虚拟制造的机械加工过程仿真的现状与存在问题

1、前言

制造业的发展对产品性能、规格、品种不断提出新的要求，产品的生命周期越来越短，新产品的开发时间是决定性因素。虚拟制造技术(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模拟由产品设计、制造到装配的全过程，对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测，提出改进措施，实现产品从开发到制造整个过程的优化，达到降低产品生命周期、减小开发风险、提高经济效益的目的。而机械加工过程仿真在虚拟制造中占有重要地位，它通过对机床—工件—刀具构成的工艺系统中的各种加工信息的有效预测与优化，为实际加工过程的智能化实现创造了有利条件，同时它也是研究加工过程的重要手段。

2、虚拟制造技术

从产品的开发角度讲，虚拟制造实际上就是在计算机上全面仿真产品从设计到制造、装配的全过程，贯穿着产品的整个生命周期。虚拟制造主要由以下五个阶段组成：

●概念设计阶段　包括产品的运动学分析与运动学仿真。

●详细设计阶段　指的是对产品整个加工过程的仿真模拟，包括对工件几何参数及干涉进行校验的几何仿真过程、对加工过程中各项物理参数进行预测与分析的物理仿真过程及产品的装配过程仿真。

●加工制造阶段　包括工厂设计、制造车间设计、生产计划与作业计划调度及各级控制器的设计。

●测试阶段　测试仿真器的真实程度。

●培训与维护阶段　训练用仿真器，包括对操作员的培训过程及产品的二维维护。

虚拟制造可分为以下几个工作层次：工厂级、车间级、调度级、具体的加工过程及各制造单元等层次。因此虚拟制造技术可仿真现有企业的全部生产活动，并能够对未来企业的设备布置、物流系统进行仿真设计，从生产制造的各个层次进行工作，达到缩短产品生命周期与提高设计、制造效率的最佳目的。

3、机械加工过程仿真

3.1　机械加工过程仿真的现状与存在问题

目前进行的机械加工过程仿真，主要有两种情况：一种是从研究金属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机理，供生产实际与研究应用;另一种则是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于构造完整的虚拟制造系统。这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对机加工艺系统建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为离散点，通过分析这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。

由于机加过程仿真还处于起步阶段，目前尚存在以下问题：

(1)仿真的加工形式少，研究范围窄

在众多的切削加工种类与形式中，目前的仿真主要集中于铣、磨两种。即使在这两种加工方法上，仿真也局限在很窄的范围内。如铣削中多是仿真棒铣刀和端铣刀，而这种仿真系统对其他种类的铣刀(如加工成形表面用铣刀)却无能为力。其原因是机械加工种类繁多，存在着车、铣、刨、磨、镗等多种加工形式；另一方面加工理论复杂，不同的加工方法、刀具形状的加工模型有较大差别。同时，目前的仿真系统大多进行几何仿真，即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉校验等，有称之为NC校验(NC Verification)。但在机加过程中，几何校验只是前提条件，更为重要的是切削力、刀具振动及刀具磨损等在切削过程中起决定因素的各物理量。

(2)物理仿真过程都是考虑理想切削状态，与实际切削过程有较大差距

在目前的仿真系统中预先设定了大量假设因素，如设定工艺系统刚性满足要求，无振动;加工材料结构统一，无硬点等缺陷；刀具无磨损;切削要素不发生变化等。这种假定的理想状态不能将切削过程中的随机干扰如工件硬点造成的材质变化、振动造成的切深变化等因素考虑进去，使仿真系统不能真实地反映实际切削过程。

(3)仿真手段限制仿真系统的发展

计算机技术的发展与仿真技术紧密相连，过去由于计算机软硬件的限制，仿真时间很长。编码工作量大，程序可读性、维护性差，这些都为仿真工作带来困难。目前应用C++语言及面向对象的方法开发仿真系统已成为发展潮流。

以上问题已引起研究人员的重视，今后的机加工仿真系统将朝着快速运行、面向多种加工形式、更加符合实际状况的方向发展。3.2　机械加工过程仿真系统的结构

在虚拟制造过程中，产品的详细设计阶段实际上就是对产品的机械加工过程的仿真，即对机床—工件—刀具构成的工艺系统中的各种信息的分析与预测，它包括几何仿真与物理仿真两方面的内容。几何仿真包含刀位轨迹验证，工件与机床、刀具的干涉校验;物理仿真包括对各种物理因素的分析与预测，主要有切削力、刀具磨损、切削振动、切削温度、工件表面粗糙度等。同时，几何仿真、物理仿真及其中各要素之间有着密切的联系，如刀位轨迹与干涉、切削