一种嵌入式激光柔性加工过程仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种将不同加工方式的物理模型嵌入到仿真系统中的一种虚拟激光柔性加工过程仿真方法。该方法包括：１）建立虚拟加工平台；２）轨迹优化；３）建立工艺力学模型；４）检验模型；５）仿真实施。利用本发明专利技术可在计算机环境中观察到加工的每一过程，直观显示激光加工机器人与其它设备及工件的碰撞干涉情形及不合理加工轨迹；工艺力学模型综合考虑几何、物理等方面，正确全面地反映加工效果，及早预见加工缺陷，为工艺参数调整及工艺优化提供有效依据，节省人力、物力、时间与成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种仿真方法，特别是涉及一种将不同加工方式的物理模型嵌入到仿真系统中的一种虚拟激光柔性加工过程仿真方法。
技术介绍
虚拟制造是集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实等多种高新技术为一体，对所有的制造环境及制造活动进行建模与仿真，是对产品全生命周期的仿真。其中的加工过程仿真是虚拟制造的底层与核心。由于加工过程中涉及因素多，过程复杂，而且对加工过程的研究难以集成到虚拟制造的大仿真系统下，这一直是虚拟制造的瓶颈问题之一。目前加工过程仿真研究较多的是机加工，且过程仿真分为几何仿真与物理仿真单独进行。这是因为机加工是对工件进行切除操作，所对应的加工效果是最终的几何尺寸和表面光洁度，因而最初的仿真是几何仿真。随着研究的深入，发现单纯的几何仿真虽然解决了加工中的碰撞、干涉问题，但预测的加工结果与实际加工出入较大，这才使仿真进入了物理仿真的层面，例如对车、铣、磨、钻等建立了力模型、振动模型、刀具磨损模型等。而对于虚拟制造下激光柔性加工的全面仿真，目前尚未见相关的研究报道或者是公布的专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是在虚拟制造的仿真大系统下，建立包括虚拟环境与虚拟设备的虚拟加工平台，分析无碰撞加工轨迹优化方法及算法实现，建立基于人工神经网络的工艺力学模型，嵌入到虚拟加工平台中。为了达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案，其步骤包括(1)建立虚拟加工平台在虚拟加工环境中加入虚拟设备即虚拟激光加工机器人；虚拟激光加工机器人的建立包括几何模型的建立和控制设备几何动作的运动学模型的建立。几何模型指加工机器人的CAD实体模型；运动学模型包括其正解与运动学逆解，正解指由机器人各轴的运动量计算得加工头处的位姿，即坐标值与法向量值，逆解指由加工头处的位姿反算出机器人各轴的运动量值，反映的是机器人各关节轴值与加工头位姿间的关系。(2)轨迹优化加工点1，2，…，n，采用C空间法计算任两点i，j(i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，n)的无碰撞最短轨迹；如图2所示，加工点i用O1表示加工点j用O2表示，碰撞点为p，建立通过p点和j点的连线(图中虚线表示)的w个平面与模具型面相交得到w条交线，图中用实线表示出其中的两条，取w条交线中的最短交线，即为加工点i，j之间的无碰撞最短轨迹；w的取值大小决定了计算量大小，w的取值越大，计算量越大，取得的最短轨迹也越准确；w的取值至少为8；两点轨迹算出后采用蚂蚁算法计算加工这n个加工点的最优加工轨迹；(3)建立工艺力学模型综合分析几何、力学、材料、工艺、物理等方面，分析每一加工点的实际加工参数，提炼影响加工的最主要因素和反映加工效果的指标，以神经网络方法建立模型，每一加工点的参数考虑既有几何方面又有物理方面，模型是全面反映加工过程的完整经过，即为完整过程模型。激光加工方式不同，所对应的材料与激光作用机理有所区别；比如对于激光硬化加工，其影响因素确定为偏转角度、偏移距离、激光功率密度、激光脉宽；加工效果衡量指标确定为硬度、相对耐磨性、层深、表面光洁度，用上述影响因素和加工效果衡量指标以神经网络方法建立工艺力学模型。(4)检验模型以实验测量数据作为训练数据，对上一步骤中建立的工艺力学模型进行检验，检测结果在规定的误差范围内，如相对误差0.1，便认为模型正确可靠。(5)仿真实施步骤3中建立的工艺力学模型和步骤2中得出的最优加工轨迹与虚拟环境加以集成，运动学模型控制虚拟加工机器人的几何动作，对每一加工点调入其加工参数，即工艺力学模型的输入参数，得加工头几何动作中的实际加工效果，仿真整个加工过程。在上述方法中，虚拟加工平台中可以嵌入不同的加工模型，即可以仿真不同的加工方式。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是在逼真的计算机环境中观察到加工的每一过程，直观显示激光加工机器人与其它设备及工件的碰撞干涉情形及不合理加工轨迹；工艺力学模型综合考虑几何、物理方面，不再是加工过程的片面抽象，而是正确全面地反映加工效果，及早预见加工缺陷，为工艺参数调整及工艺优化提供有效依据，节省人力、物力、时间与成本。附图说明图1(a)是加工机器人的几何模型整体结构图；图1(b)是图1(a)中虚线圈中的腕部加工头的放大图；图2是加工点中任两点无碰撞最短路径示意图；图3是本专利技术加工点最优加工路径的蚂蚁算法流程图；图4是加工点激光方斑的几何尺寸与点阵分布示意图；图5是加工点的真实加工与理想加工的偏差示意图；具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述本专利技术的方法主要是仿真过程中的建模和轨迹的优化算法及仿真模型预测，其具体步骤如下1.建立虚拟激光加工平台该虚拟平台是为所有激光加工提供的加工平台，所要虚拟的是激光加工设备和虚拟环境。本实施例针对由中国科学院力学研究所研制的“一种具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置”，专利号为98101217.5；其虚拟环境主要是加工间灯光、辅助设施及布局等。虚拟加工设备主要是虚拟激光加工机器人，包括机器人几何模型和可执行任何轨迹的机器人运动学控制模型。如图1(a)所示，加工机器人为5轴框架式机器人，有x移动轴1、y移动轴2、z移动轴3和A转动轴5、C转动轴6，几何模型如图1所示，其框架4尺寸为5.77m×3.63m×2.0m，硬限位为x4.45m；y2.755m；z1.085m，运动学关系矩阵为T5=100x010y001z0001·C4-S400S4C40000100001·1000010-ll100100001·C50S500100-S50C500001·-1000010000-100001]]>其逆解为 Px＝x+S4ll1+ax·TlPy＝y-C4ll1+ay·TlPz＝z+az·TlA＝arctan(ay/ax) C＝arccos(-az)式中Px，Py，Pz，A，C为各轴的运动量值；x，y，z为腕部加工工具头7的坐标值；法向矢量(ax，ay，az)是机器人腕部加工工具头7的姿态，如图1(b)所示，腕部加工工具头7的三个方向余弦为姿态)；Tl是腕部加工工具头7的长度；ll1是腕部手臂8的长度；θA代表A转动轴转动角度；θC代表C转动轴转动角度；S4＝sinθA代表A转动轴转动角度的正弦计算；C4＝cosθA代表A转动轴转动角度的余弦计算；S5＝sinθC代表C转动轴转动角度的正弦计算；C5＝cosθC代表C转动轴转动角度的余弦计算。上述运动学关系通过软件IGRIP的Shared Library二次开发功能导入给虚拟机器人形成机器人运动学控制模型。2.轨迹优化激光加工的轨迹优化与加工仿真结合起来才能保证正确加工及加工效率。激光加工点的轨迹优化模型为求单次遍访各加工点的最短回路，公式表述如下minΣi≠jdijxij]]>s.t. Σi≠jxij=1,i,j=0,1,···,n]]>Σi,j∈Sxij本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种嵌入式激光柔性加工过程仿真方法，其步骤包括：１）建立虚拟加工平台：在虚拟加工环境中加入虚拟设备即虚拟激光加工机器人；虚拟激光加工机器人的建立包括几何模型的建立和控制设备几何动作的运动学模型的建立；２）轨迹优化：加工点１， ２，…，ｎ，采用Ｃ空间法计算任两点ｉ，ｊ（ｉ＝１，２，…，ｎ；ｊ＝１，２，…，ｎ）的无碰撞最短轨迹；两点轨迹算出后采用蚂蚁算法计算加工这ｎ个加工点的最优加工轨迹；３）建立工艺力学模型：综合分析加工点的几何、力学、材料、工艺、物理的实 际加工参数，提炼影响加工的最主要因素和反映加工效果的指标，以神经网络方法建立工艺力学模型；４）检验模型：以实验测量数据作为训练数据，对上一步骤中建立的工艺力学模型进行检验，检测结果在规定的误差范围内，便认为模型正确可靠；５） 仿真实施：步骤３）中建立的工艺力学模型和步骤２）中得出的最优加工轨迹与虚拟环境加以集成，运动学模型控制虚拟加工机器人的几何动作，对每一加工点调入其加工参数，即工艺力学模型的输入参数，得加工头几何动作中的实际加工效果，仿真整个加工过程。

【技术特征摘要】
1.一种嵌入式激光柔性加工过程仿真方法，其步骤包括1)建立虚拟加工平台在虚拟加工环境中加入虚拟设备即虚拟激光加工机器人；虚拟激光加工机器人的建立包括几何模型的建立和控制设备几何动作的运动学模型的建立；2)轨迹优化加工点1，2，…，n，采用C空间法计算任两点i，j(i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，n)的无碰撞最短轨迹；两点轨迹算出后采用蚂蚁算法计算加工这n个加工点的最优加工轨迹；3)建立工艺力学模型综合分析加工点的几何、力学、材料、工艺、物理的实际加工参数，提炼影响加工的最主要因素和反映加工效果的指标，以神经网络方法建立工艺力学模型；4)检验模型以实验测量数据作为训练数据，对上一步骤中建立的工艺力学模型进行检验，检测结果在规定的误差范围内，便认为模型正确可靠；5)仿真实施步骤3)中建立的工艺力学模型和步骤2)中得出的最优加工轨迹与虚拟环境加以集成，运动学模型控制虚拟加工机器人的几何动作，对每一加工点调入其加工参数，即工艺力学模型的输入参数，得加工头几何动作中的实际加工效果，仿真整个加工过程。2.根据权利要求1所述的嵌入式激光柔性加工过程仿真方法，其特征在于，步骤1)中，所述几何模型指加工机器人的C...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞钢，张桃红，王立新，宁伟健，郑彩云，甘翠华，宋宏伟，陈瑶，崔春阳，王建伦，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]