CN108875199B - 一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测系统及其方法，其中仿真监测系统包括3D数模构建模块；坐标系模块，用于确定和标定加工坐标系和工件坐标系；三维图形处理模块，用于在工件表面生成喷丸路径，将喷丸路径离散为若干个目标点，并输出每个目标点的三维坐标信息；喷丸程序编制模块，将得到的每个目标点运动轨迹的信息编制为数控机床所识别的编程语言；仿真模块，通过喷丸设备3D模型数据执行得到的编程语言，实现对工件的离线喷丸可视化仿真。本发明实现喷丸加工工艺的离线仿真，该方法可大大提高生产效率，且安全性更高，显著改善人为误差，提高设备使用寿命：结合喷嘴运动数字仿真模拟和干涉检测，可缩短新产品的开发周期，降低工人劳作强度。
Description
技术领域
本发明涉及喷丸仿真技术，尤其一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测系统及其方法。
背景技术
喷丸强化工艺是一种主要用于改变工件表面起裂，导致发生宏观脆性断裂的冷加工工艺，与其他表面处理工艺相比具有实施方便、效果显著、适应面广、消耗低等特点,是提高工件可靠性和耐久性的有效途径之一,广泛应用于航空、军工、汽车等领域。
传统的示教编程需要技术人员记录下喷嘴的每个轨迹点，往返于喷丸设备工作台与操作面板，工作强度大且存在安全隐患，编程效率极低且程序正确率不高，难以通过人工判断程序的准确性。
为了解决该问题，本领域技术人员进行了各种创新和尝试，如中国专利ZL201510102659.2公开的用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法，该方法利用激光喷丸取代传统的机械喷丸，从本质了上改变了喷丸设备的结构和操作流程，显著改善了喷丸的工艺；然而该应用成本较高，实际推广应用效果有限，因此目前喷丸工艺迫切需要一种简单有效的基于工件数模的喷丸轨迹离线编程、仿真和监测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测系统及其方法，它具有操作可靠稳定，仿真高效安全的优点。
本发明是这样来实现的，一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测系统，其特征在于，它包括3D数模构建模块，用于构建喷丸设备和工件的3D模型数据；坐标系模块，用于确定和标定加工坐标系和工件坐标系，并将工件坐标系向加工坐标系转换；三维图形处理模块，用于在工件表面生成喷丸路径，将喷丸路径离散为若干个目标点，并输出每个目标点的三维坐标信息；喷丸程序编制模块，将得到的每个目标点运动轨迹的信息编制为数控机床所识别的编程语言；仿真模块，通过喷丸设备3D模型数据执行得到的编程语言，实现对工件的离线喷丸可视化仿真。
它还包括仿真干涉检查模块，用于在仿真模块仿真过程中检测喷丸设备与工件的干涉。
它还包括喷丸路径规划模块，用于根据加工件的不同型面规划符合喷丸强度的喷丸路径。
优选的是：所述喷丸程序编制模块还包括工件特征识别模块，该工件特征识别模块对待喷丸工件特征识别产生喷丸轨迹所需要的目标点阵。
本发明还记载了一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，其特征在于，该方法基于上述可视化仿真监测系统，它包括如下步骤：
(1)通过3D数模构建模块构建需加工工件的三维数模以及喷丸设备的三维数模，其数模尺寸比例要求为1:1；
(2)由坐标系模块通过三个不在同一直线上的点确定加工坐标系，而后在加工坐标系中测量出三个基准点坐标M，确定工件坐标系，再从工件坐标系中测出相对应的三个基准点坐标R；
(3)为保证喷头的垂直入射的条件，由喷丸路径规划模块根据加工件的不同型面规划符合喷丸强度的喷丸路径；
(4)将喷丸设备三维数模以文件的导入仿真模块中，准备仿真；
(5)通过坐标系模块在喷丸设备与工件喷丸处位置建立加工坐标系，当各个部件处于初始状态时，其X,Y,Z轴与工作台中心基座标系0重合，当各个部件运动时，各部件运动的实时位置通过空间位姿齐次变换矩阵将步骤(2)中所述的工件坐标系向加工坐标系转换；
(6)通过三维图形处理模块在工件表面生成喷丸路径，将喷丸路径离散为若干个目标点，输出每个目标点的三维坐标信息；
(7)通过喷丸程序编制模块将计算所得到的每个目标点的喷丸运动轨迹信息编制为数控机床所识别的编程语言；
(8)通过仿真模块对喷丸路径进行仿真，将空间位姿齐次矩阵得到的目标点的坐标经过C++程序中对步骤(2)中空间位姿齐次变换矩阵的转换得到工具数据，从而实现工件在喷丸设备上的喷丸强化仿真；
(9)由仿真干涉检查模块检测工件仿真过程的干涉信息，并输出干涉结果。
步骤(2)包括建立加工坐标系下的三点定位坐标矩阵的过程：
创建两个方位相同的坐标系A和坐标系B，坐标系B中取一点P，P点从坐标系B中变换到坐标系A中的方位表示为：
AP＝APB+BP
创建坐标系原点相同绕原点旋转的坐标系A和坐标系B，则在坐标系中的点P在坐标系A中的方位表示为：
AP＝BPARB
在随机的坐标系A和坐标系B中，在坐标系中的点P在坐标系A中的方位可表示为：
AP＝ARB BP+APB
在加工坐标系中取得三个点的坐标为{XM1,YM1,ZM1}，{XM2,YM2,ZM2},{XM3,YM3,ZM3}，在加工坐标系中的三个点构建一个三角形，三点中经过一点向另外两点连成的直线做垂线，得到的垂足记为PO{XM0,YM0,ZM0}，垂线定位X轴，两点的连线定为Y轴，再以右手法则确定z轴的方向，垂足设为坐标原点，从而建立加工坐标系下的三点定位坐标矩阵MT，其位姿用4X4矩阵表示：
在步骤(3)中，喷丸路径规划模块根据加工件的不同型面规划喷丸路径的方法是；
1)对于普通面，采取手动选择需要喷丸强化的面，并根据相应规则选择对应的喷丸路径规则对其进行路径规划，最终将获取的路径信息保存在CAA链表中；
2)对于孔，从CATIA的结构树获取孔特征，在不影响喷丸强化效果的情况下将不区分通孔和盲孔；
3)对于凹槽，采用旋转喷枪进行喷丸强化；
4)对于R角面，在零件结构树中选取R角，用面路径规划方法对R角面进行路径规划；
优选的是：喷丸路径规则至少包括缩短喷丸路径的总长度和减少喷丸路径中的转折路径，且喷丸零件表面全覆盖，喷丸路径间距在平面、曲面上保证等距，同时喷丸路径连续且方向一致。
优选的是：步骤(4)中将喷丸设备三维数模以文件的导入仿真模块中的过程是这样的，导入喷丸设备三维数模并在VERICUT中建立机床模拟环境，利用VERICUT中刀具编辑器功能手动画出编程既定所需要的喷丸束的外形轮廓。
优选的是：步骤(5)中坐标系经空间位姿齐次变换矩阵的变换后，工件坐标系中的各坐标轴在加工坐标系对应的转换关系为：
步骤(7)中编程语言的生成过程是：通过三维图形处理模块将喷丸路径转换成目标点云，每条路径目标点间的步距即为设置的喷丸条带的宽度；利用VC开发工具对CATIA二次开发出直接对工件数模操作的工件特征识别模块，通过对待喷丸零件特征识别产生喷丸轨迹所需要的目标点阵；由喷丸程序编制模块产生的目标点阵经坐标统一转化为能被喷丸设备识别的NC程序。
本发明的有益效果为：本发明利用3D数模构建模块构建喷丸设备和工件的模型数据，然后统一构建坐标系，并将工件坐标系向加工坐标系转换，规划喷丸路径，利用众多的喷丸路径目标点对应的坐标信息，由仿真模块按照编程语言执行仿真，依次沿着坐标信息形成仿真的喷丸轨迹，验证喷丸过程，实现喷丸加工工艺的离线仿真，该方法可大大提高生产效率，且安全性更高，显著改善人为误差，提高设备使用寿命：结合喷嘴运动数字仿真模拟和干涉检测，可缩短新产品的开发周期，降低工人劳作强度。
附图说明
图1为本发明的仿真流程图。
图2为本发明坐标系算法流程图。
图3为本发明普通面路径规划流程图。
图4为本发明孔路径规划流程图。
图5为本发明凹槽路径规划流程图。
图6为本发明R角路径规划流程图。
图7为本发明仿真验证喷丸模拟图。
图8为本发明对零件下底面仿真测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明所述喷丸强化工艺的可视化仿真监测系统是一种基于工件三维图形的喷丸强化工艺的离线编程、数字化运动仿真和可视化过程监测技术方案，它包括3D数模构建模块，用于构建喷丸设备和工件的3D模型数据；坐标系模块，用于确定和标定加工坐标系和工件坐标系，并将工件坐标系向加工坐标系转换，能够构建出工件与喷丸设备之间的关系；三维图形处理模块，用于在工件表面生成喷丸路径，将喷丸路径离散为若干个目标点，并输出每个目标点的三维坐标信息；喷丸程序编制模块，将得到的每个目标点运动轨迹的信息编制为数控机床所识别的编程语言；仿真模块，通过喷丸设备3D模型数据执行得到的编程语言，实现对工件的离线喷丸可视化仿真；本发明利用3D数模构建模块构建喷丸设备和工件的模型数据，然后统一构建坐标系，并将工件坐标系向加工坐标系转换，规划喷丸路径，利用众多的喷丸路径目标点对应的坐标信息，由仿真模块按照编程语言执行仿真，依次沿着坐标信息形成仿真的喷丸轨迹，验证喷丸过程，实现喷丸加工工艺的离线仿真，这样喷丸过程喷嘴运动轨迹与落丸点的离线数控编程方法可大大提高生产效率，且安全性更高，显著改善人为误差，提高设备使用寿命。
在实际设置时，为了更好地满足使用需求，提高操作控制的灵活便利性，本发明还对附属功能进行了优化，它还包括仿真干涉检查模块，用于在仿真模块仿真过程中检测喷丸设备与工件的干涉，这样在喷嘴运动数字仿真模拟过程中可校验机床干涉等问题，从而缩短新产品的开发周期，降低工人劳作强度，提高操作安全性能；它还包括喷丸路径规划模块，用于根据加工件的不同型面规划符合喷丸强度的喷丸路径。为了提高喷丸信息采集的效率，所述喷丸程序编制模块还包括工件特征识别模块，该工件特征识别模块对待喷丸工件特征识别产生喷丸轨迹所需要的目标点阵。
如图1所示，本发明还公开了一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，该方法基于上述结构的可视化仿真监测系统，它包括如下步骤：
(1)通过3D数模构建模块构建需加工工件的三维数模以及喷丸设备的三维数模，其数模尺寸比例要求为1:1；在操作中，可通过CAD软件构建需加工工件的三维数模以及设备的三维数模，其数模尺寸比例要求为1:1；
(2)由坐标系模块通过三个不在同一直线上的点确定加工坐标系，而后在加工坐标系中测量出三个基准点坐标M，确定工件坐标系，再从工件坐标系中测出相对应的三个基准点坐标R；
(3)为保证喷头的垂直入射的条件，由喷丸路径规划模块根据加工件的不同型面规划符合喷丸强度的喷丸路径；
(4)将喷丸设备三维数模以文件的导入仿真模块中，准备仿真；在操作时，运用CATIA中的建模模块，根据各零部件的几何形状和尺寸精度建立三维实体模型，并以文件的形式在VERICUT控制系统库中导入以喷丸机实体构建的喷丸机数据模型；
(5)通过坐标系模块在喷丸设备与工件喷丸处位置建立加工坐标系，当各个部件处于初始状态时，其X,Y,Z轴与工作台中心基座标系0重合，当各个部件运动时，各部件运动的实时位置通过空间位姿齐次变换矩阵将步骤(2)中所述的工件坐标系向加工坐标系转换；
(6)通过三维图形处理模块在工件表面生成喷丸路径，将喷丸路径离散为若干个目标点，输出每个目标点的三维坐标信息；
(7)通过喷丸程序编制模块将计算所得到的每个目标点的喷丸运动轨迹信息编制为数控机床所识别的编程语言；操作时，通过喷丸程序编制模块将计算所得到的每个目标点的喷丸运动轨迹的信息利用CATIA CAA研发的喷丸离线编程系统的轨迹规划模块编制为数控机床所识别的编程语言；
(8)通过仿真模块对喷丸路径进行仿真，将空间位姿齐次矩阵得到的目标点的坐标经过C++程序中对步骤(2)中空间位姿齐次变换矩阵的转换得到工具数据，从而实现工件在喷丸设备上的喷丸强化仿真；操作中，通过VERICUT软件对喷丸路径进行仿真，将空间位姿齐次矩阵得到的目标点的坐标经过C++程序中对步骤2中空间位姿齐次变换矩阵的转换得到工具数据，从而实现工件在喷丸机床上的喷丸强化的仿真；
(9)由仿真干涉检查模块检测工件仿真过程的干涉信息，并输出干涉结果；操作中，在VERICUT中喷丸强化的仿真和喷丸机干涉检查，以此检查喷丸强化路径的可行性。
所述步骤(2)包括建立加工坐标系下的三点定位坐标矩阵的过程，如图2所示：
创建两个方位相同的坐标系A和坐标系B，坐标系B中取一点P，P点从坐标系B中变换到坐标系A中的方位表示为：
AP＝APB+BP
创建坐标系原点相同绕原点旋转的坐标系A和坐标系B，则在坐标系中的点P在坐标系A中的方位表示为：
AP＝BPARB
在随机的坐标系A和坐标系B中，在坐标系中的点P在坐标系A中的方位可表示为：
AP＝ARB BP+APB
在加工坐标系中取得三个点的坐标为{XM1,YM1,ZM1}，{XM2,YM2,ZM2},{XM3,YM3,ZM3}，在加工坐标系中的三个点构建一个三角形，三点中经过一点向另外两点连成的直线做垂线，得到的垂足记为PO{XM0,YM0,ZM0}，垂线定位X轴，两点的连线定为Y轴，再以右手法则确定z轴的方向，垂足设为坐标原点，从而建立加工坐标系下的三点定位坐标矩阵MT，其位姿用4X4矩阵表示：
所述步骤(3)中，喷丸路径规划模块根据加工件的不同型面规划喷丸路径的方法是；
1)对于普通面，采取手动选择需要喷丸强化的面，并根据相应规则选择对应的喷丸路径规则对其进行路径规划，最终将获取的路径信息保存在CAA链表中，如图3所示；
2)对于孔，从CATIA的结构树获取孔特征，为了增加程序的流畅度，在不影响喷丸强化效果的情况下将不区分通孔和盲孔，如图4所示；
3)对于凹槽，采用旋转喷枪进行喷丸强化，如图5所示，以使得针对不同形状的凹槽时，喷枪可以以相同的方式进行喷丸强化；
4)对于R角面，在零件结构树中选取R角，用面路径规划方法对R角面进行路径规划，如图6所示；
所述步骤S3中喷丸路径规则为：
1)为提高喷丸强化的效率应该尽量缩短喷丸路径的总长度；
2)喷嘴在路径转折处因转角的存在速度通常不稳定，且喷射角度会突变。因此喷丸路径中转折路径应尽量少，以减少喷嘴往返的行程与造成的喷射角度突变对喷丸质量的影响；
3)喷丸强化中必须保证强化零件表面的全覆盖，因此喷丸路径的设计必须保证路径间距在平面、曲面上保证等距；
4)喷丸路径的设计必须使生成的路径连续且方向一致，路径的曲率应限制在一定范围内；
加工路径的规划包括对喷丸设备在喷丸强化时其喷头的最佳姿态、喷丸的间距以及达到加工要求的喷丸强度。
在步骤(4)中，将喷丸设备三维数模以文件的导入仿真模块中的过程是这样的，导入喷丸设备三维数模并在VERICUT中建立机床模拟环境，利用VERICUT中刀具编辑器功能手动画出编程既定所需要的喷丸束的外形轮廓。
步骤(5)中，仿真中的加工坐标系与实际喷丸设备的加工坐标系一致，如图所示，坐标系经空间位姿齐次变换矩阵的变换后，工件坐标系中的各坐标轴在加工坐标系对应的转换关系为：
步骤(7)中编程语言的生成过程是：通过三维图形处理模块将喷丸路径转换成目标点云，每条路径目标点间的步距即为设置的喷丸条带的宽度；利用VC开发工具对CATIA二次开发出直接对工件数模操作的工件特征识别模块，通过对待喷丸零件特征识别产生喷丸轨迹所需要的目标点阵；由喷丸程序编制模块产生的目标点阵经坐标统一转化为能被喷丸设备识别的NC程序。
步骤(9)中通过导入零件并对喷丸路径的仿真验证分别是：1、通过喷丸束走过和未走过的零件区域的对比来验证该仿真的有效性。2、通过对零件下底面进行仿真验证和干涉检测，其中喷丸束走过的零件表面有明显的颜色变化并形成一条明显的路径痕迹以区分喷丸强化与未强化的区域，其中生成的条带的颜色可由用户自己选定，本次喷丸加工中喷丸强化过的区域显示为灰色阴影的条带。结果充分证明该模拟仿真的有效性，如图7和图8所示。
本发明涉及一种基于工件三维图形喷丸强化工艺的离线编程、数字化运动仿真和可视化过程监测技术方法，通过计算机CAM系统，先将零件的加工运动轨迹编制好，通过程序后处理生产喷丸成形机认的程序语言。用离线编程技术取代示教编程，节约编程时间，提高编程效率，降低工人劳作强度。通过喷丸过程仿真技术，利用计算机图形学的手段,在计算机上模拟喷嘴运动轨迹全过程,仿真观察在喷丸过程中可能遇到的问题,并反复调试,直到得到满意结果的过程。由此可以避免因机床喷嘴运动错误而造成数控设备损坏的危险,并可以大大缩短开发新产品的周期。最后利用可视化技术监测实际喷丸过程，保证喷丸强化过程安全、稳定，满足企业制造批量小、品种多和周期短的要求，并减少人员安全风险。
Claims (7)
1.一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测系统，其特征在于，它包括
3D数模构建模块，用于构建喷丸设备和工件的3D模型数据；
坐标系模块，用于确定和标定加工坐标系和工件坐标系，并将工件坐标系向加工坐标系转换；
三维图形处理模块，用于在工件表面生成喷丸路径，将喷丸路径离散为若干个目标点，并输出每个目标点的三维坐标信息；
喷丸程序编制模块，将得到的每个目标点运动轨迹的信息编制为数控机床所识别的编程语言；
仿真模块，通过喷丸设备3D模型数据执行得到的编程语言，实现对工件的离线喷丸可视化仿真；它还包括仿真干涉检查模块，用于在仿真模块仿真过程中检测喷丸设备与工件的干涉；它还包括喷丸路径规划模块，用于根据加工件的不同型面规划符合喷丸强度的喷丸路径；所述喷丸程序编制模块还包括工件特征识别模块，该工件特征识别模块对待喷丸工件特征识别产生喷丸轨迹所需要的目标点阵。
2.一种喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的可视化仿真监测系统，它包括如下步骤：
(1)通过3D数模构建模块构建需加工工件的三维数模以及喷丸设备的三维数模，其数模尺寸比例要求为1:1；
(2)由坐标系模块通过三个不在同一直线上的点确定加工坐标系，而后在加工坐标系中测量出三个基准点坐标M，确定工件坐标系，再从工件坐标系中测出相对应的三个基准点坐标R；
(3)为保证喷头的垂直入射的条件，由喷丸路径规划模块根据加工件的不同型面规划符合喷丸强度的喷丸路径；
(4)将喷丸设备三维数模以文件的导入仿真模块中，准备仿真；
(5)通过坐标系模块在喷丸设备与工件喷丸处位置建立加工坐标系，当各个部件处于初始状态时，其X,Y,Z轴与工作台中心基座标系0重合，当各个部件运动时，各部件运动的实时位置通过空间位姿齐次变换矩阵将步骤(2)中所述的工件坐标系向加工坐标系转换；
(6)通过三维图形处理模块在工件表面生成喷丸路径，将喷丸路径离散为若干个目标点，输出每个目标点的三维坐标信息；
(7)通过喷丸程序编制模块将计算所得到的每个目标点的喷丸运动轨迹信息编制为数控机床所识别的编程语言；
(8)通过仿真模块对喷丸路径进行仿真，将空间位姿齐次矩阵得到的目标点的坐标经过C++程序中对步骤(2)中空间位姿齐次变换矩阵的转换得到工具数据，从而实现工件在喷丸设备上的喷丸强化仿真；
(9)由仿真干涉检查模块检测工件仿真过程的干涉信息，并输出干涉结果。
3.如权利要求2所述喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，其特征在于，步骤(2)包括建立加工坐标系下的三点定位坐标矩阵的过程：
创建两个方位相同的坐标系A和坐标系B，坐标系B中取一点P，P点从坐标系B中变换到坐标系A中的方位表示为：
AP＝APB+BP
创建坐标系原点相同绕原点旋转的坐标系A和坐标系B，则在坐标系中的点P在坐标系A中的方位表示为：
AP＝BPARB
在随机的坐标系A和坐标系B中，在坐标系中的点P在坐标系A中的方位可表示为：
AP＝ARB BP+APB
在加工坐标系中取得三个点的坐标为{XM1,YM1,ZM1}，{XM2,YM2,ZM2},{XM3,YM3,ZM3}，在加工坐标系中的三个点构建一个三角形，三点中经过一点向另外两点连成的直线做垂线，得到的垂足记为PO{XM0,YM0,ZM0}，垂线定位X轴，两点的连线定为Y轴，再以右手法则确定z轴的方向，垂足设为坐标原点，从而建立加工坐标系下的三点定位坐标矩阵MT，其位姿用4X4矩阵表示：
4.如权利要求2所述喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，其特征在于，在步骤(3)中，喷丸路径规划模块根据加工件的不同型面规划喷丸路径的方法是；
1)对于普通面，采取手动选择需要喷丸强化的面，并根据相应规则选择对应的喷丸路径规则对其进行路径规划，最终将获取的路径信息保存在CAA链表中；
2)对于孔，从CATIA的结构树获取孔特征，在不影响喷丸强化效果的情况下将不区分通孔和盲孔；
3)对于凹槽，采用旋转喷枪进行喷丸强化；
4)对于R角面，在零件结构树中选取R角，用面路径规划方法对R角面进行路径规划；
其中的喷丸路径规则至少包括缩短喷丸路径的总长度和减少喷丸路径中的转折路径，且喷丸零件表面全覆盖，喷丸路径间距在平面、曲面上保证等距，同时喷丸路径连续且方向一致。
5.如权利要求2所述喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，其特征在于，步骤(4)中将喷丸设备三维数模以文件的导入仿真模块中的过程是这样的，
导入喷丸设备三维数模并在VERICUT中建立机床模拟环境，利用VERICUT中刀具编辑器功能手动画出编程既定所需要的喷丸束的外形轮廓。
6.如权利要求2所述喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，其特征在于，步骤(5)中坐标系经空间位姿齐次变换矩阵的变换后，工件坐标系中的各坐标轴在加工坐标系对应的转换关系为：
7.如权利要求2所述喷丸强化工艺的可视化仿真监测方法，其特征在于，步骤(7)中编程语言的生成过程是：
通过三维图形处理模块将喷丸路径转换成目标点云，每条路径目标点间的步距即为设置的喷丸条带的宽度；
利用VC开发工具对CATIA二次开发出直接对工件数模操作的工件特征识别模块，通过对待喷丸零件特征识别产生喷丸轨迹所需要的目标点阵；
由喷丸程序编制模块产生的目标点阵经坐标统一转化为能被喷丸设备识别的NC程序。
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