基于网络的表面质量预测研究-修改版2

基于网络的数控加工表面质量预测系统的研究

赵宁，廉哲满*

（延边大学工学院，吉林延吉133002）

摘要：本文提出了一种基于网络的数控加工表面质量预测系统的系统构架，该系统具有响应速度快，成本低，安全性好等特点，有利于现阶段我国数控技术的普及和发展。

关键词：网络数控表面质量

中图分类号：TP391.73 文献标志码：A

引言

现代制造业发展日新月异，制造业经历了从最初的手工加工到机械加工、半自动和自动加工，直到如今盛行的数控（Numerical Control，简称NC）加工技术【1】。数控加工技术具有自动化程度高，加工精度高，加工柔性大等诸多特点，是未来制造业发展不可或缺的加工技术。在数控加工中驱动数控机床进行加工的是数控代码，数控代码的正确与否直接关系到加工工件的质量优劣和对机床与加工者的安全与否。如果加工代码错误会直接造成被加工工件的加工错误、损坏、报废，若发生撞刀等现象还会对机床系统造成损坏，在高速超高速加工中甚至发生伤人事件，所以对数控代码程序进行加工前的错误检验显得十分必要。

传统的代码检验方法是试切法，即在对代码进行基本的语法检测后，在机床上进行试切加工，加工完毕后对加工后的工件进行检测，根据检测结果修改数控程序，再试切、再修改，直到数控程序达到要求为止。这样一来使得产品的生产周期长，不利于企业的发展。如今制造业中大量使用贵重金属，对贵重金属的试切加工会造成生产成本的提高，不利于企业的成本控制，从而影响企业的竞争力。本系统建立在计算机虚拟技术之上。通过计算机虚拟加工过程及输出的工件形状来判断数控程序的正确性。此种方法简单易行，对于数控程序的检验周期短、效果好，应用计算机虚拟技术对工件的数控加工程序进行模拟检验能有效地控制产品的生产成本和开发周期。

1.数控加工计算机仿真技术研究现状

数控加工的计算机仿真主要有两部分：一种是几何仿真，即对数控代码加工的零件表面形貌进行计算机仿真；另一种是物理物仿真，可以仿真加工过程的物理数据，比如切削功率、切削热、表面质量等。从这个角度讲计算机的物理仿真才具有仿真的真正意义。但是几何仿真确是物理仿真的基础。目前国内外对该领域的研究主要集中在两大块上，即基于本地服务的数控加工仿真系统和基于网络的计算机仿真系统。不论基于本地服务的还是基于网络的都各有特点，互有优劣，但是基于网络的仿真系统由于逻辑层在服务器端，所以从成本、安全性、资源共享性等考虑基于网络的数控仿真有着基于本地服务的数控仿真技术所不能比拟的优势。

国外已研制出几种有使用价值的仿真软件或仿真模块，如CG-h公司的Vericut和法国Deimia公司的VNC。国内的仿真技术与国外相比在水平上有一定的差距，但国内也取得了很好的研究成果，如南京航空航天大学研究开发的Superman2000CAD／CAM的仿真模块，上海宇龙数控仿真系统。该类模块已能实现代码的检验、视图的移动、旋转、放大、缩小、视觉感受较好，但在物理仿真方面较为薄弱。国内仿真发展似乎走与国外相同的路子，如代码的验证、几何数控加工的模拟，寻求算法，编制程序来优化几何数控仿真[2]。

国内研究者刘晓辉等[3]采用VC++与OpenGL结合的开发方式来完成数控仿真系统。该系统较好地实现了基于本地服务的数控几何仿真系统；陈秀生等[4]人建立了基于表面粗糙度预测的数控车削加工物理仿真模型，该系统较好地实现了基于本地服务的数控物理仿真系统。霍志璞等[5]采用基于网络的Java结合VRML方式实现网络化的远程仿真系统平台。该系统实现了基于网络的数控仿真系统，但仅停留在几何仿真方面。陈冰等[6]人开发了一种e-Service 驱动下的数控加工过程仿真系统。该系统较好地实现了基于网络的物理仿真，但是物理仿真的条件有限。

2.系统研究内容

本论文意在研究一种在网络环境下运行，应用JAVA和VRML技术联合开发，可对数控加工程序进行检验,并能对在该数控程序驱动下加工的工件表面质量进行预测的系统。其中本论文研究的表面质量主要是工件的表面粗糙度。因为被加工工件的表面质量对工件的正常使用有着很大的影响，表面质量大大地影响着相互接触零件的机械性能和物理性能，如磨损、摩擦、润滑、连接件之间的密封性、接触刚度、接触应力、承载能力和热传导性等。本系统还可以实现对数控车削代码的检验，并能对该数控代码加工出来的工件表面质量进行预测，达到真正意义上指导数控代码编译人员工作的目的，从而指导生产工作。

系统开发版本可有两种选择，一种是单机版，另一种是网络版。单机版软件的知识产权非常难以保证，硬件加密狗的捆绑销售也只是添加了极其有限的保障，程序的升级更新不方便，其安全性也较差，很容易遭到破解和篡改，移植能力差。网络版分为C/S和B/S，所谓的C/S(Client／Serve，即客户端/服务器模式)模式，它是在单机版软件的基础上向网络化的改造，通常是以单机版软件的发售结合在线实时升级更新服务的方式出现。不过由于其主体软件资源仍然存在于客户机中，其安全性仍然不能保证。B/S(Browser／Server，即浏览器/服务器模式)模式的出现完美地解决了这些问题。由于它已被广泛使用的Web浏览器作为客户端，操作界面友好、一致；逻辑层向服务器端转移，节省了开发时间；并且B/S最大的优越性还在于强大的跨平台移植能力[7]。综上所述，本系统采用B/S模式进行开发。由于Java 语言的简单易用，跨平台应用性良好，是现今进行网络软件开发的很好选择，三维场景显示方面，虽然有Java3D、Open Inventor等语言做选择，但是由于VRML应用简单，效果好等特性，最后本系统选择Java和VRML联合开发的方法完成。

本研究系统模型如图1所示。用户通过客户端（浏览器）向服务器提交数控程序代码，

通过服务器端的数控代码转换模块进行数控代码转换和检验，目的是检验数控代码并向加工仿真模块提交仿真主要参数，如主轴转度、进给量等信息，再由加工仿真模块进行数控加工仿真计算，并将仿真结果传回客户端。客户端输出内容主要由两部分组成，一部分为几何仿真结果，另一部分为表面质量预测结果。最后用户既可以检验数控程序的正确性，又可以通过表面质量的输出结果来判定和改进数控程序，达到对数控程序进行优化的目的。

图1基于网络的数控加工表面质量预测系统结构图

图2 切削加工过程表面轮廓成型机理

该系统的核心为数控代码转换模块和加工仿真模块的建立，其中加工仿真模块为重中之重，也是难点。因为该模块不仅要有几何仿真还要有物理仿真部分，其中物理仿真部分的数学模型建立是该数控仿真模型建立成败的关键。切削加工的物理仿真是指在仿真环境中运行仿真模型，模拟实际切削加工过程中的切削力、振动、温度等物理量的变化或分布情况，该方法是研究切削加工最有效的手段之一。表面粗糙度仿真是物理仿真的重要研究内容，通过建立表面粗糙度与切削过程参数的关系模型，模拟表面轮廓的形成过程及其轮廓形貌，可以预测加工后工件的表面粗糙度，从而为实际切削加工过程中表面粗糙度的控制提供依据，其切削加工过程表面轮廓成型机理如图2所示。根据分析影响表面粗糙度的因素，表面粗糙度的形成可分为两部分：一部分是由切削参数、刀具几何参数等几何因素产生的粗糙度,另一部分是由切削过程中的随机因素，如振动、积屑瘤、鳞刺、刀具磨损等产生的粗糙度。本论文主要研究振动对表面粗糙度的影响。通过建立振动、动态切削力以及表面粗糙度的数学模切削参数 刀具几何形状 振动

型，对表面粗糙度的形成过程进行仿真研究。

该系统具有以往系统不能比拟的优点。以往的基于网络的数控仿真系统都只是单纯地进行几何仿真，即对程序的验证，而本研究是在该系统中加入物理仿真思想，使该系统具有表面质量预测功能，即能实现对数控程序的检验工作又能对数控程序进行优化指导。屏蔽了中小企业对与此类系统需求中成本问题，有利于数控技术的普及。将基于本地的数控仿真系统的成果应用于网络中，有利于此类系统的发展。

3.结束语

本文提出了一种基于网络的数控加工表面质量预测系统，给出了该系统机构方案，并初步探讨了该系统模型。应用该系统即能够实现对数控代码的检验，又能实现对数控代码的优化指导，对于现实生产具有实际意义，有利于数控技术的普及。

参考文献：

[1]赵玉刚，宋现春，数控技术[M].机械工业出版社，2004.5

[2]盛亮等,数控加工物理仿真关键技术的初探[J].系统仿真学报,2003.5

[3]刘晓辉等，面向虚拟制造的数控加工仿真系统的研究与实现[J].机床与液压，2005（2）：29-32

[4]陈秀生等，基于表面粗糙度预测的数控车削加工物理仿真模型的研究[J].工具技术，2006.3

[5]霍志璞等，Web嵌入式虚拟数控机床加工仿真系统[J].机床与液压，2004（10）:123-125

[6]陈冰等,e-Service驱动下的数控加工过程仿真系统研究[J].机械科学与技术,2006.11

[7]卢红等,基于C/S模式的数控车削物理仿真技术研究[J].工艺与装备,2005.12

A Study on Surface Quality Prediction System Based on Web

in NC machining

Zhaoning，Lian Zhe- Man

(College of Engineering, Y anbian University, Y anji 133002，China)

Abstract：This paper has proposed a kind of surface quality prediction system structural frame in NC machining base on web, the system has many characteristic, such as fast response、low cost and high safety, it is conducive to the stage of China's NC technology popularization and development.

Key words:Web NC surface quality