機械加工仿真技術分析

　　摘要：敘述了機械制造仿真技術的含義、構成及發展情況，分析了在擬實制造中占有重要地位的機械加工過程仿真。提出了機械加工過程仿真的系統結構、發展現狀與存在的問題，最后討論了車削加工過程進行仿真及其實現的可能性。
　　關鍵詞：擬實制造；車削過程；仿真
　　
　　擬實制造技術是指通過模擬從產品設計、制造到裝配的全過程，對設計與制造過程中可能出現的問題進行分析與預測，從而提出改進措施，以實現產品從開發到制造整個過程的優化，達到降低產品生命周期、減小開發風險、提高經濟效益的目的。而機械加工過程仿真在擬實制造中占有重要地位，它通過對機床－工件－刀具構成的工藝系統中的各種加工信息的有效預測與優化，為實際加工過程智能化提供了堅實的基礎，是研究加工過程的重要手段。
　　
　　一、擬實制造技術簡介
　　
　　（一）擬實制造系統的構成
　　從產品的開發角度講，擬實制造實際就是在計算機上全面仿真產品從設計到制造、裝配的全過程，貫穿了產品的整個生命周期，主要由五個階段組成：1、概念設計階段。包括產品的運動學分析與運動學仿真。2、詳細設計階段。指的是對產品整個加工過程的仿真模擬。包括對工件幾何參數及干涉進行校驗的幾何仿真過程、對加工過程中各項物理參數進行預測與分析的物理仿真過程及產品的裝配過程仿真。3、加工制造階段。包括工廠設計、制造車間設計、生產計劃與作業計劃調度及各級控制器的設計。4、測試階段。測試仿真器的真實程度。5、培訓與維護階段。訓練用仿真器，包括對操作員的培訓過程及產品的二維維護。因此，擬實制造可分為以下幾個工作層次：工廠級、車間級、調度級及具體的加工過程、各制造單元等層次。
　　（二）擬實制造技術的國內外發展情況
　　對于擬實制造技術，當前的研究重點主要集中在對該項技術的理論研究與各級仿真環境的構造與實踐的嘗試。理論研究包括對虛擬制造技術與虛擬制造系統（VMT/VMS）概念的探討，擬實制造系統的構成，整個系統中模型的構成、建模方法及模型的集成等。而在實踐嘗試方面則從實驗室角度實現虛擬工廠、虛擬車間的設計及工廠級、車間級各種設備的調度與信息的集成處理，各具體加工過程、加工單元的仿真等。在國內，VMT技術也得到極大重視。在模型的建模方法、生產過程模擬、控制等方面也作了大量的研究工作。同時將神經網絡、人工智能技術引入到VMS過程當中，建立了虛擬工廠級、車間級的設計與調度系統。
　　
　　二、機械加工過程仿真
　　
　　（一）機械加工過程仿真的發展現狀與存在的問題
　　目前進行的機械加工過程仿真，主要存在以下兩種情況：一種是從研究金屬切削的角度出發，仿真某具體切削過程內部各因素的變化過程，研究其切削機理，供生產實際與研究應用；另一種是將加工過程仿真作為系統的一部分，重點在于構造完整的擬實制造系統。但這兩種方式的仿真方法是相同的，即對機加工藝系統建立連續變化模型，然后用數學離散方法將連續模型離散為斷續點，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。
　　由于機加過程仿真還處于起步階段，所以目前還存在著一些問題：1、仿真的加工形式少，研究范圍窄。目前的仿真主要集中于銑、磨兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真也局限在很窄的范圍內。如銑削中多是仿真棒銑刀與端銑刀，而這種仿真系統對其它種類的銑刀，如加工成形表面則無能為力。其原因是機械加工種類繁多，存在著車、銑、刨、磨、鏜等多種加工形式；另一方面加工理論復雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別。目前，仿真系統進行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗等，又稱之為NC校驗。但在機械加工過程中，幾何校驗只是前提條件。2、物理仿真考慮理想狀態，與實際有較大差距。在目前的仿真系統中預先設定了大量假設因素，如設定工藝系統剛性要滿足無振動，加工材料結構統一、無硬點等缺陷，刀具無磨損等。這種假定的理想狀態不能將切削過程中的隨機干擾，如工件硬點造成的材質變化等因素考慮進去，使仿真系統不能真實反映實際切削過程。3、仿真手段限制仿真系統的發展。計算機技術的發展與仿真技術緊密相連，過去由于計算機軟、硬件的限制，仿真時間很長。目前應用C++語言及面向對象的方法開發仿真系統已成為發展潮流。
　　（二）機械加工過程仿真系統的結構
　　在擬實制造過程中，產品的詳細設計階段實際上就是對產品的機械加工過程的仿真，即對機床-工件-刀具構成的工藝系統中的各種信息的分析與預測。它包括幾何仿真與物理仿真兩方面的內容，幾何仿真包含刀位軌跡驗證，工件與機床、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測，主要有切削力、刀具磨損、切削振動、切削溫度、工件表面光潔度等。同時，幾何仿真、物理仿真及其中各要素之間有密切的聯系，如刀位軌跡與干涉、切削力直接影響到振動、工件表面質量、刀具磨損等。
　　（三）數控車削過程仿真的研究目標及方法
　　車削加工是目前應用最廣泛的加工方法之一，因此對數控車削加工過程進行仿真具有重要的理論研究與實際應用價值。
　　車削加工仿真將對車削加工能夠完成的各種工作如外圓、端面、倒角、螺紋、曲線等加工形式中的幾何及物理因素的變化情況進行模擬與預測，建立起面向車削加工的仿真系統，包括：1、建立起面向數控車床的完善的數控車削仿真系統，為實際生產過程提供可靠、優化的NC代碼，實現車削的智能加工。2、建立面向實際加工過程的仿真系統，綜合考慮實際加工中的各種干擾因素，使仿真過程高度真實地反映實際生產過程。3、由于具有對NC代碼進行了驗證與優化，能夠極大地避免實際加工過程中可能出現的各種異常現象，簡化了實際加工過程中檢測與診斷設備，提高了加工安全性與經濟效益。同時，仿真系統還能夠逼真地模擬車削加工過程，可以作為軟機床進行數控機床加工的培訓與維護工作。
　　（作者單位：雞西礦業集團有限責任公司焦化廠）