數(shù)字化虛擬樣機技術是對傳統(tǒng)設計方法的一次歷史性革命，以其為基礎的現(xiàn)代設計方法的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的以物理樣機為基礎的設計，可以減去昂貴而費時的物理樣機制造及試驗過程，設計人員可以直接在計算機上進行快速分析，比較多種設計方案，進行優(yōu)化，在設計中及時發(fā)現(xiàn)問題，提高產(chǎn)品質量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。利用虛擬樣機技術設計數(shù)控機床，不僅能創(chuàng)建三維模型，完成產(chǎn)品的虛擬裝配和干涉檢驗，而且能進行動力學和運動學仿真，實現(xiàn)產(chǎn)品制造前的性能預測，進行評估和優(yōu)化方案。　　在此我們對自行研制的數(shù)控樓梯扶手彎頭單轉臺四軸聯(lián)動機床，采用Pro/ENGINEER Wildfire 2.0建立三維實體模型，用MFC類庫和OpenGL進行程序編制，實現(xiàn)對機床的運動學和動力學仿真分析。1 虛擬加工系統(tǒng)的總體結構設計　　虛擬加工是借助計算機，利用系統(tǒng)模型對實際加工系統(tǒng)進行實驗研究的過程，是數(shù)控機床在計算機虛擬環(huán)境中的映射。通過虛擬加工，可以在設計和更改方案過程中，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)零件的數(shù)控加工。該虛擬加工系統(tǒng)主要由虛擬加工單元模塊，加工質量預測模塊，刀具路徑優(yōu)化模塊，切削參數(shù)優(yōu)化模塊，誤差補償模塊和優(yōu)化報告6大模塊組成，其體系結構如圖1所示。

圖1 單轉臺四軸聯(lián)動數(shù)控機床虛擬加工系統(tǒng)的體系結構

　　(1)虛擬加工單元模塊：虛擬加工單元模塊是樓梯扶手彎頭實際加工過程在計算機中的映射，是對實際加工全過程的模擬仿真。由數(shù)控程序來驅動虛擬工件、虛擬刀具和虛擬夾具運動，同時虛擬工件和虛擬刀具掃描體作布爾差運算并更新工件模型，模擬實際加工過程中的切削運動、木料去除過程。虛擬加工單元模塊同時完成對機床各部件間的碰撞干涉檢測，并獲得有效刀具路徑、切削參數(shù)和表示加工質量仿真結果的虛擬工件，為實現(xiàn)優(yōu)化提供了條件?！　?2)加工質量預測模塊：該模塊將虛擬加工所生成的虛擬工件與理想工件模型進行比較，根據(jù)加工誤差的分布情況，確定工件的形狀精度和表面粗糙度?！　?3)刀具路徑優(yōu)化模塊：該模塊對刀具切削路徑進行優(yōu)化，對于加工過程中發(fā)生碰撞干涉的程序進行修改，同時刪除無效切削路徑，并給出切削路徑的優(yōu)化報告?！　?4)切削參數(shù)優(yōu)化模塊：該模塊根據(jù)虛擬加工過程中的加工狀況判斷是否滿足最高加工效率、最低加工成本等目標。如果不滿足以上目標，可以采用粒子群優(yōu)化算法來搜索滿足多約束條件下(主軸轉速、進給速度和刀具壽命等)的切削參數(shù)最佳值?！　?5)誤差補償模塊：根據(jù)加工質量預測模塊獲得的誤差情況，確定是否需要誤差補償。對于需要誤差補償?shù)募庸げ课?，要確定其誤差補償量。同時生成誤差補償報告。　　(6)優(yōu)化報告模塊：該模塊根據(jù)切削參數(shù)優(yōu)化報告、誤差補償報告、刀具路徑優(yōu)化報告，對數(shù)控程序進行修改，并生成優(yōu)化的數(shù)控程序。2 虛擬加工單元設計　　虛擬加工單元是現(xiàn)實加工系統(tǒng)在計算機中的表示，是單轉臺四軸聯(lián)動數(shù)控機床虛擬加工系統(tǒng)的核心。該單元可以實現(xiàn)樓梯扶手彎頭加工過程的虛擬仿真?！　?.1 虛擬加工單元結構　　虛擬加工單元由虛擬工件、虛擬刀具、虛擬機床和虛擬毛坯等組成。虛擬加工單元結構如圖2所示。

圖2 虛擬加工單元結構

　　(1)虛擬機床：在數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中，首先要建立虛擬加工環(huán)境，實現(xiàn)虛擬數(shù)控機床。由于機床是由許多零部件組成，結構較為復雜，用OpenGL函數(shù)建立模型工作量太大，故先在Pro/ENGINEER中造型出數(shù)控機床各個零部件，將其保存為WRL格式，然后用Deep Exploration將文件格式轉換成3Ds格式，就可以在程序中直接讀取3Ds文件，并將其裝配起來。在繪制機床時利用了OpenGL顯示列表技術，將每個零部件都生成一個OpenGL的顯示列表，這樣可以大幅度提高重繪效率，滿足實時繪制的要求。　　(2)虛擬夾具：虛擬夾具是夾具的幾何模型。該夾具可以旋轉，起到旋轉工作臺的作用。通過夾具的旋轉與3個移動坐標軸的配合，可以加工出樓梯扶手彎頭所需要的各種復雜的空間曲線。　　(3)虛擬刀具：由于樓梯扶手多為成型面，因此虛擬刀具也多為成形刀具。該刀具可用于碰撞檢測?！　?4)虛擬工件：虛擬工件是實際工件的抽象模型。在每一道工序的加工之后，通過對虛擬工件的已加工表面的檢查，來確定本工序加工是否合格。加工成品的虛擬工件可用于加工質量預測。　　2.2 運動控制模塊　　該數(shù)控機床為單轉臺四軸聯(lián)動數(shù)控機床。機床的運動坐標包括3個移動坐標X、Y、Z和1個轉動坐標A。機床運動學求解主要包括轉動軸A轉動角度計算和經(jīng)過轉動軸轉動后的3個移動坐標x、y、z值的求解。

1圖3 單轉臺四坐標刀軸矢量轉動關系

　??　如圖3所示，OlXlYlZl為機床加工坐標系，工作臺回轉軸A方向與Xt軸方向相同，OlXlYlZl坐標系原點可隨具體加工條件的不同任意設置。工件(工作臺)可繞Xt軸轉動C(O°≤C≤180°)角。刀具參考點Ok在機床加工坐標系OlXlYlZl中的坐標為(xk，yk，zk)。刀軸矢量(一個位于刀具軸線上。從刀具參考點指向刀柄方向的矢量)γ為單位矢量，該矢量可以處于OlXlYlZl坐標系中的任意位置。為計算方便，以刀具參考點Ok為原點建立刀軸矢量坐標系OlXlYlZl。刀軸矢量坐標系與加工坐標系OlXlYlZl各相應軸平行。刀軸矢量γ在該坐標系中的坐標為(γx，γy，γz)。該機床的旋轉工作臺只能繞Xt軸旋轉而且刀具必須位于工件上方，否則無法加工工件。因此，必有γx=0 、γz≥0根據(jù)以上已知條件，計算機床的運動坐標值(相對OlXlYlZl坐標系)X、Y、Z及相應的回轉角度C?！　?.2.1 轉角C的計算　　轉角C是工件(工作臺)相對刀具的轉動角度，以順時針方向為正方向。將刀軸矢量γ繞Xk軸沿順時針方向轉動角C到與Zk坐標方向一致，如圖3所示。這樣就完成了刀軸矢量的轉換，即刀具相對于工作臺的轉動。對于單轉臺四軸數(shù)控機床，為實現(xiàn)以上轉換，工作臺回轉軸順時針轉動角C。 角C的計算公式：

　??　2.2.2 機床運動坐標x、y、z的計算　　在0penGL中對物體的旋轉、平移和縮放都是對坐標系的操作，而不是對虛擬物體本身的操作。在虛擬加工過程中，虛擬工件旋轉時，虛擬工件相對于加工坐標系的位置是沒有變化的，刀具的坐標不斷發(fā)生變化。通過下面的方法，可以解決如何將旋轉工作臺的旋轉角度影射到刀具位置的變化，即求刀具參考點(xk，yk，zk)經(jīng)工件(工作臺)轉動后在機床加工坐標系中的位置坐標(機床的運動坐標X、Y、Z)。 刀軸矢量繞機床加工坐標系OlXlYlZl中的Xt軸旋轉角C，變換矩陣為：?_?

　　則

　　將式(3)展開可得：

　　??該數(shù)控機床的運動坐標X、Y、Z是刀具相對于機床加工坐標系OlXlYlZl的坐標，也就是說，運動坐標X、Y、Z是在機床加工坐標系OlXlYlZl下的坐標，這是本步計算的依據(jù)?！　?.3 材料去除過程仿真　　數(shù)控加工三維仿真是在工業(yè)圖形標準應用程序接口OpenCL的基礎上進行開發(fā)的。根據(jù)數(shù)控機床加工的高實時性及交互式的特點，該系統(tǒng)采用實時動畫方式。實時動畫是一邊計算一邊在計算機終端上直接產(chǎn)生動畫，其交互能力強，可以根據(jù)用戶的要求實時改變畫面，但對計算機的圖形處理能力要求較高。在實現(xiàn)動畫的過程中采用了雙緩存技術(或稱虛屏技術)，即后臺緩沖區(qū)執(zhí)行命令繪制圖像，繪制結束后，利用重畫技術，通過交換緩沖區(qū)，將后臺緩沖區(qū)繪制的圖形直接送到前臺緩沖區(qū)中動態(tài)顯示圖形，這樣就增強了數(shù)控機床加工過程三維動畫顯示的連續(xù)性和運動感?！　≡撨^程可以實現(xiàn)以下功能：　　(1)生成已加工工件，用于加工質量的預測和誤差補償；　　(2)獲取切削參數(shù)，用于切削參數(shù)優(yōu)化；　　(3)計算每一刀的走刀路徑，存入有效刀具路徑報告，用于刀具軌跡的優(yōu)化。　　2.4 運動仿真和碰撞檢測　　碰撞檢測主要檢驗刀具相對于非加工部件如夾具、工件的非加工部位和工作臺的干涉現(xiàn)象，也可用來檢驗由用戶指定的物體之間的干涉現(xiàn)象。由于樓梯扶手彎頭的加工過程通過數(shù)控程序驅動，所以對發(fā)生碰撞和干涉的程序段可以及時修改。進行干涉的定性檢查采用基于規(guī)則實體表面網(wǎng)格化遍歷的八叉樹單球組合模型的方法。3 結語　　數(shù)控機床虛擬樣機是數(shù)控機床開發(fā)研制的一種全新的設計方法。為分析數(shù)控機床在加工時的性能情況，在數(shù)控機床虛擬樣機上進行虛擬加工。系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點：　　(1)實現(xiàn)空間曲線加工過程的虛擬仿真。研究在四軸聯(lián)動情況下，由一個轉動坐標和三維空間的三個移動坐標相配合，準確描述空間曲線的加工方法；　　(2)采用粒子群算法保證優(yōu)化的效率。采用粒子群優(yōu)化算法，避免了遺傳算法的交叉、變異等導致運算效率低的缺點，又保留了進化算法的適用范圍廣、魯棒性能好等優(yōu)點；　　(3)充分利用了虛擬加工技術的優(yōu)點?；谔摂M加工技術，不僅保證了加工仿真的“真實性”，而且能夠對加工過程中的超程、碰撞干涉進行檢測，實現(xiàn)了對數(shù)控程序的全方位驗證。