数控加工过程仿真系统的研究(下)

HEATS

　　1.4对象类的建立

7 Z. }" P" W% s! p4 E

　　由于数控机床的型号较多，功能、结构均有差异，对每一台数控机床，都去分析其结构特性、功能特性，建立仿真模型，是一个费时费力的任务。从数控机床发展的历史来看，数控机床具有明显的继承性，就加工中心而言，就是在数控铿铣床的基础上发展起来的，简单而言，加工中心＝数控镗铣床十换刀装置。因此，利用数控机床的结构和功能特性相似的特点，采用面向对象的方法建立起对象类的层次结构关系并通过继承实现仿真模型信息的重用是非常必要的。

) Z3 R# N* t. _

　　数控机床依其结构形式分类较简单，可划分为以下3类：卧式数控机床(HNCMT)、立式数控机床(VNCMT)、龙门式数控机床(GNCMT)。这3类数控机床可以被抽象为3种基本的数控机床对象类，它们构成数控机床类库结构中的一层。这3类数控机床对象类还具有一些共同的属性，象数控机床的名称、型号、主轴的转速范围等这些所有数控机床都具有的属性，因而可以进一步向上概况抽象出一种新类——数控机床(NCMT)类，它处于数控机床类层次结构的最上层，是整个数控机床类的基类。考虑到数控机床的实际情况，对数控机床的结构与功能属性进行更详尽的分析，HNCMT类、VNCMT类、GNCMT类均可按3坐标、4坐标、5坐标进一步划分类，它们处于数控机床类层次结构的下层。这样，整个数控机床类的层次结构就建立起来了，数控机床对象类的层次结构如图2所示。

' d: a0 S2 b6 C/ o1 q % Y3 M- |+ W) e, L+ e: P# W

|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网www.MechNet.com.cn

; x% E" N `7 }7 r% R2 P( k

　　2仿真系统的总体结构

2 k; |* V9 l; l- \5 ?6 O% L: ~4 Y4 Q * X" ]% w% `; Q) ^" \

　　数控机床加工系统由数控机床、刀具、工件和夹具组成。数控加工的过程是数控机床在NC代码的驱动下带动刀具对被夹具固定在工作台上的工件进行切削加工的过程。要实现对数控加工过程的仿真，首先要建立数控机床、刀具、工件和夹具的几何模型。在几何模型的基础上建立数控机床的运动模型。最后实现对数控加工过程的仿真。数控加工仿真系统的整体结构如图3所示。

3 [. H) ?7 J2 j ; n5 t. V& l+ u7 ~

; _0 V4 v6 G9 t2 i1 }/ X* b

　　3仿真模型

# J; B5 C( I# t0 k" ~4 ^; E& G

　　数控加工仿真系统的仿真模型包括数控机床、刀具、工件和夹具的几何模型和运动模型，本文只讨论数控机床的几何模型，刀具、工件和夹具的几何模型较简单，与数控机床类似，仿真系统的运动模型参见文献[3]。数控机床的几何模型实际上是一个装配模型，是装配单元按一定约束条件组合在一起的装配体，装配单元为零件或部件。以下主要讨论装配模型的实现以及装配体内部各子部件之间位置关系描述等问题。|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网www.MechNet.com.cn

　　3.1装配模型的基本形式

- i) ]# e3 w. t% `. ~) Q7 {2 \

　　装配模型的基本形式是层次树和图。层次树可以清晰的表达装配体的组成关系，而且也利于装配序列规划的求解，但它不易表达零件间的配合关系。与层次树结构相反，图的结构比较容易表达各零件间的关系，并提供了在装配体中从一个零件直接找到另一个零件之间联系的路径，特别适合公差和运动链的分析，但很难表示层次组成关系，结构比较复杂，不易维护，而且操作也比较困难[2]。几何模型与其它系统(如CAD／CAM系统)的装配模型的要求不同，可归纳为：(1)装配几何关系的描述；(2)装配拓扑关系的描述；(3)零件层次性的构造。由于几何模型可不考虑公差配合，而且运动关系也具有层次关系，因此，可采用层次结构。

7 Z" n0 N/ M7 f. c0 Q' i/ w

　　3.2仿真模型的建立

5 u" W' a/ k3 l: }) u2 ?

　　在本系统中，一个装配体被表示成一棵2叉树，如图4所示，其中树的根节点表示用户最终需要的装配体，非叶节点表示子装配体，子装配体是由零件或者子装配体构成，零件在这个树状结构中是用最低层的叶结点表示。同时规定非叶节点的左子女作为基体，它位置不发生变换，变换矩阵只作用它的右子女。只有同一层次的装配单元存在“位置约束”关系，不同层次的装配单元存在“从属关系”。通过装配单元的局部坐标系与被装配的装配单元所在坐标系进行转换及相应的移动和旋转，使装配单元定位于理论装配位置。此模型具有描述简单、操作方便、容易维护和存贮量小的特点。

3 q1 ^3 B/ V8 O; V: ~ : @* e6 n( E9 h( k$ x$ c2 g2 d

|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网www.MechNet.com.cn

　　4结束语

3 P/ [, [2 g p( l

　　现代仿真技术的发展趋势就是面向对象，将面向对象技术引人数控加工过程仿真系统的研究与开发中，必将提高数控加工过程仿真系统研究的质量，促进数控加工过程仿真系统的应用与发展。设计出一个正确的仿真对象是整个仿真系统实现的基础。本文在分析了数控机床的结构和功能特性后，指出数控机床是由相对独立的数量较为固定的不同功能的模块组成，这些模块在组成数控机床的过程中，不仅存在几何位置的约束关系，而且存在着选用上的排斥关系。由此，提出了一种面向对象的数控机床定义方法，并在此基础上建立了数控机床类库，文中还建立了数控加工过程仿真系统的整体结构。