刀具和夹具等的几何模型。所依据的建模平台和分析平台为 ,CAMWorks,Cosmos/Works。该系统主要由四大核心模块组成:输入模块，仿真模块，分析模块和输出模块。

    物入模块主要完成虚拟加工环境的构建或修正。加工环境的构建应包括几何环境和物理环境。几何环境的建立主要通过读取毛坯、夹具和刀具等的几何模型来实现。物理环境的构建是指与毛坯材料、刀具材料有关的参数、切削参数、装夹定位参数与加工过程中切削力、切削变形有关的参数的确定。因此，输入模块的功能由以下几个子功能组成。