数控弯管加工过程仿真系统.pdf

第1 7 卷第1 0 期计算机辅助设计与图形学学报2 0 0 5 年1 0 月J O U R N A LO FC O M P U T E R A I D E DD E S I G N&C O M P U T E RG R A P H I C Sv 0 1 1 7 N o 1 0O c t 2 0 0 5数控弯管加工过程仿真系统吕波唐承统宁汝新(北京理工大学机械与车辆工程学院北京1 0 0 0 8 1)(1 v b 0 1 9 7 4 s o h u c o m)摘要论述了数控弯管加工过程仿真中的几项关键技术，建立了系列数控弯管机床的总体仿真模型，给出了仿真指令的定义和描述导管中心线的分段有理二次B 6 z i e r 参数曲线方程表示，实现了弯管加工过程仿真中导管的动态成形最后提出了一种弯管加工过程的碰撞干涉检验算法关键词数控弯管；仿真；动态造型；碰撞干涉中图法分类号T P 3 9 1 7 3S i m u l a t i o nS y s t e mf o rN CT u b eB e n d i n gP r o c e s sL u1 3 0T a n gC h e n g t o n gN i n gR u x i n(S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dV e h i c l eE n g i n e e r i n g，B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y，B e O i n g1 0 0 0 8 1)A b s t r a c tT h i sp a p e rd i s c u s s e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e so nt u b eb e n d i n gs i m u l a t i o n，a n de s t a b l i s h e sa ni n t e g r a t e ds i m u l a t i o nm o d e lo ft h es e r i e st u b eb e n d i n gm a c h i n e s T h ed e f i n i t i o no fN Ci n s t r u c t i o n sa n dr a t i o n a lq u a d r a t i cB 6 z i e rc u r v er e p r e s e n t a t i o nd e s c r i b i n gt u b ec e n t e r l i n ea r eg i v e n，a n dt h er e a l t i m ed y n a m i cm o d e l i n go ft u b e si sa l s or e a l i z e d F i n a l l y，ac o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nm e t h o dd u r i n gt h et u b eb e n d i n gs i m u l a t i o ni sp r o p o s e d K e yw o r d sN Ct u b eb e n d i n g；s i m u l a t i o n；r e a l t i m ed y n a m i cm o d e l i n g；c o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c e1引言数控弯管机是一种先进的导管加工设备，其结构复杂，包括几十个运动部件与数控切削加工相比，数控弯管过程中存在着更严重的碰撞与干涉危险在弯管过程中，已成形的和正在成形的弯曲的管子大范围运动，使其与机床、模具和夹具以及工作地面、厂房发生碰撞的可能性很大为了保证安全，提高生产效率，降低生产成本，必须对弯管的N C 程序进行严格的检查N C 程序驱动的数控加工过程计算机仿真是N C 程序高效、安全和有效的检验方法HJ 目前该技收稿日期：2 0 0 4 0 6 0 9；修回日期：2 0 0 4 0 9 0 6基金项目：国防科工委基础科研项目术的研究主要针对切削加工过程u 2J 国外一些通用的C A D C A M 软件提供仿真加工模块，如P r o E，C A T I A，U G 等，但它们主要用来检验切削过程中刀位轨迹的正确性美国C G T e c h 公司的V E R I C U T系统是商品化的数控加工仿真软件，能够进行加工过程和加工环境的仿真，但它也只是针对数控切削过程，不涉及弯管加工过程的仿真随着产品轻量化的发展及管填充密度的提高，数控弯管设备的应用日益增加，因此对弯管加工过程的仿真需求日益迫切本文提出的T B S(T u b eB e n d i n gS i m u l a t i o n)系统利用面向对象的设计思想和方法，建立了在结构和功能上与现实机床具有一定的可比性、代表数控 万方数据计算机辅助设计与图形学学报2 0 0 5 在弯管机床加工系统的共同特性、具有可重构性和可重用性的仿真系统，实现了数控弯管加工过程中的N C 代码有效性检验2 仿真系统的功能结构及机床的总体仿真模型2 1 仿真系统的功能结构数控弯管加工过程仿真系统是一种专门化的弯管加工N C 代码有效性检验系统，它提供如下功能：弯管机床的几何建模和运动学建模；加工设置定义，包括各种夹具、模具选取和装夹定义；导管毛坯建模；N C 代码的读取、分析、处理并生成加工动作仿真指令；加工过程中的碰撞干涉检测；模拟导管的实时动态成形；实时三维动画显示加工过程，视角范围可任意放大缩小、视角可任意变化，以便能够方便地观察导管加工过程仿真系统的功能结构如图1所示裂恒鞣H 世坠型恼机床配l _ 1 一N C 代码解释器工N C 代码碰撞和干涉检验导管动态造型加工过程动画显不图1 仿真系统功能结构图2 2 机床的总体仿真模型2 2 1 数控弯管机床定义机床定义包括机床的几何建模和运动学建模，在计算机内部描述了数控加工机床的物理属性和运动学属性，是现实机床的计算机表示(1)机床几何建模从几何的观点来看，数控机床是一个装配体，如图2 所示装配体中包含有很多的零部件，如机床基体、导轨、弯曲臂、小车及模胎具等这些零部件之间存在着某些约束关系、配合关系、位置关系，考虑到数控弯管机床的结构特点和相互之间运动关系，机床的几何建模采用如图3 所示的装配关系形式，零件的外形以实体的边界表示在该装配关系树中，每个带有属性的节点代表一个零件或者部件零件是部件的实体表示，零、部件的坐标系在其父部件的坐标系中定义，节点属性按照其在机床中的功能定义，如夹头作为毛坯的装夹位置，在此节点做出标识，作为导管毛坯的缺省装配位置，该节点具有功能相对固定性利用这些节点的属性，可以在弯管过程中实现机床主机与模胎具和导管毛坯的动态联接装配关系树是现实中的数控弯管机在计算机中的组织表示图3 所示为机床A，B 在世界坐标系(W o r l d)中的定义在最顶层节点W o r l d 中定义了机床A，B 与仿真环境中其他物体的相对位置关系，圆形节点代表机床的组成部件，如机床的基体、小车(机床上的导管送进装置)、弯曲臂、夹头等，是一个抽象的装配体或子装配体方形节点代表机床部件的实体表示，即零件如图3 中方形节点A M 与圆形节点A 之间的关系可表达为零件A M 是部件A的实体表示图2 弯管机结构简图或子装配件型图3 机床的装配关系树(2)机床运动学建模运动学建模的任务就是根据数控机床的装配模型在工作时零部件之间的相对运动关系，在部分装配体上定义一些运动变量，它说明了该形体在工作时对给定位移量的表现形式，如沿哪个坐标轴平移矍燃一一秽 万方数据1 0 期吕波等：数控弯管加工过程仿真系统2 3 2 5或绕哪个坐标轴旋转等这样，根据这一变量序列，从N C 代码中提取相关的位移数据驱动机床部件运动，使机床装配体的零部件发生位置变换，从而达到机床运动的目的数控弯管机属于三坐标点位控制系统，导管的成形通过弯管运动指令(N C 指令)控制三个坐标轴的运动来实现，如图4 所示旧j，在机床的装配关系树中，对相关节点做运动属性标识，则机床的装配关系树同时变成机床的运动关系树，相应建立起与仿真指令相对应的机床运动学模型图3中相关节点的标识如表l 所示在自身坐标系中，括号外的下标表示被定义的坐标或坐标向量所在的坐标系，如(x A，Y A，z A)。表示在W o r l d 中定义的坐标系图4 数控弯管机床的运动轴y，B 和C表1 运动关系树节点属性代号名称自身坐标系节点属性A弯管机床(x A，Y A，z A)。部件、固定A M 机床基体(x M，w，z 知)A 零件、固定C弯曲臂(X c，y c，磊)n部件、C 轴、运动变量CC M 弯曲臂(X c M，y c M，Z c M)c 零件、固定D小车(，y D，Z D)A部件、y 向运动、运动变量yD M 小车(X D M，Y o u，Z a u)D 零件、固定F夹头(X F，Y F，Z F)D部件、B 轴、运动变量BF M 夹头(X F M，y F M，Z 南)，零件、固定、导管毛坯装夹位置2 2 2 仿真指令定义数控切削类的N C 代码程序段主要由两种类型的命令字组成：运动功能字和辅助功能字uJ 数控弯管只存在于由运动功能字表示的N C 代码中，它有两种表示形式：绝对坐标描述(X，Y，Z)和增量数据描述(y，B，C)为了更真实地仿真数控弯管的加工过程，必须在仿真指令中增加一些辅助功能字来描述数控弯管加工过程T B S 系统中部分仿真指令的定义如表2 所示表2 仿真指令定义部件名仿真指令运动类型说明2 2 3 加工设置定义加工设置主要完成模、夹具的选择、定义和机床的配置定义，模、夹具可以由专门的实体造型程序完成，并由仿真系统的模具库统一管理，需要时由仿真系统调出，组成所需要的机床机床的配置主要是设定机床的相关加工参数，包括机床加工管径的范围、小车移动的行程距离、弯曲半径范围、弯曲角度范围、弯曲速度、小车移动速度、夹头旋转角速度及压力模移动范围、夹紧模移动范围等3N C 代码解释器数控弯管加工程序有两种形式：一种以笛卡儿坐标系中X Y Z 数据来表示；另一种以Y B C 数据来表示，如表2 所示但是数控系统所接受的是Y B C数据，所以当输入X Y Z 表示的加工程序时，数控系统会把相应的X Y Z 数据转化为Y B C 数据因此，数控弯管加工过程仿真中，如果数控代码是以X Y Z坐标的形式给出的，N C 代码解释器就需要将其转化为Y B C 数据，同时对N C 代码文件进行语法和词法检查N C 代码解释器最终从N C 代码文件中提取有用的信息，生成仿真指令，由仿真指令驱动机床完成弯管加工过程4 导管动态造型在数控切削类加工仿真系统中，材料切除的仿真计算是通过毛坯与刀具扫描体作布尔减运算来模拟的心j 数控弯管加工过程中，导管的成形过程实质上是一个导管形状不断变化的过程，由于弯管是一个轴对称体，采用弯管的中心线就可以完整地描述其三维形状如果在仿真系统中对每一条仿真指令都重新生成导管实体，势必会引起仿真系统运算速度的降低，造成导管成形过程的仿真画面迟滞、不连贯本系统采用导管成形的参数化方法，由于有理B f z i e r 曲线能够精确表示圆弧jJ，通过插入临时顶点和控制顶点处的权因子大小，本文给出了描述 万方数据2 3 2 6计算机辅助设计与图形学学报2 0 0 5 拄f 生等b)l 粤(1 锩(t i t 最黜o(籍t 者(糌t l 篱(t 铲瓜内cc(f)：J口+一c)2+2 c。sc)(1 一c)+c)2“、cI 坐i 巡二趔尘县竿堡玉迪业，。c。1【n 十D。其中，P o，P 1 和P 2 为组合曲线的控制顶点，t c=2 a(2 a+b)表征连接点C 在组合曲线中的位置数控弯管加工时的机床坐标系如图5 所示D兄图5 成形导管组成单兀图5 中，O 点为弯曲模的中心，其坐标为O(X o，y o，Z o)；R 为弯曲模的半径，导管的弯曲角度为2 口(0 0 r，其中，IP i 一1 P il 为组合曲线相邻控制顶点之间的距离；a i 为顶点只对应的曲线弧切线段的长度；R 为弯曲半径，r 为导管的半径图6 导管中心线形状示意图当数控弯管机弯制第优段组元时(如图6 所示)，已成形的组元S。(k=I T t+1，行)只作位置变换弯管机执行C 仿真指令(管弯曲指令)，则S。的位置变换矩阵为c o s(2 0+2 0 P s B+F s B s i n(2 0+2 0 P s Bs i n(2 0+2 0 P s B+F s B c o s(2 0+2 0 P s B00弯管机执行y 仿真指令(送料指令)，则S。的位置变换矩阵为A：A ，k=I r n+1，挖(3)弯管机执行B 仿真指令(夹头旋转指令)，则S。的位置变换矩阵为A ，k=m+1，咒(2)0 01 3C O S00 一s i n 母0010 0s i n 母0C O S800 001A ，k=m+1，咒(4)式(2)为考虑到回弹因素时位置变换矩阵表示，影响回弹的因素很多，弯曲不同的材料、不同的直径以及使用不同的工装和调整弯管机所用的工艺参数不同O00001)0BB民R+0001001O0106一nm 旧=A 万方数据1 0 期吕波等：数控弯管加工过程仿真系统2 3 2 7时，都会影响管子的回弹P。为与材料的弹性变形相对应的比例回弹系数，0 P s B 0 回弹数据P。和R。可以通过一定的工艺试验在矢量管形测量机上获取j b 为小车的送进距离，口为导管的空间转角采用式(2)(4)后，在导管的动态造型过程中，只有当前的弯制段进行形状变化和实体重新生成，已成形的导管段只进行位置的变换，从而大大提高了仿真系统的运行速度5 碰撞和干涉检测数控弯管加工过程中的碰撞干涉检测包含两个方面的内容：一方面是夹头与弯块、压力模或夹紧模之间碰撞干涉检测，这种情况只在y 指令执行时才有可能发生；另一方面是加工过程中不断变化的管子与机床部件、地面和周围环境物体之间的碰撞干涉检测本文设计一个基于仿真指令和离散时问的干涉检测算法干涉检测的步骤如下：S t e p l 相对于某一个仿真指令x，在某一个时刻丁，由式(1)(4)求出各个仿真指令执行时导管的各个控制点P：(X，Y i，Z i)则由控制顶点P。和P。+1 组成的线段Q，有如下参数表达形式fX=X，+t(X，+1X，)Y=Y i+t(Y，+1Y。)1，记为t7，转S t e p 2，若射线与仿真环境无交点则转S t e p 3 S t e p 2 根据式(5)求出参数t 从1 到t7 的两点问的距离L 及射线P。，P，+I 与物体平面的夹角目，设导管的半径为r，若L t a n 0 r，转S t e p 4；否则，转S t e p l S t e p 3 若射线与仿真环境中物体的最小距离D r，则转S t e p 4，否则，转S t e p l S t e p 4 根据式(1)对该段导管与仿真环境中的物体进行实体求交运算，求干涉区域若发生干涉，需要修正N C 代码文件及工艺参数，然后重新生成仿真模型6 仿真实例通过T B S 系统操作界面可以完成对弯管机床的加工设置定义、仿真N C 文件的选择、仿真所用模胎具的选择、仿真速度的控制、加工控制(床头归位、运动仿真、暂停仿真、停止仿真)，并且具有数据显示(夹头位置显示、小车位置显示、弯曲角度显示)、仿真速度显示的功能数控弯管加工过程某瞬时状态的仿真结果如图7 所示所用弯管机床为美国E a t o nL e o n a r d 公司V B 一3 0 0 H P 型矢量数控弯管机发生碰撞的导管段和机床体变为红色图7 导管加工过程仿真图7结论我们应用T B S 系统完成了美国E a t o nL e o n a r d公司V B 一5 0 H P，V B 一1 0 0 H P，V B 一2 0 0 和V B 一3 0 0 H P系列数控弯管机的总体仿真模型的建立，并提供了相应的机床库、常用N C 代码库、模具库和典型导管数据库，加工过程仿真着眼于N C 编程的正确性检验及加工过程中各运动部件之间的碰撞和干涉检验，导管动态成形由于采用分段的参数化方法，提高了系统的运行速度，较好地模拟了数控弯管的加工过程参考文献一一一一一!坌黑M蜘小y署mm一一一一一一一一蒜愀烈黑翟鬻吣一拗诎dm-i舢一一一一一一一一一湖删一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 万方数据2 3 2 8计算机辅助设计与图形学学报2 0 0 5 正(刘鼎元有理B z i e r 曲线 J 应用数学学报，1 9 8 5，8(1)：7 0 8 3)5 P i e g lL，T i l l e rW Am e n a g e r i eo fr a t i o n a lB s p l i n ec i r c l e s J I E E EC o m p u t e rG r a p h i c s A p p l i c a t i o n s，1 9 8 9，9(5)：4 8 5 6 6 W a n gL i x i n V e c t o rT u b eB e n d i n g M B e r i n g：N a t i o n a lD e f e n c eI n d u s t r yP r e s s，1 9 8 4(i nC h i n e s e)(王立新矢量弯管 M 北京：国防工业出版社，1 9 8 4)吕波男，1 9 7 4 年生，博士，主要研究方向为C A D C A M、数控加工唐承统男，1 9 5 2 年生，教授，主要研究方向为C A D C A M、数控加工、生产线仿真等宁汝新女，1 9 4 2 年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为数字化设计与制造 万方数据