航空褥紫、航天、汽車、模具绷举、能源裝備等制造行業(yè)的產(chǎn)品性能要求以及批量生產(chǎn)等方面對其零部件的加工要求越來越高。由于數(shù)控切削機床可以實現(xiàn)對復(fù)雜零件高精度芯拇、高質(zhì)量嘉散、高柔性的加工，在現(xiàn)代產(chǎn)品零件的機械加工中双漫，采用數(shù)控加工的比例不斷增加完憨。在普通數(shù)控機床基礎(chǔ)上胡电，過去的數(shù)控機床主要沿精密/超精密數(shù)控機床和高速加工機床兩條軌跡發(fā)展扎狱。為了滿足在數(shù)控加工過程中工件材料粥庄、零件幾何形狀伐狼、精度和表面質(zhì)量等方面的新要求瓣距，并提高數(shù)控機床產(chǎn)品本身的競爭力沈猜，從20世紀(jì)90年代中期開始滑频，綜合了高精度和高速化兩個方面的高性能數(shù)控機床受到高度重視腺逛，進入21世紀(jì)以來著拭，高性能切削加工（HighPerformance Cutting）及其主要支撐技術(shù)——虛擬數(shù)控加工(VirtualCNC Machining)技術(shù)成為數(shù)控切削加工領(lǐng)域?qū)W者和工程師們關(guān)注的新熱點纱扭。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)分別于2004年、2006年召開了第一儡遮、二屆高性能切削國際會議乳蛾，就高性能切削加工技術(shù)及裝備涉及的機床動力學(xué)建模、控制鄙币、CAM肃叶、切削理論、銑削/鉆削/磨削十嘿、微切削等方向進行了研討因惭，國內(nèi)舉行的先進制造技術(shù)方面的重要會議也已將高性能數(shù)控機床及加工工藝技術(shù)列為主題之一，可以說详幽，高性能數(shù)控機床研發(fā)及其支持技術(shù)研究應(yīng)用已成為數(shù)控機床發(fā)展的一個新趨勢筛欢。

　　本文結(jié)合國內(nèi)外文獻資料和作者及其團隊的部分研究工作，重點介紹和討論高性能數(shù)控加工裝備與技術(shù)的要求唇聘、高性能數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用蝴勉、虛擬數(shù)控加工技術(shù)以及面向零件工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學(xué)仿真方法研究等內(nèi)容。

　　高性能零件加工對數(shù)控切削加工裝備與技術(shù)的要求

　　現(xiàn)代裝備及產(chǎn)品中的高性能零件的特點體現(xiàn)在以下幾個方面。

　∩ぁ（1）材料特點舀蚕。

　　金屬材料零件是數(shù)控加工的主要對象，各種鋼盘瞄、鋁合金等占有很大比例厢申，鈦合金、高溫合金也有一定比例裹侍，金屬材料毛坯可以由鑄造钧饥、鍛造、預(yù)拉伸驳鸿、軋制等多種工藝制成嫩誉，此外，非金屬材料零件（主要是復(fù)合材料和光學(xué)硬脆性材料）的數(shù)控加工量也呈現(xiàn)增加的趨勢动苍。

　∩秀尽（2）結(jié)構(gòu)特點。

　　零件結(jié)構(gòu)種類多樣帘撰，如汽車及發(fā)動機的箱體跑慕、缸體/缸蓋、盤摧找、軸等零件核行，飛機壁板、梁慰于、框钮科、肋、緣條婆赠、長桁和接頭及骨架等結(jié)構(gòu)零件绵脯，航空發(fā)動機的葉片/葉盤/葉輪、機匣休里、盤環(huán)件等蛆挫。此外，由于高性能妙黍、輕量化和高可靠性的設(shè)計要求悴侵，采用整體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)的零件比例大大增加，因此零件幾何尺寸大酷雌、型面復(fù)雜灌滤、工藝特征多、壁厚小游禽。

　∮健（3）工藝特點健娄。

　　由于材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計上的特點，高性能零件數(shù)控切削加工過程中呈現(xiàn)出加工精度要求高尿笔、切削加工過程材料去除量大翁焦、加工變形控制難度大等特點，對加工質(zhì)量临颈、變形控制和加工效率提出了很高的要求茎倘。另外，現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展還要保證零件加工過程滿足日益嚴(yán)格的環(huán)境友好方面的要求蚂青。

　　高性能產(chǎn)品零件的材料租江、結(jié)構(gòu)和工藝的特點，對加工質(zhì)量蜻蒋、效率砂豌、成本以及環(huán)保等方面提出了更高的要求厢岂，高性能切削就是滿足上述要求而提出的一個新的理念光督。所謂高性能切削加工是指在數(shù)控切削加工過程中，全面考慮機床塔粒、刀具结借、工件、編程卒茬、加工工藝和參數(shù)等因素及其相互作用船老，采用幾何仿真、力學(xué)仿真的方法圃酵，通過對“機床-零件-刀具”工藝系統(tǒng)特性柳畔、數(shù)控程編、切削參數(shù)郭赐、走刀路徑等的分析薪韩，對切削加工過程進行綜合優(yōu)化，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)捌锭、高效俘陷、低成本及綠色的數(shù)控加工。

　　在高性能數(shù)控切削加工中秋降，高性能數(shù)控機床颁膊、高性能切削刀具、高性能數(shù)控編程與仿真系統(tǒng)(虛擬數(shù)控加工技術(shù))别逐、切削參數(shù)和工藝優(yōu)化技術(shù)及工具等是其關(guān)鍵的支撐技術(shù)撒殷。限于篇幅，本文討論的重點放在高性能數(shù)控機床與虛擬數(shù)控加工技術(shù)敢智。

　　高性能數(shù)控機床研究與應(yīng)用

　　1 高性能數(shù)控機床的主要特點

　　為滿足高性能數(shù)控切削加工的要求杏县，高性能數(shù)控機床應(yīng)具備如下主要特點：

　÷『住（1）多軸聯(lián)動。

　　一般為四軸或五軸的多軸聯(lián)動蹦争，或在五軸聯(lián)動控制基礎(chǔ)上還可以實現(xiàn)更多軸的控制以及實現(xiàn)復(fù)合加工聯(lián)動控制汪请。引入A/B、A/C坐標(biāo)的多軸聯(lián)動可方便地解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)和型面的加工問題瑞捂，如葉片贸左、復(fù)雜型腔、泵體酷麦、多面體等的加工矿卑；在多軸聯(lián)動基礎(chǔ)上實現(xiàn)的復(fù)合數(shù)控加工可以大大縮短工件定位裝夾等輔助工作時間，提高機床加工效率沃饶。

　∧竿ⅰ（2）高速主軸。

　　最大主軸轉(zhuǎn)速高于12000r/min糊肤，可高達42000r/min甚至更高琴昆，同時，主軸還應(yīng)提供足夠的功率和扭矩馆揉。高速主軸配合使用高性能刀具系統(tǒng)业舍，可以實現(xiàn)高速切削加工，如飛機大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速數(shù)控加工中升酣，切削線速度一般達1000～4000m/min舷暮，最高切削線速度可達5000m/min以上，同時噩茄，高主軸轉(zhuǎn)速使切削時的每齒進給量減小下面，從而減小了刀齒上的切削負荷。

　〖ㄆ浮（3）高動態(tài)響應(yīng)的進給系統(tǒng)董翻。直線進給軸速度可達30～60m/min或更高，新型數(shù)控機床的進給加速度可達到1～2g美卒，小型的數(shù)控機床可達更高芽嗓。高性能數(shù)控機床采用直線電機驅(qū)動的直線軸運動和力矩電機驅(qū)動的擺動軸運動，可大大簡化機械傳動結(jié)構(gòu)轿战，實現(xiàn)所謂“零傳動”班卖，并在軸運動控制器中對速度、加速度和加速度變化率的控制曲線(Profile)進行優(yōu)化载蜓，從而抑制運動過程中的諧振呆纤，獲得非常高的動態(tài)響應(yīng)特性，實現(xiàn)復(fù)雜型面肄绢、型腔加工過程中頻繁加減速條件下的高速進給屯片。

　∥藜邸（4）高精度。

　　直線軸定位精度在微米(μm)數(shù)量級床重，并可實現(xiàn)更高的位置精度琳柱。由于進給伺服中采用直線電機驅(qū)動、高精度高剛度運動部件構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)拙徽，并考慮進給系統(tǒng)中的機電耦合作用刨沦，采用全閉環(huán)反饋控制、PID+前饋控制甚至更復(fù)雜先進控制算法的數(shù)字伺服控制以及補償控制膘怕，數(shù)控機床的坐標(biāo)軸運動平穩(wěn)性和運動精度進一步提高想诅。

　　（5）高剛度岛心。

　　主軸系統(tǒng)来破、進給系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度以及熱穩(wěn)定性。足夠高的靜態(tài)剛度可以抵抗由于機床零部件重力和零件加工時的切削力引起的機床變形忘古，保證刀具與工件在切削過程中的靜態(tài)位移徘禁；優(yōu)良的動態(tài)特性可防止和減小切削過程中由于動態(tài)切削過程產(chǎn)生的強迫振動和自激振動，以滿足刀具與工件在切削過程中的動態(tài)位移要求存皂；良好的熱穩(wěn)定性使得機床在加工過程中受到切削熱晌坤、環(huán)境溫度變化等作用時，熱變形盡量小旦袋。最終，機床高靜動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性將使零件切削加工獲得好的表面質(zhì)量和高的切削效率它改。

　∥锫帧（6）智能化。

　　智能化是新一代數(shù)控機床的重要特征引苇。智能化主要表現(xiàn)在兩個方面怖征，一方面是機床控制的智能化，如在機床軸運動控制上引入前饋控制牌鹊、預(yù)測控制视以、魯棒控制等先進控制策略，在加工過程控制上引入自適應(yīng)控制己倾、學(xué)習(xí)控制等购哺。另一方面是將專家系統(tǒng)、自動檢測及自動補償功能等嵌入數(shù)控系統(tǒng)蔫迅，例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備自動編程與仿真人狞、機床狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷具藐、刀具自動管理及補償欢礼、機床熱變形/振動監(jiān)測與補償?shù)裙δ茯谂妫箶?shù)控機床具有更多的“智能”，提高數(shù)控系統(tǒng)的控制性能革半，從而實現(xiàn)機床和加工過程的智能化碑定、最優(yōu)化控制。

　　虛擬數(shù)控機床與虛擬加工技術(shù)

　　1 虛擬數(shù)控機床

　　在國際生產(chǎn)工程學(xué)會2005年的會議上又官，Y.Altintas不傅、C.Brecher、M.Weck赏胚、S.Witt等制造技術(shù)領(lǐng)域知名學(xué)者聯(lián)合發(fā)表了論文《VirtualMachine Tool》访娶，對虛擬機床技術(shù)、研究進展及挑戰(zhàn)進行了全面的論述觉阅。

　　本節(jié)的主要內(nèi)容來自他們的這篇重要論文以及作者的部分研究工作崖疤。虛擬機床VMT(VirtualMachine Tool)是實際機床產(chǎn)品的計算機仿真模型，也稱為機床的虛擬樣機典勇，它可以用來像真實的機床一樣進行演示劫哼、分析和測試。在設(shè)計過程割笙，可反復(fù)改變機床虛擬模型权烧，并仿真驗證各種設(shè)計，直到機床性能滿足要求勉惋。這種虛擬機床技術(shù)可以大大縮短機床產(chǎn)品開發(fā)周期励邓，顯著降低開發(fā)成本。采用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)現(xiàn)代數(shù)控機床的集成開發(fā)環(huán)境主要包括：

　　·機床零件的有限元計算丧爸；
　　·機床結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化窟礼；
　　·柔性多體耦合仿真；
　　·3D計算機輔助設(shè)計和運動學(xué)優(yōu)化驗带超；
　　·性能仿真匹配和測試绰尖。

　　VMT是數(shù)控機床分析仿真和設(shè)計優(yōu)化的有力工具，當(dāng)前VMT研究中需要解決的關(guān)鍵問題有：

　　·“剛性體+柔性體”耦合建模與分析方法昨宋；
　　·機械零件結(jié)合面動態(tài)特性分析與計算方法吹磕；
　　·“機械結(jié)構(gòu)+伺服系統(tǒng)”耦合的機電系統(tǒng)動態(tài)特性建模與分析；
　　·“機械結(jié)構(gòu)-伺服系統(tǒng)-切削過程”耦合建模與分析方法紧除；
　　·基于3D實體模型的性能樣機建模與分析方法壤牙。

　　2 虛擬數(shù)控加工

　　在實際零件加工之前，在虛擬環(huán)境中考慮機床運動學(xué)缔直、動力學(xué)抛虏、數(shù)控系統(tǒng)、空間精度套才、切削力迂猴、主軸轉(zhuǎn)矩/功率慕淡、加工誤差等，實現(xiàn)對加工過程的仿真和優(yōu)化沸毁，從而可以正確峰髓、經(jīng)濟和高效地加工出首件合格零件。虛擬加工的本質(zhì)可以認(rèn)為是對數(shù)控加工過程進行幾何仿真和力學(xué)仿真息尺，并在兩個仿真的基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)控加工切削參數(shù)和過程携兵。CAM仿真軟件、虛擬機床和切削過程動力學(xué)是虛擬加工的重要支持工具搂誉。

　　·NC程序幾何仿真——主要解決刀具干涉徐紧、碰撞檢查、NC程編錯誤導(dǎo)致的尺寸路徑誤差等炭懊，也可從幾何運動方面進行NC程序的部分優(yōu)化并级；
　　·機床結(jié)構(gòu)特性仿真——機床結(jié)構(gòu)動力學(xué)、靜力學(xué)和整體性能(整機進給和主軸驅(qū)動)仿真侮腹；
　　·加工動力學(xué)仿真——考慮機床動力學(xué)和切削過程擾動情況下的軌跡生成迈窗、插補、進給等仿真栋灿；
　　·加工過程優(yōu)化——對各種不同切削條件下的切削力惑妥、轉(zhuǎn)矩、功率浴瞭、振動示荠、生成表面等進行計算和仿真，經(jīng)過迭代比較進行切削參數(shù)和加工工藝的優(yōu)化浆酝。采用CAM仿真軟件對NC程序進行走刀軌跡仿真校驗焰垄、干涉校驗等的幾何仿真軟件已商品化，并在國內(nèi)制造企業(yè)大量應(yīng)用和爽。當(dāng)前，虛擬數(shù)控加工研究的重點是對切削過程中“機床+工件+工藝(切削過程)系統(tǒng)中的力學(xué)仿真問題锻转。

　　3 面向工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學(xué)仿真研究

　　對數(shù)控加工切削過程進行力學(xué)仿真儡簿，是虛擬機床和虛擬數(shù)控加工的基礎(chǔ)。作者領(lǐng)導(dǎo)的團隊自主開發(fā)了“數(shù)控銑削加工動力學(xué)仿真系統(tǒng)（SimuCut）”和“數(shù)控加工動力學(xué)特性測試與分析系統(tǒng)（DynaCut）”稽羔，目前已應(yīng)用于40多個航空侍瑟、航天、船舶丙猬、電子涨颜、兵器等軍工行業(yè)的數(shù)控加工車間，為銑削加工切削參數(shù)快速優(yōu)化茧球、提高機床切削加工效率提供了一條新思路和一套快捷方法及工具庭瑰，在國防科技工業(yè)千臺數(shù)控機床增效工程中星持，對單臺機床的提速增效已取得了明顯成效。為了進一步適應(yīng)實際數(shù)控加工過程中零件結(jié)構(gòu)弹灭、工藝特征的多樣性督暂，在解決銑削過程動力學(xué)仿真的基本問題后，我們進一步開展了面向加工工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學(xué)仿真穷吮，主要目標(biāo)是面向零件加工幾何特征（如側(cè)壁逻翁、深腔、拐角等）和不同走刀方（如直線捡鱼、圓八回、螺旋線、擺線等）逛径，考慮數(shù)控機床動態(tài)特性和工件材料特性撼烹，在不同的切削參數(shù)條件下，進行數(shù)控加工過程切削力丹蛀、主軸轉(zhuǎn)矩/功率根爆、加工振動、刀具變形/工件變形春陆、表面形貌等計算和仿真英鸵，根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，實現(xiàn)切削參數(shù)和加工過程優(yōu)化怠写，并可為虛擬數(shù)控機床和虛擬數(shù)控加工過程提供力學(xué)仿真方法和數(shù)據(jù)支持酿边。圖3給出了銑削加工常見的幾何特征之一——直角拐角等切深側(cè)銑加工時進行力學(xué)仿真時的輸入界面，給定刀具幾何參數(shù)竟恩、銑削方式恶恨、銑削用量、切削力系數(shù)伸坑、刀具模態(tài)等參數(shù)后痴猖，經(jīng)仿真計算可以得到各向切削力、切屑厚度念脯、主軸轉(zhuǎn)矩/功率狞洋、穩(wěn)定性曲線等。

　　結(jié)束語

　　高性能數(shù)控機床研發(fā)及其支持技術(shù)已成為數(shù)控機床發(fā)展的一個重要趨勢绿店，將對提高航空吉懊、航天、汽車假勿、模具等高性能零件的數(shù)控加工質(zhì)量借嗽、效率產(chǎn)生重要作用。虛擬機床技術(shù)為縮短新型數(shù)控機床產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開發(fā)成本提供了一個新的途徑恶导。但VMT不只是一個虛擬功能樣機浆竭，更不是一個簡單的3D模型，采用現(xiàn)有的CAD甲锡、CAE軟件還難以直接完成建模與分析兆蕉，其中最關(guān)鍵是需解決機床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)或零部件之間，及其與切削過程動態(tài)之間的耦合關(guān)系缤沦。虛擬數(shù)控加工技術(shù)將為虛擬機床建模分析虎韵、切削參數(shù)優(yōu)化、切削過程優(yōu)化等提供重要的基礎(chǔ)方法和基本數(shù)據(jù)赎冶。

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