1、虛擬加工環境建模及實現技術      引言  虛擬加工技術是虛擬制造的關鍵使能技術之一。它基于計算機仿真技術和虛擬現實技術實現產品的數字化加工過程，評價設計零件的可加工性，并檢驗數控加工工藝的科學性。從而為產品的并行開發提供有力的支持，大大縮短了開發/生產周期，降低了生產成本，提高了產品質量。 虛擬加工環境是虛擬加工系統的基礎。在虛擬加工環境中進行可視化加工仿真，不僅給用戶提供了身臨其境的沉浸感，更能對潛在的刀具與床身、夾具等的碰撞、干涉作出有效預測，實現對NC代碼的全面驗證。此外，由虛擬設備組成的三維虛擬加工環境也可用于車間布局優化

2、、人機分析以及調度仿真等。因此構建虛擬加工環境是實現虛擬加工系統的首要任務，具有重要的意義。 現有的虛擬加上模型存在如下缺點件:依賴于特定建模軟件，對不同CAD系統幾何模型支持不夠;模型不支持可重構等。針對這些問題，在分析虛擬加工環境的建模需求的基礎上，本文提出了由部件層、設備層和環境層組成的虛擬加下環境層次模型，給出了各層次模型的具體實現方法和技術，最后用實例驗證了這些技術的有效性。 1虛擬加工環境的層次模型  完整的虛擬加工環境通常由虛擬的加工設備、物料運輸設備、工件、刀具、夾具以及其它輔助設備、人員和車間環境組成，其中虛擬加工設備是最主要的組成元素。虛擬加工環境不僅為

3、使用者提供了一個具有沉浸感的仿真環境，更是對實際加工系統的本質映射。因此其模型必須與實際的加工系統在結構上具有相似性，在功能和行為上具有一致性。 綜合而言，虛擬加工環境的模型首先要精確表達部件-設備-制造單元(生產線)-車間環境之間的拓撲關系。其次，虛擬部件、設備、生產線、車間環境模型所包含的信息必須完整，能夠滿足虛擬加工的要求，如機床模型要包含反映機床加工時運動學關系的信息。第三，模型應當具備相當的柔性以支持快速重構，虛擬車間可以根據需要添加、裁剪、移動虛擬加丁設備，實現車間級重構，而虛擬加工設備也可根據需要添加、裁剪、更改零部件，實現設備級重構。此外，模型應是三維的，具有良好的交互性。根據

4、上述需求，我們提出了如圖1所示的層次結構的虛擬加工環境模型，包括部件層、設備層和環境層。  在虛擬加工層次模型中，環境模型EV由環境配置模型EVS和環境行為控制模型EVC描述，設備模型EQ由設備配置模型EQS由設備行為控制模型EQC描述，而部件模型CP則由部件幾何模型CPG和部件物理屬性仿真模型CPP描述。這些關系可形式化表達為: 2虛擬加工環境的實現技術  從虛擬加工環境層次模型可以看出，首先要開發通用的虛擬部件，建立虛擬部件庫;再由通用的虛擬部件裝配成不同的虛擬設備;然后在虛擬設備的基礎上構建出虛擬環境。 2.1部件模型  作為虛擬加工環境

5、的基石，部件模型由部件的幾何模型和物理屬性仿真模型組成。部件幾何模型是反映真實部件外觀的約束模型，不僅包括支持三維實體顯示的信息，還包括支持裝配和仿真的幾何數據。而物理屬性仿真模型則是反映真實部件物理屬性的約束模型。   日前的商用CAD軟件已經很成熟，功能強大，而開發一個獨立的幾何建模模塊，需要投入大量的人力財力?；诖丝紤]，我們選擇從商用CAD軟件建模，然后導入到虛擬加工系統中的方法建立部件幾何模型。但是，從國產的CAXA到國外品牌UG/NX. Pro/E等，商用CAD軟件種類繁多，不同的用戶使用的軟件種類可能并不相同。為了使虛擬加工系統具有通用性，所開發的CAD接口模

6、塊也必須具有通用性和擴展性，可以導入常用的CAD模型，并可以在其基礎上增加新的接口模塊。 VRML是Internet上3D文件描述、交換的標準，常用CAD軟件都支持這種格式的文件輸出。為此，我們開發了VRML文件解析器。首先將在三維CAD軟件中特征造型得到的部件幾何模型導出成為VRML文件，再解析后導入到虛擬加工系統中，此模型包括二角面片、頂點、法線等用于顯示的相關信息，稱為部件的顯示幾何模型。由于VRML文件丟失了描述部件形狀、尺寸、坐標等的特征信息，而這些信息是部件進行裝配、仿真操作所必需的，所以還要進一步對三維CAD軟件進行二次開發以獲取這些信息。這些特征信息導入虛擬加工系統后得到部件的

7、另一個幾何模型，稱為工程語義模型。顯示幾何模型和工程語義模型關聯在一起，共同組成部件的完整幾何模型。這里采用一種通用的方法來實現這種關聯;根據特征信息建立特征表面的面方程，依次判斷三角面片集是否滿足特征表面方程及尺寸約束，如果滿足，則該二角面片集與該特征表面一一對應。圖2是部件幾何模型的UML類圖。   組成設備的部件，它們不僅有幾何屬性.還有運動學、動力學(振動、變形二)、熱力學等屬性。因此，在建立部件幾何模型后，還需要建立部件的物理屬性仿真模型。運動學模型是最基本的物理屬性仿真模型。虛擬部件根據真實部件在實際制造設備中的功能分類可定義為不同的角色(例如主軸、刀架等)。對于不同的角色，其運動學模型有不同的運動類型和運動約束。我們設計了