1威恼、前言

　　制造業(yè)的發(fā)展對產(chǎn)品性能、規(guī)格寝并、品種不斷提出新的要求箫措，產(chǎn)品的生命周期越來越短，新產(chǎn)品的開發(fā)時間是決定性因素衬潦。虛擬制造技術(shù)(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模擬由產(chǎn)品設(shè)計斤蔓、制造到裝配的全過程，對設(shè)計與制造過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與預(yù)測镀岛，提出改進(jìn)措施弦牡，實現(xiàn)產(chǎn)品從開發(fā)到制造整個過程的優(yōu)化，達(dá)到降低產(chǎn)品生命周期漂羊、減小開發(fā)風(fēng)險驾锰、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的卸留。而機(jī)械加工過程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過對機(jī)床—工件—刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種加工信息的有效預(yù)測與優(yōu)化椭豫，為實際加工過程的智能化實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件耻瑟，同時它也是研究加工過程的重要手段。

　　2宛殉、虛擬制造技術(shù)

　　2.1　虛擬制造系統(tǒng)的構(gòu)成

　　從產(chǎn)品的開發(fā)角度講溃墨，虛擬制造實際上就是在計算機(jī)上全面仿真產(chǎn)品從設(shè)計到制造、裝配的全過程希镶，貫穿著產(chǎn)品的整個生命周期擂益。虛擬制造主要由以下五個階段組成：

　　●概念設(shè)計階段　包括產(chǎn)品的運動學(xué)分析與運動學(xué)仿真。

　　●詳細(xì)設(shè)計階段　指的是對產(chǎn)品整個加工過程的仿真模擬欲返，包括對工件幾何參數(shù)及干涉進(jìn)行校驗的幾何仿真過程翻妆、對加工過程中各項物理參數(shù)進(jìn)行預(yù)測與分析的物理仿真過程及產(chǎn)品的裝配過程仿真。

　　●加工制造階段　包括工廠設(shè)計宽考、制造車間設(shè)計马榆、生產(chǎn)計劃與作業(yè)計劃調(diào)度及各級控制器的設(shè)計。

　　●測試階段　測試仿真器的真實程度啃碗。

　　●培訓(xùn)與維護(hù)階段　訓(xùn)練用仿真器庞吆，包括對操作員的培訓(xùn)過程及產(chǎn)品的二維維護(hù)。

　　虛擬制造可分為以下幾個工作層次：工廠級荞看、車間級弄察、調(diào)度級、具體的加工過程及各制造單元等層次需纳。因此虛擬制造技術(shù)可仿真現(xiàn)有企業(yè)的全部生產(chǎn)活動芦倒，并能夠?qū)ξ磥砥髽I(yè)的設(shè)備布置、物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計不翩，從生產(chǎn)制造的各個層次進(jìn)行工作兵扬，達(dá)到縮短產(chǎn)品生命周期與提高設(shè)計、制造效率的最佳目的口蝠。

　　2.2　虛擬制造技術(shù)的發(fā)展情況

　　VMT作為一門面向21世紀(jì)的制造技術(shù)器钟，從一開始出現(xiàn)就引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。當(dāng)前的研究重點主要集中于對該項技術(shù)的理論研究與各級仿真環(huán)境的構(gòu)造與實踐的嘗試妙蔗。理論研究包括對VMT/VMS概念的探討傲霸、虛擬制造系統(tǒng)構(gòu)成、整個系統(tǒng)中模型的構(gòu)成眉反、建模方法及模型的集成等昙啄。而在實踐嘗試方面則從實驗室角度實現(xiàn)虛擬工廠、虛擬車間的設(shè)計及工廠級寸五、車間級各種設(shè)備的調(diào)度與信息的集成處理梳凛，各具體加工過程聘楞、加工單元的仿真等。同時一些企業(yè)已經(jīng)開展了VMT工作并取得了成效载呢。

　　在國內(nèi)撕第，VMT技術(shù)也得到極大重視疹神。模型的建模方法取蓝、生產(chǎn)過程模擬、控制等方面做了大量的研究工作掀尊，同時將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芥斋、人工智能技術(shù)引入到VMS過程當(dāng)中去，建立了虛擬工廠級玩猿、車間級的設(shè)計與調(diào)度系統(tǒng)趋沧，如清華大學(xué)的用于制造車間調(diào)度問題的“工廠調(diào)度仿真環(huán)境FASE”，用于制造車間設(shè)計魄恭、分析建模與仿真的“一體化制造系統(tǒng)軟件IMSS”及“加工過程仿真器MPS”等妻诚。

　　3、機(jī)械加工過程仿真

　　3.1　機(jī)械加工過程仿真的現(xiàn)狀與存在問題

　　目前進(jìn)行的機(jī)械加工過程仿真揣褂，主要有兩種情況：一種是從研究金屬切削的角度出發(fā)愤厦，仿真某具體切削過程內(nèi)部各因素的變化過程，研究其切削機(jī)理嘴纺，供生產(chǎn)實際與研究應(yīng)用败晴；另一種則是將加工過程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點在于構(gòu)造完整的虛擬制造系統(tǒng)栽渴。這兩種方式的仿真方法是相同的尖坤，即首先對機(jī)加工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化模型，然后用數(shù)學(xué)離散方法將連續(xù)模型離散為離散點闲擦，通過分析這些離散點的物理因素變化情況來仿真加工過程慢味。

　　由于機(jī)加過程仿真還處于起步階段，目前尚存在以下問題：
　　

　　 (1)仿真的加工形式少墅冷，研究范圍窄

　　在眾多的切削加工種類與形式中纯路，目前的仿真主要集中于銑、磨兩種俺榆。即使在這兩種加工方法上感昼，仿真也局限在很窄的范圍內(nèi)。如銑削中多是仿真棒銑刀和端銑刀罐脊，而這種仿真系統(tǒng)對其他種類的銑刀(如加工成形表面用銑刀)卻無能為力定嗓。其原因是機(jī)械加工種類繁多，存在著車萎雁、銑长恒、刨聂帜、磨、鏜等多種加工形式北取；另一方面加工理論復(fù)雜涡趟，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別涯翠。同時呼泪，目前的仿真系統(tǒng)大多進(jìn)行幾何仿真，即對刀位軌跡憔吉、工件與刀具的干涉校驗等宗窗，有稱之為NC校驗(NC Verification)。但在機(jī)加過程中肿讽，幾何校驗只是前提條件蛮埋，更為重要的是切削力、刀具振動及刀具磨損等在切削過程中起決定因素的各物理量找田。
　　

　　 (2)物理仿真過程都是考慮理想切削狀態(tài)歌憨，與實際切削過程有較大差距

　　在目前的仿真系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定了大量假設(shè)因素，如設(shè)定工藝系統(tǒng)剛性滿足要求墩衙，無振動务嫡；加工材料結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，無硬點等缺陷底桂；刀具無磨損植袍；切削要素不發(fā)生變化等。這種假定的理想狀態(tài)不能將切削過程中的隨機(jī)干擾如工件硬點造成的材質(zhì)變化籽懦、振動造成的切深變化等因素考慮進(jìn)去于个，使仿真系統(tǒng)不能真實地反映實際切削過程。

　　 (3)仿真手段限制仿真系統(tǒng)的發(fā)展

　　計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與仿真技術(shù)緊密相連暮顺，過去由于計算機(jī)軟硬件的限制厅篓，仿真時間很長。編碼工作量大捶码，程序可讀性羽氮、維護(hù)性差，這些都為仿真工作帶來困難惫恼。目前應(yīng)用C＋＋語言及面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)仿真系統(tǒng)已成為發(fā)展潮流舀美。

　　以上問題已引起研究人員的重視，今后的機(jī)加工仿真系統(tǒng)將朝著快速運行垃燃、面向多種加工形式玉桅、更加符合實際狀況的方向發(fā)展。

　　3.2　機(jī)械加工過程仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　在虛擬制造過程中，產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計階段實際上就是對產(chǎn)品的機(jī)械加工過程的仿真掷锻，即對機(jī)床—工件—刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種信息的分析與預(yù)測拟卢，它包括幾何仿真與物理仿真兩方面的內(nèi)容。幾何仿真包含刀位軌跡驗證蔑来，工件與機(jī)床绞甥、刀具的干涉校驗；物理仿真包括對各種物理因素的分析與預(yù)測澈虱，主要有切削力帖豫、刀具磨損、切削振動碘展、切削溫度竿丙、工件表面粗糙度等挑庶。同時言秸，幾何仿真、物理仿真及其中各要素之間有著密切的聯(lián)系迎捺，如刀位軌跡與干涉举畸、切削力直接影響到振動、工件表面質(zhì)量凳枝、刀具磨損等抄沮。

　　3.3　數(shù)控車削過程仿真的研究目標(biāo)及方法

　　車削加工是目前應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，因此對數(shù)控車削加工過程進(jìn)行仿真具有重要的理論研究與實際應(yīng)用價值岖瑰。

　　車削加工仿真將對車削加工能夠完成的各種工作如外圓叛买、端面、倒角蹋订、螺紋率挣、曲線等加工形式中的幾何及物理因素的變化情況進(jìn)行模擬與預(yù)測，建立起面向車削加工的仿真系統(tǒng)露戒。該仿真系統(tǒng)應(yīng)具有以下的功能：

　　(1)建立起面向數(shù)控車床的完善的數(shù)控車削仿真系統(tǒng)椒功，為實際生產(chǎn)過程提供可靠、優(yōu)化的NC代碼趋肖，實現(xiàn)車削的智能加工硫舞。

　　目前我國數(shù)控車床、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的應(yīng)用越來越普及乍询，在加工之前能得到一套可靠铅惋、優(yōu)化的NC代碼是非常實用的。在以往椰锹，NC代碼常以試切的方式加以驗證泪滥，這種方法一方面費時費力，另一方面試切的材料常采用木材膊抄、塑料存站，這樣雖然能夠檢驗NC代碼在幾何信息方面的正確性萌小，但對切削過程中關(guān)鍵的物理因素如切削力、振動滚曾、工件表面質(zhì)量等則無從所知狱心。而車削仿真系統(tǒng)能夠解決上述問題。同時在此基礎(chǔ)上修改NC代碼中的某些參數(shù)制依，使之進(jìn)一步降低切削力音诫、提高刀具耐用度和生產(chǎn)力，優(yōu)化NC代碼雪位。這樣即可將NC代碼確認(rèn)下來竭钝，供實際加工應(yīng)用，使仿真系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)與調(diào)整的能力雹洗，提高仿真的靈活程度香罐，達(dá)到智能加工的目的。

　　 (2)建立面向?qū)嶋H加工過程的仿真系統(tǒng)时肿，綜合考慮實際加工中的各種干擾因素庇茫，使仿真過程高度真實地反映實際生產(chǎn)過程

　　在實際加工過程中，工藝系統(tǒng)受到各種因素的制約與影響螃成，與切削有關(guān)的各物理量也因各種切削條件的變化而發(fā)生變化旦签。因此為了能夠真實仿真出車削過程中的加工情況，車削仿真系統(tǒng)就要充分考慮到這些實際變化情況與隨機(jī)干擾，使仿真出的各物理量真實貼近實際情況。這些影響因素主要包括由于機(jī)床剛性及切削力作用或工件偏心等產(chǎn)生的切削振動乏悄，工件結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一具有硬點等產(chǎn)生的隨機(jī)干擾，切削過程中切削用量變化及刀具磨損對切削過程的影響等羔巢。

　　 (3)由于具有對NC代碼進(jìn)行驗證與優(yōu)化的過程，仿真系統(tǒng)能夠極大地避免實際加工過程中可能出現(xiàn)的各種異程耄現(xiàn)象萍卑，簡化了實際加工過程中檢測與診斷設(shè)備，提高了加工安全性與經(jīng)濟(jì)效益架看。同時仿真系統(tǒng)還能夠逼真地模擬車削加工過程爬韧，可作為軟機(jī)床進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工的培訓(xùn)與維護(hù)工作。

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