虚拟制造系统的关键技术

虚拟加工技术虚拟装配技术虚拟车间技术1.虚拟加工技术早在20世纪60年代，数控机床就已经获得了应用。70年代就有了自动编程技术APT。70年代后期CAD也获得了广泛的应用。但是实现CAD和CAM的集成是一种始终复杂的工作。所以在实际的制造系统中，经过CAD/CAM的零件，在正式加工之前，一般要进行试切这一步骤。试切的过程也就是CAD/CAM/NC系统生成的NC程序的检验过程。随着NC编程的复杂化，NC代码的错误率也越来越高。如果NC程序生成不正确，就会造成过切、少切，或加工出废品，也可能发生零件与刀具，刀具与夹具，刀具与工作台的干涉和碰撞，这显然是十分危险的。传统的试切时采用塑模、腊模或木模在专用设备上进行的。这不但浪费人力物力，而且延缓了生产周期，增加了产品开发成本，降低了生产效率，极大影响系统性能。虚拟加工是实际加工在计算机上的本质实现，一般采用三维实体仿真技术。在三维实体仿真软件(亦称为加工过程仿真器)的支持下，以NC代码为驱动，数控指令翻译器对输入的Nc代码进行语法检查、翻译。根据指令生成相应的刀具扫描体，并在指令的驱动下，对刀具扫描体与被加工零件的几何体进行求交运算、碰撞干涉检查、材料切除等，并生成指令执行后的中间结果，所有这些虚拟加工过程均可以在计算机屏幕上通过三维动回显示出来。指令不断执行，每一条指令的执行结果均可保存，以便查验，直到所有指令执行完毕，虚拟加工任务结束。虚拟加工过程仿真器应包括以下几个主要的功能模块(1)几何建模。可进行加工中心设备的几何建模，包括简单体宏定义和装配以形成构成加工中心设备的主轴(箱)、工作台、换刀机械手、导轨及其他部分几何模型，可对简单零件和毛坯进行几何建棋或从其他cAD／cAPP／cAM系统转换零件的几何模型，可实现工件毛坯及夹具在拖盘上的装夹定义。(2)机床定义。对机床几何模型赋予加工铀、刀库、主轴、工作台等逻辑定义。(3)刀库定义。可对铿、铣、钻、车削等用的各类刀具参数进行定义和管理。(4)加工任务设置。包括刀库定义、工件装夹、零偏设置、NC代码加载等。(5)Nc代码翻译转换。可支持多种控制器的Nc代码解释，不仅可提取出驱动加工中心设备模型运动的数据，而且可提取各种加工状态信息和工步信息，以支持工件材料切除的计算。(6)加工过程仿真。用动画展现加工过程中材料切除的过程和设备的工作状态，并支持Nc代码窗口调试能力，检查刀具与夹具和工作台的碰撞及过切、少切现象．检查无效的NC代码动作、进给和切削用量的合理性。(7)成品检验。对加工后的工件几何模型进行各种测量。虚拟加工技术1．数控机床的几何建摸机械设备的几何建模包括零件的几何建模和设备的几何建摸。在单个零件的几何建模方面，一般以csG和B—rep表示或两者的混合表示为基础。建模方法中有简洁易行的平扫法、回转法，还有特征造型和参数化造型方法。在机械设备建模方面，一般采用两种方法来表示装配体中组成元件之间的相互关系。一类是宜接存储元件之间的相互位置信息，如齐次变换矩阵35一种方法是只存储组件之间的配合、连接等装配信息。对数控机床的几何表示目前还没有一个较为治确酌模型，数控机床有它自己的结构特点，它的几何模型既要适应加工过程中的快速显示，又要便于描述它的运动，建立它的运动模型。2．数控机床的运动学模型和刀具管理目前，机械系统的运动学建模方法很多，但对于数控机床的仿真运动模型的描述研究还比较少。对于刀具的管理，目前已有一些研究．主要集中在刀库存储管理、刀具标准化、刀具的加工设置、对刀具员优化加工条件、刀具在刀架上的排列和刀具的磨损监控等何题，人们也作了研究。虽然刀具涉及的问题报复杂，但针对具体情况提出的理论和方法往往是有效的。3．数控程序约分析处理Nc代码翻译器用于指挥虚拟机床的动作和状态，机床的一切动作和状态都要受NC代码翻译器的控制。20世纪70年代以来，随着数控图形编程和实体显示技术的迅速发展，对Nc代码翻译器的需求也日益强烈。目前的Nc代码翻译器为专用翻译器，即只适用于其一类数控系统。4．运动物体的碰撞检测和加工件的逐步成形运动物体的几何碰撞十涉检验算法的研究在图形学、起动物体仿真和规划，以及制造系统的编程与控制中占据着极其重要的地位。碰撞检测算法一般可根据其采用的表示模型来划分。成形的算法大都是以B—，eP几何表示模型为基础的，碰撞检测是由连续的表面和形体的相交测试来实现的。显然，这种算法计算时间取决于物体表而的数量，运算效率比较低。为了提高效率．人们在八叉树的基础上提出一种快速算法和以层次球状为基础的碰撞检验算法。虚拟装配技术装配是产品开发活动中最具影响力的一个环节。现代产品的竞争是性能、质量、价格、上市时间、外观形状、售后服务等多种因素的综合竞争，所有这些因素无不与装配存在密切联系。产品的质量是由设计师设计拟定的，由制造阶段提供保证，并由装配阶段具体落实的。装配质量的好坏直接反映在产品的性能、质量上。20世纪90年代，并行工程(CE)和虚拟制造(VM)技术的兴起导致了产品设计的广义化，许多处于下游阶段的活动如制造、装配、测试、质量控制等都可望在产品设计的同时并行考虑。在此背景下，装配设计范围自然扩展为产品生命周期中与装配有关的各种活动。从这个意义上讲，产品装配结构设计、装配公差分析与综合、装配工艺规划(APP)、装配系统规划(ASP)等，均应是广义的装配设计范围，实际上，它是一种基于三维数字模型的集成化装配设计，亦称为虚拟装配。虚拟装配技术的内涵虚拟装配是虚拟产品开发过程中至关重要的一环，是一项涉及到零部件构型与布局、材料选择、装配工艺规划、公差分析与综合等众多内容的复杂、综合性工作，其作用和地位可归结为如下几个方面，(1)拟定结构方案，优化装配结构。这是装配设计的外在表现，装配设计的基本任务是从原理方案出发在各种因隶制约下寻求装配结构的员优解，由此拟定装配草图。(2)改进装配性能，降低装配成本。基本要求是确保产品的军部件能够装配到位；进一步的要求是确保产品装配能够比较容易实现，即装配成本尽可能低廉。(3)产品可制造性的基础和依据。制造的最终目的是能够形成满足用户要求的产品，考虑可装配性必须先于可制造性一旦离开了产品可装配这一前提，谈论可制造性便是毫无意义的，因而虚拟装配是产品可制造性的出发点。(4)产品并行设计的技术支持和保障。产品并行设计是让下游有关活动尽早融汇到上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计早期加以考虑。这种融汇是通过诸如DFx等技术来具体实现和保证的，装配在生产过程中的支配地位确定了虚拟装配的龙头作用。虚拟装配的定义为：虚拟装配是装配过程在计算机上的本质实现，是基于产品的数字化实体模型，在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程，从而提高产品的可装配性。装配在此有双重合义，一是由零部件组成的好态的装配体，二是该装配体的形成过程。虚拟装配以装配对象(产品及其零部件)的三维实体模型为基础，通过虚拟的实体模型在计算机上仿真装配操作的全过程，进行装配操作及其相关特性的系统分析，实现产品的装配工艺规划，并得到能指导实际装配操作的工艺文件。它是实际装配过程在虚拟环境下的映射，因此，从本质上讲，虚拟装配就是要在产品设计阶段，利用计算机装配出“虚拟产品”，以可视化方式验证、展示和完善产品及其零部件的可装配性。作为一个新兴研究领域，虚拟装配实际上是多种技术的结合，其发展与产品设计方法学、可视化技术、仿真技术、决策技术、装配和制造技术，以及装配和制造设备的发展等等紧密相关。装配信息建模从虚拟制造(VM)和虚拟产品开发(VPD)的观点来看，装配模型应该是一种集成化的信息模型，原则上支持面向全生命周期产品设计过程中与装配有关的所有活动和过程，包括产品定义、生产规划和过程仿真中与装配相关的各个子过程。装配模型的信息组成建立产品装配模型的目的是为面向装配的产品设计提供信息来源和存取机制。装配模型不仅要处理设计系统的输入信息，还应能处理设计过程的中可信息和结果信息，因此装配模型信息应随设计过程的推进而逐渐丰富和完善。装配模型信息主要由6个方面的内容组成:1、管理信息；2、几何信息；3、拓扑信息；4、工程语义信息；5、装配工艺信息；6、装配资源信息装配资源建模装配资源是用以实施装配／拆卸操作的各种工具、夹具和辅具等，它们在装配／拆卸操作中对装配元件起到夹取、运输、操纵和测试的作用，在产品生命周期的制造、维护和回收等环节中有着非常重要的意义。某些情况下，由于产品设计阶段没能充分考虑装配资源这一因素的制约，后续阶段为了实施产品或部件的装配／拆卸操作，往往不得不设计出专用的工具、夹具或辅具，用以解决遇到的各种问题，这无疑在很大程度上增加了产品实现的成本。因此，产品的设计者和装配工艺规划人员必须充分考虑装配资源的合理配置，才能实现装配工艺规程的员优化，保证装配质量和装配效率，从而降低产品装配成本和产品的总成本。装配资源建模的目的装配资源建模的主要目的，是为了确定一种机制，使装配资源能够快捷有效地介入、操作和退出，从而为考虑装配资源约束的装配工艺规划和仿真提供虚拟装配工作环境。虚拟车间技术虚拟车间的定义虚拟车间定为各种类型的软件、建模工具及支持在制造领域内解决各种问题的方法学集成的一种隐喻。它保证产品设计在制造阶段的成功实施，是一个计划仿真优化生产系统的过程，具有设计、测试、分析、优化生产布局、生产线的可靠度的能力，实现快速、低成本、高质量地完成所设计的产品的制造生产。他研究如何在企业已有资源的约束下，进行生产环境的布局及设备集成、企业生产计划及调度的优化、基于虚拟样机的工艺规划及生产过程仿真等研究。虚拟车间的内涵虚拟车间研究的内容包括虚拟车间的设计、分析及其支撑平台技术。虚拟车间设计的主要任务是把生产设备、刀具、夹具、工件、生产计划、调度单等生产要素有机地组织起来。它与车间中设备的利用率、产品的生产效率等密切相关，如果设计不当，就会造成设备利用率低、产量低、操作人员空闲多。在车间设计的初步阶段，设计者根据用户需求，确定车间的功能需求、车间的模式、主要加工设备、刀具和夹具的类型和数量，提出一组候选方案。在详细设计阶段，设计者完成对各个组成单元的完整描述，运用虚拟车间技术生成各个组成单元的虚拟表示，并进而用这些虚拟单元布置整个车间，其中还可加上自动引导小车、机器人仓库等车间常用设备，虚拟车间技术帮助设计者评价、修改设计方案，得到最佳结果，提高设计的成功率。虚拟车间分析的主要任务是研究虚拟车间的调度模型、投料策略与排序策略的协同机制、多目标的调度算法，包括投料策略、排序策略等，以直观的形式显示调度方案的执行过程，并对制造单元内部各设备之间的协调控制进行设计和优化，实现信息、设计与控制的集成。虚拟车间支撑平台的主要任务在于研究和开发支持虚拟车间设计和分析的开放式的仿真平台，建立支持生产过程快速重组的生产线模型库、决策知识库和产品与设备资源数据库，为开展虚拟车间的设计与分析提供集成的仿真环境和针对仿真结果的分析评价机制。虚拟加工技术1．数控机床的几何建摸机械设备的几何建模包括零件的几何建模和设备的几何建摸。在单个零件的几何建模方面，一般以csG和B—rep表示或两者的混合表示为基础。建模方法中有简洁易行的平扫法、回转法，还有特征造型和参数化造型方法。在机械设备建模方面，一般采用两种方法来表示装配体中组成元件之间的相互关系。一类是宜接存储元件之间的相互位置信息，如齐次变换矩阵35一种方法是只存储组件之间的配合、连接等装配信息。对数控机床的几何表示目前还没有一个较为治确酌模型，数控机床有它自己的结构特点，它的几何模型既要适应加工过程中的快速显示，又要便于描述它的运动，建立它的运动模型。虚拟加工技术1．数控机床的几何建摸机械设备的几何建模包括零件的几何建模和设备的几何建摸。在单个零件的几何建模方面，一般以csG和B—rep表示或两者的混合表示为基础。建模方法中有简洁易行的平扫法、回转法，还有特征造型和参数化造型方法。在机械设备建模方面，一般采用两种方法来表示装配体中组成元件之间的相互关系。一类是宜接存储元件之间的相互位置信息，如齐次变换矩阵3