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Thedefinitionofcontrolsystem,torealizetheexchangemovementforcuttingtools,thepowerheadmovementaswellasotherspecialinstructiondefinition;
Theprocessingsimulation,thecollisioninspects,confirmationprocessingprogram.Thisprocessingsimulationsystemrealizesthehypothesizedmanufactureenvironmentdisposition,hasreappearedtheactualprocessingprocessreally,inspectsthemistakesintheprocessingprogram,toguaranteetheEfficiencyforproductandtheprocessingsecurity,it’shasaverystrongapplicationalvalue.Thisprocessingsimulationsystemisverybiginnumericalcontrolprocessingfield,willpromotethedieselenginetechniqueofmanufacture.
Keywords:
Vericut;
DieselFrame;
Processingsimulation
目录
第一章绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2课题的研究现状与发展趋势1
1.2.1研究现状概述1
1.2.2国外研究现状2
1.2.3国内研究现状3
1.2.4发展趋势4
1.3课题研究目标及内容4
1.3.1研究目标4
1.3.2研究内容5
1.4本章小结5
第二章系统总体方案设计6
2.1系统开发的目标分析6
2.1.1系统设计目标6
2.1.2系统设计原则和特点6
2.2柴油机机架零件加工仿真系统的关键技术7
2.3机架零件加工仿真系统方案设计8
2.3.1系统的总体结构8
2.3.2系统的主要功能模块8
2.4本章小结9
第三章柴油机机架加工仿真系统详细设计10
3.1柴油机机架加工仿真系统设计流程10
3.2构建仿真加工工艺系统11
3.2.1仿真加工工艺系统运动学建模11
3.2.2机床几何建模14
3.2.3夹具建模15
3.2.4刀具库建模15
3.2.5毛坯建模20
3.3定制机架仿真加工系统控制系统21
3.3.1控制系统定制的意义21
3.3.2刀具库运动定制23
3.3.3换刀子程序的定制25
3.3.4动力头运动定制29
3.3.5动力头运动子程序定制30
3.4系统的调试和完善32
3.5本章小结33
第四章柴油机机架加工仿真系统的应用34
4.1系统总体框架与操作流程34
4.2NC程序外部检查35
4.3NC程序仿真检查36
4.3.1碰撞干涉检测36
4.3.2过切、欠切检查37
4.3.3加工精度测量39
4.4加工优化40
4.5应用效果41
4.5.1单工位应用效果41
4.5.2多工位复合应用效果42
4.6本章小结44
第五章柴油机机架加工仿真系统使用说明书45
5.1系统运行环境45
5.2系统操作指南45
5.2.1配置虚拟加工工艺系统45
5.2.2程序文件的调用46
5.2.3程序零点设置47
5.2.4加工仿真47
5.2.5程序修正47
5.2.6生成加工报告48
5.2.7输出工件模型49
小结50
致谢51
参考文献52
第一章绪论
1.1课题研究的背景
近年来，随着国际船舶市场竞争的日益激烈，世界各大造船企业纷纷采用一切可能的先进制造技术和手段，缩短产品开发时间和生产周期，提高产品质量，降低制造成本，提供技术支持与售后服务，从而来赢得市场与用户。
但是，作为船舶的心脏，船用柴油机的设计和制造却一直滞后于整个造船流程，其中最主要的原因是一些关键零件的验证加工还是采用传统的“试切”方式，严重阻碍了船用柴油机的生产周期。
为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，虽然这些企业已经引进了CAM系统，但由于传统CAM系统的局限性，尚未在复杂零件数控加工仿真中发挥重要作用。
船用柴油机的一些关键零件由于其结构复杂，精度和质量要求高，一直是数控加工的“瓶颈”，进而影响整个产品的生产周期。
本课题的合作单位——某船用柴油机制造企业在数控加工仿真方面起步较晚，很长一段时间数控程序验证都是通过试切件加工、程序试划等方法进行的。
然而随着高速加工设备的引进，对加工程序的准确性提出了更高的要求，传统的程序验证方法已无法验证程序的正确性。
因此急需构建实用性较强、操作简便的船用柴油机虚拟加工仿真系统。
本系统的开发必将提升船用柴油机的制造水平，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
1.2课题的研究现状与发展趋势
1.2.1研究现状概述
随着NC代码的复杂化及异地离线NC编程，NC代码的错误率也越来越多。
零件的数控加工程序在投入实际加工之前必须进行试切，传统的试切方式是采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行的，该过程不仅占用了加工设备的工作时间，需要操作人员在整个加工周期内进行监控；
而且小批量、多品种、个性化的混合试切加工严重阻碍了系统柔性的提高，在这种背景下，数控加工仿真应运而生。
数控加工仿真方法具有许多无可比拟的优点，是一条行之有效的经济的NC程序验证途径。
它将计算机仿真技术引入零件的数控加工当中，采用图形可视化技术，将刀具轨迹或加工成型过程进行直观形象的模拟，使编程人员在计算机上模拟整个数控机床的切削环境和加工过程，不仅可以检查数控代码的有效性，提高编程效率，而且最大可能地减少或避免机床、夹具或刀具碰撞损坏等情况的发生，降低制造成本，缩短产品开发周期，保证产品质量，为验证数控程序的可靠性、实现数控加工的智能化控制创造了有利的条件。
另外，数控加工仿真软件还在培训和教育领域应用广泛，对于那些受条件限制，暂时无法实际操作机床的编程人员、机床操作人员或学生来说，加工仿真软件是一种极好的模拟操作工具。
根据在仿真过程中的数据驱动是采用CL（CutterLocation，即刀位）数据还是采用NC代码，数控加工仿真可分为两类：
一类是基于后置处理前的数据（CL数据）所进行的仿真，即基于CL数据的数控加工过程仿真。
另一种是基于后置处理所产生的NC程序而进行的仿真，即基于NC程序的数控加工过程仿真。
基于CL数据的仿真不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响，只仿真工件刀具的运动，主要目的是检验刀位轨迹的正确性，以保证零件的加工质量。
这类仿真方法开展得比较早，到目前为止己有一些比较成熟的思想和商品化软件。
基于NC程序仿真的主要用途则可以概括为三方面：
NC程序的正确性检验与优化，操作工培训，碰撞检验。
由于驱动数控机床运动的是NC指令，所以基于NC程序的加工过程仿真比基于CL数据的加工过程仿真更接近实际，但也由于在仿真过程中考虑了加工环境，从而增加了仿真难度。
1.2.2国外研究现状
数控加工仿真一直是国外CAD/CAM技术的一个研究热点。
Kawabe等人最早利用刀具轨迹，采用边界表示法来获取刀具加工零件的框架图，因为该方法简单，容易实现，所以被早期大多数的CAD/CAM系统所采用。
但是，因为工件形状越来越复杂，刀具轨迹包含的信息量也越来越多，导致图形形状混乱不清，于是仿真研究开始向三维实体仿真算法方向发展，如：
Anderson研究了三维碰撞检验算法，Chappel给出了利用向量来分析切削过程的算法，K.K.Wang研究了基于布尔运算的NC检验系统，J.H.Oliver提出了直接尺寸检验方法等，Sungurtekin等提出了特定造型设备上的数控仿真系统。
由于加工仿真具有诱人的应用前景，促使发达国家对其进行深入研究，并已出现许多成功的应用范例。
在北美，已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。
主要研究机构有：
（1）美国国家标准及技术局（NTST）制造工程实验室；
（2）美国Maryland大学系统研究学院CIM实验室；
（3）美国伊利诺斯大学芝加哥分校机械系工业虚拟现实研究所。
美国Missouri-rolla大学提出的CNC车床的图形仿真，通过二维图形显示刀具轨迹及毛坯随刀具轨迹发生的变化，并在屏幕上给出对应的加工状态。
美国Deneb公司推出了数控加工过程仿真软件VNC，利用虚拟制造技术提供了一个真正的三维环境来模拟机床和CNC控制器，进行加工过程的仿真，操作人员可以像操作实际机床一样与虚拟设备交互，评价刀具与参数的配置，预测功率，检查干涉与碰撞等。
加拿大WATERLOO大学的机械工程系和集成制造系统管理研究中心也有部分与数控仿真相关的研究项目。
在欧洲，英国Bath大学机械工程系用OpenInventor2.0软件工具开发出了基于自己的Svlis几何造型工具的仿真系统。
意大利Bologna大学用B样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示三轴铣床粗铣加工过程。
德国提出的采用Cosima图形仿真系统，能够识别程序中的大部分几种图形错误，从而改善NC编程质量，大大缩短机床上的装机调试时间，并以DECKELDOD加工中心的实体模型模拟加工中心的NC加工过程，既适用于通常的NC加工，也适于柔性制造系统的仿真。
在亚洲，也有许多高等院校和企业进行了数控仿真方面的研究。
日本SONY公司研制的FREDAM系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查。
轴铣床粗铣加工过程。
韩国Turbo-TEK公司开发出面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真，并配有声音信息。
国外研究起步较早，其研究成果较多，已经掌握核心技术。
目前，国外的数控代码检验系统已经发展到了实用化、商品化的阶段，有单独的数控加工仿真软件包，例如：
GGTech公司的VERICUT软件包，Cimplex公司的NCV软件包，NCCS公司的IPV软件，SILMA公司的Cimstation软件等等。
1.2.3国内研究现状
国内近年来也有许多研究者在数控加工仿真领域进行了有益的探索。
清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、东北大学、南京航空航天大学等高校的研究团队都在此领域进行了一系列深入的研究。
清华大学的肖田元、韩向利等人对数控仿真中的关键问题直线与刀具扫掠体的求交算法进行了研究，并设计与实现了材料去除过程三维动画软件GNCV。
西北工业大学的汤幼宁、魏生民等人在独立的Dexel坐标系中构造物体的Dexel模型，通过坐标变换支持观察定义的动态变化，另外采用“移动实例”来近似刀具扫掠体，支持五轴NC加工仿真和验证。
哈尔滨工业大学的刘华明教授带领的课题组在复杂曲面离散技术的基础上，开发了一套基于微机的复杂曲面数控加工仿真验证软件包。
同时，他们还对刀具扫掠体的生成技术、曲面法矢与刀具扫掠体求交算法、数控加工碰撞检测的高效算法等各仿真关键技术进行了深入的研究。
在哈尔滨工业大学袁哲俊等人研制的三轴数控铣削仿真系统中，工件以一种扩充Z-Map数据结构表示，并以等轴投影的方式显示在屏幕上。
另外，还提出了一种基于B-rep表示的碰撞干涉检验算法，解决加工仿真中刀具与工作台、夹具的碰撞，刀具过切及碰伤工件加工表面等关键问题。
南京航空航天大学在数控加工仿真领域进行了大量的研究和探索。
伍铁军等提出了一种数控铣削仿真的切削过程几何表示及真实感图形显示算法，显示效果接近于光线跟踪算法，并在精度验证方面提出了一种局部细分求解的编程精度验证算法，能在不增加细分密度的情况下提高验证精度。
1.2.4发展趋势
随着计算机图形技术的迅速发展，数控加工仿真技术的研究也正朝着直观化、信息化、智能化的方向发展。
1.直观化：
利用计算机软件技术提供的直观可视化的建模方法，使复杂的建模过程得到简化，建立的仿真模型更加直观和逼真。
2.信息化：
分布交互式仿真已成为计算机仿真技术的一个重要发展方向，它以计算机网络技术作为支撑，使处在不同地理位置的各个部门利用网络连接起来，实现资源共享，达到节省人力、物力和财力的目的。
3.智能化：
人工智能技术在仿真中的应用已经引起仿真领域的普遍关注。
人工智能与计算机仿真在学科上的交叉涉及到三个方面：
知识库用于建模与仿真，包括利用知识库和专家系统为仿真模型的建立和综合提供咨询服务及用于仿真结果的检验和可信度分析；
仿真技术与人工智能技术的结合，即所谓的智能化仿真；
仿真模型中知识的表达。
1.3课题研究目标及内容
1.3.1研究目标
本课题的研究工作旨在实现船用柴油机关键零件数控加工的虚拟建摸与仿真，缩短船用柴油机产品的制造周期。
其创新之处就在于研究和建立适用于船用柴油机关键零件的虚拟制造环境，这将为检验数控加工和验证数控程序的正确性提供一种简便可行的方法，避免实际加工过程中的各种异常现象，简化实际加工过程中的监测与诊断设备，提高加工安全性与经济效益，同时可以在短时间内反复比较多种加工方法（应用各种三轴、四轴、五轴机床，各种走刀路径等）的优劣，优化出一个适合企业目前生产要素的最佳加工方案。
该课题的研究必将对船用柴油机的设计、制造质量起到极大的保证作用，大大地提升企业在国内外船舶市场的竞争能力。
1.3.2研究内容
某柴油机厂和我校共同承接了柴油机复杂零件虚拟加工系统开发的项目，其中包括建立HMP25L数控龙门镗铣床虚拟加工中心对DK-26机架的加工仿真。
在VERICUT中建立虚拟机床的运动学模型和几何模型，按照加工编程的工艺流程建立刀具库，定制控制系统，对数控程序进行模拟，实现刀具对工件的虚拟切削，通过逼真的三维动画实现零件加工过程的可视化仿真，仿真过程中能任意变换视角来观察和检测及早发现加工中存在的问题，进一步完善仿真系统，保证零件加工质量。
1.4本章小结
本章阐述了关于柴油机机架零件数控加工仿真系统开发这一课题的研究背景、研究现状、研究价值、和发展趋势，本章的内容是开展本课题研究的基础工作，对后续工作的开展具有重要的意义。
第二章系统总体方案设计
2.1系统开发的目标分析
2.1.1系统设计目标
本文从虚拟产品的可加工性角度出发，研究和实现船用柴油机关键零件三维加工仿真系统，最终通过虚拟加工，能够高效、准确地验证数控程序，分析零件的加工质量，保证零件生产的按期完成。
具体目标包括：
（1）降低生产成本，减少试切材料的浪费，提高机床及刀具寿命。
（2）降低时耗，缩短生产周期，提高生产效率。
（3）及时反馈错误信息，提高预测数控加工程序和切削过程的可靠性及高效性。
2.1.2系统设计原则和特点
（1）先进的设计思想：
船用柴油机关键零件加工仿真系统以虚拟制造技术为基础，建立计算机模拟产品的综合性开发环境，通过该环境使得设计者在真正加工之前就能模拟地制造出产品，从而达到并增强在产品生产全过程中的及时控制与决策。
其意义在于将工业产品制造从过去的依赖于经验的保守方法跃入到全过程预测的崭新方法，填补了CAD/CAM技术与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟。
（2）应用系统的完整性：
由于加工仿真系统为UG、Pro/E、MasterCam、CAPP等构件化设计方法，因此可将该系统集成到企业内其他已有的设计、制造一体化信息系统中，构成一个完整的集成体系。
（3）高度的模拟预测性：
该加工仿真系统具有模拟功能，能根据不同的加工方案，模拟出各种将会发生的结果，因此它可以在短时间内反复比较多种加工方法（应用各种三轴、四轴、五轴机床，各种走刀路径等）的优劣，优化出一个适合企业目前生产要素的最佳加工方案。
以上这些特点表明，本章提出的船用柴油机关键零件加工仿真系统是一个完整的体系，是提高船用柴油机制造企业生产效益的有效途径。
2.2柴油机机架零件加工仿真系统的关键技术
加工过程的动态仿真是整个三维数控仿真的核心，一直是研究的热点。
本系统的基本思想是：
采用实体造型技术建立加工零件毛坯、机床、夹具及刀具在加工过程中的实体几何模型，然后基于输入的NC程序，将加工零件毛坯与刀具的几何模型进行快速布尔运算，最后采用真实感图形显示技术，把加工过程中的零件模型、机床模型、夹具模型及刀具模型动态地显示出来，模拟零件的实际加工过程。
由于本系统是基于数控代码的模拟仿真，所以不仅能检查刀具运动轨迹正确与否，还能判断加工参数选择是否合适，其特点是仿真过程的真实感强，具备与实际试切加工相同的验证效果，而且可以全方位地实时地观察整个加工过程。
加工过程仿真的流程如图2.1所示。
图2.1关键零件加工过程仿真流程图
利用VERICUT强大的三维动态仿真能力，在NC代码或刀位文件的驱动下，用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，同时显示出刀柄、夹具、机床的运行过程和虚拟的工厂环境。
在加工仿真过程中，可连续不断地改变视角，以观察加工过程中加工中心的部件运动、零件和型腔的成型过程，同时检测如下错误：
编程不精确、快速移动时接触工件、错误的走刀路径、与机床工夹具发生碰撞与干涉、超行程等，仿真结果以声、图、表形式多维输出，并将此结果作为零件建模与数控加工工艺设计修改的依据。
加工过程仿真模块具体完成的功能如下：
（1）机床、刀具、工件、夹具等工艺系统的三维显示；
（2）由NC代码驱动刀具和工件，进行加工过程动态仿真；
（3）实时反映加工过程和各部件的运动状态；
（4）碰撞干涉的检测。
2.3机架零件加工仿真系统方案设计
2.3.1系统的总体结构
根据零件加工仿真系统的目标，确定其总体结构由五大模块构成：
工艺系统建模模块、数控加工仿真模块、加工优化模块、系统维护模块、帮助模块。
如图2.2所示。
图2.2船用柴油机机架零件加工仿真系统总体逻辑框图
2.3.2系统的主要功能模块
1.工艺系统建模模块
该模块主要完成某型号柴油机的三维建模与装配，实现柴油机产品设计、装配的三维数字化，除此之外在该模块中完成数字化仿真的模型库，包括CNC机床、加工中心、刀具、毛坯、夹具和数控系统等。
2.数控加工仿真模块
该模块在对NC程序进行验证的同时观察虚拟机床的运动，从而进行碰撞干涉检测，过切、欠切检查和加工精度校验。
3.加工优化模块
该模块主要用于优化NC程序和切削参数。
4.系统维护
该模块主要完成系统备份等操作。
包括系统初始化、数据备份、数据导入、数据导出等功能。
5.帮助
系统的使用文档。
2.4本章小结
根据船用柴油机机架生产特点和企业实际需求，本章提出了船用柴油机机架零件加工仿真系统的设计目标和设计原则，设计了零件加工仿真的原型系统，分析了其中的关键技术，最后论述了该系统的总体结构和主要功能模块。
第三章柴油机机架加工仿真系统详细设计
基于VERICUT的柴油机机架仿真加工系统设计主要包括以下内容：
虚拟加工工艺系统的建模，主要包括运动学建模和几何建模；
控制系统定制；
主要包括刀具库运动的定义和动力头运动的定义；
系统的检测和修改完善。
下面以HPM25L数控落地镗铣加工中心为例介绍柴油机机架仿真加工系统的详细设计过程。
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