面向虚拟制造的特种回转面刀具加工仿真系统

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图1 数控磨削加工仿真体系结构
7 ~( J8 G& ~0 O% a$ k4 E# q1 引言
( L% K$ }( Z+ t随着汽车、模具等制造行业的快速发展，不仅对多品种、小批量特种回转面刀具的需求日益增加，而且要求缩短产品开发周期和交货期。但在实际数控加工中，为了验证所产生的数控代码的正确性，常常需要进行反复试切直至确认数控代码能够完成预定的任务，同时数控加工参数也需要反复调整。这些操作不仅效率低下，占用了机器资源，而且有可能引起刀具碰撞而造成更大的经济损失。通过对虚拟制造环境中特种回转面刀具磨削加工仿真系统的研究，能有效地节省资源，更快速更经济地制造出市场所需要的产品。
2 仿真系统的体系结构
, P9 k4 l5 F6 R0 }6 d& g通过对特种回转面刀具磨削加工过程中的各种操作进行模拟与预测，我们建立了面向虚拟制造的特种回转面刀具磨削加工仿真系统。该仿真系统包括几何仿真与物理仿真两方面的内容：几何仿真包括刀位轨迹验证、工件与机床、刀具的碰撞干涉、精度检验、加工过程成形仿真等；物理仿真包括对切削参数的优化、砂轮磨损的监控、表面质量和切削力的控制等。通过将几何仿真与实际加工过程中的物理仿真相结合，能更加真实地反映数控磨削加工特种回转面刀具的实际情况，达到更为精确的仿真效果。仿真系统的结构如图1所示。
3 仿真体系的关键技术——碰撞干涉检验
# W! X9 I% C( J在图1所示仿真体系中，碰撞干涉检验是其关键技术，特别需要进行深入、系统的研究。

& R! e! O* ^; n图2
) b3 B: v( X" a1 `& {
% s7 m# @, }$ b* j5 X- z离散后的砂轮
, m  m9 V( u. ~0 @# A
: i! b1 y" `$ [3 r7 ^- v/ S2 D& F离散后的刀具
图3
' M) c7 |( O3 h' V: ?在数控磨削特种回转面刀具时，最有可能发生碰撞干涉的区域是砂轮与机床主轴之间、砂轮与夹具之间、砂轮与被加工工件之间以及砂轮头架与夹具之间。由于砂轮与各部件大都为回转构件，在进行碰撞干涉检验时有很多类似之处，限于篇幅，本文以砂轮与特种回转面刀具之间的碰撞干涉检验为例进行分析，余可类推。
建立如图2所示的机床坐标系Om-XmYmZm。
9 a! O" }/ w0 b9 x由于砂轮轮廓是由一条母线绕回转轴形成(该母线由形成砂轮大端面上的一条径线和形成砂轮锥面的直线两部分组成)，因此采用下列步骤求得砂轮曲面上的点坐标：首先在砂轮局部坐标系中，将母线按一定的密度取点，以坐标点Pw0(0, j)，j∈(0, n)记录；其次，将坐标点绕回转轴按等步距旋转360°离散，记录下相应的坐标点Pw(i, j), i∈(0, m), m=int(360°/q (q为步距，用度表示)；最后，将坐标点Pw(i, j)转化到机床坐标系中。图3a为离散后的砂轮。
1 W  V) o2 {. F! D. P$ h5 B; d' H离散后砂轮上一点的单位表面法矢可用下式进行计算：
+ {& o3 p5 T+ ?7 N/ \, o5 p w(i, j)
( t5 Z; x* M! w: _/ D[Pw(i+1, j)-Pw(i, j)][Pw(i, j+1)-Pw(i, j)]
|[Pw(i+1, j)-Pw(i, j)][Pw(i, j+1)-Pw(i, j)]|
特种回转面刀具是由一截面通过旋转、平移、按比例缩放形成的，其曲面取值按照下列步骤进行：首先将截面按等距取值，记录下点坐标Pt0(i, j), j∈(0, q) (q为刀具截面形状参数的取值范围，其值随槽形的变化而不同)；其次，将点坐标按照上述成形规律通过旋转、平移、比例变换，得到特种回转面刀具表面在刀具局部坐标系中的坐标点Pt(i, j), i ∈(0, t), t= int(L/d)(L为特种回转面刀具的长度，d为两截面之间的距离)；最后，将刀具局部坐标系中的点坐标转化到机床坐标系中，从而完成刀具的离散(见图3b)。
同样，特种回转面刀具表面单位法矢也可采用式(1)来计算，记为t(i, j)。
+ m' @& V* l4 N! |这样，碰撞干涉检验可通过先粗判可能发生干涉的区域再精判干涉量的大小几个步骤来进行：
& d" G* b& g3 x1 }+ K判断砂轮与特种回转面刀具可能发生碰撞干涉的区域
若砂轮上一点尸Pw(i, j)={xw, yw, zw}满足下列条件：

(2)
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