基于數控加工仿真技術的研究綜述

摘 要：數控加工仿真技術能夠在數控加工進行的過程中將其準確、生動的展現出來，在檢驗加工程序是否可靠以及預測加工過程等方面是一種非常有效率的輔助工具。本文從物理仿真技術、幾何仿真技術以及圖像可視化技術3個方面說明了數控加工仿真技術的關鍵部分。并通過對這三個方面的技術分析說明了數控仿真技術未來的發展形勢。

關鍵詞：數控仿真技術；物理仿真技術；幾何仿真技術；圖像可視化技術

隨著社會的發展，計算機技術也在不斷的進步，從而使加工制造業等領域更加廣泛普遍的運用了計算機仿真技術。而數控加工仿真技術則是由于零件的數控加工中引入了計算機仿真技術而形成的。數控加工仿真技術在檢驗數控加工程序是否可靠以及預測加工過程等方面取得了重要的進展，是一種非常有效率的輔助工具。

一、物理仿真技術

物理建模是物理仿真技術的核心和應用基礎，其建立的模型主要包括表面粗糙度模型、切削力模型、切削溫度場模型、振動模型以及刀具磨損模型等。在加工的過程中，物理建模的傳統方法有解析、數值、解析以及機械等。

物理模型非常好用并且簡單，模型的基礎是工程實踐，比較著名的公式VT n =C，V代表的是切削速度，T代表的是刀具壽命，n代表工件材料刀具材料的指數，C代表工件材料刀具材料及其幾何參數有關的常數。此物理模型將切削速度與刀具壽命聯系在一起，刀具的壽命是依據切削的速度來預測的。

通過實驗證明，此物理公式具有很強的實用性，而且在其余的模型中如切削深度、切削溫度、切削力以及切削功率等也有所運用。但是如果加工要素發生了改變，公式模型中所需要的數據就需要從實驗中來獲取，然而實驗所需要的成本卻比較高，不能適應刀具和機床工件等關系的變化。模型的另一個短處是不能過去的加工不能給以后的學習提供經驗，從而在此基礎上產生了解析法模型。

理論預測模型是在剪切面和剪切區的基礎上進行預測切削力的一種方法，物理學家提出了有關切削力的滑移線場理論。盡管當前有50多種剪切角的關系，但是在切削的時候會發生比較復雜多樣的變化，導致物理模型在運用過程中不能將眾多因素進行綜合考慮，到目前為止，也沒有適合我們進行研究的理論預測物理模型。

數控仿真技術在動畫圖像運用方面多用于產品加工和驗證方面，并且仿真效果很真實，最終能實現驗證切實加工的目的。從而，圖像數控編程中用來刀位驗證的重要方式之一就是動態圖形的仿真技術。

二、幾何仿真技術

隨著幾何建模技術的不斷進步，幾何仿真技術也得到了很大的進步與發展。當前最常用的有直接實體造型法、離散矢量求交法、基于圖像空間和曲面技術的方法。

（一）直接實體造型法

人們在仿真數控切削中使用實體造型技術已經有20年的歷史，在幾何仿真的加工過程中使用直接布爾運算法，能夠精確地將切削的幾何信息表達出來。在使用直接實體造型法的時候主要有體素法和八叉樹法進行切割。

（二）離散矢量求交法

此方法是將要加工的實體根據一定的精確度將其轉化為數據點，再將這些數據點根據曲面法來求交運算。離散矢量法與像素沒有聯系，所以其仿真的實時性較好，能進行放大、旋轉等，并且能夠準確的測得誤差。使用這種方法能夠進行數據更新，這種方法是最簡單并且最常用的方法之一。

（三）以圖像空間為基礎的方法

以圖像空間為基礎的幾何仿真技術是將圖像空間的消隱法作為基礎進行布爾運算。這個方法的有點是節省成本，有較好的實時性。但同時此方法也存在缺點，即當人們進行加工時，不能放大、旋轉加工的結果，另外，由于毛坯的原始數據已經被轉化為像素數據，并且被轉化的像素點都是靠屏幕顯示的，不能將誤差準確的檢驗出來。

三、圖像可視化技術

上個世紀末，人們開始在NC切削加工的動畫仿真技術中引進了CG技術，并且取得了很好的研究成果。很多科學家將隱面消除法進行擴展，從而開發了一種新型的專用存儲器，能夠更好的將動畫的仿真效果展現出來。在集合過程中是根據像素運行的，所以在計算定量程序時很難直接運用工件形狀的模型。后來，人們又發明出了另一種仿真的方法，即NC加工仿真，這個方法是通過框素來顯示的，并且在框素中的寫像是利用工件形狀以及NC刀具進行的，在運算的時候利用刀具的移動來完成顯示仿真。通過使用這種方法能夠免除使用數學公式進行解析推導的過程，但是此方法也有一定的缺點，就是框素存儲量會制約對模型精確度的預測。

根據以上所述，動態仿真就是運用可視化技術以及動畫來研究的加工過程。通過分析運動的數據，來生成運動的軌跡這是實現圖像可視化技術的關鍵部分，這種模型可以運用于加工產品、刀位軌跡仿真以及仿真數據驗證等過程上。

四、數控加工仿真技術未來發展的趨勢

隨著制造業的發展，生產過程也逐漸變得高智能化以及高效率化，簡單的幾何仿真已經不能滿足人們對高品質的追求。加工生產中的關鍵是對產品質量的準確預測以及對參數的準確的評價。所以，在加工之前要對切削的過程進行預測、仿真并且進行合理的分析。但是在加工過程中存在著多種不確定性因素，比如形式的多樣性以及過程的復雜性。所以在以后的研究過程中應注重以下幾個方面：

1）建立切削試驗參數數據庫。

2）將實際加工機理與仿真機理融合到一起。

3）將研究內容的重點放在質量仿真模型的精確度上。

4）在數控加工仿真過程中要注重對物理仿真和幾何仿真的運用。

五、總結

通過對數控加工仿真技術的綜合研究，明白了此技術是驗證數控加工程序的強有力的工具，能檢驗其可靠性以及精確性，并且在以后的也有更好的發展方向。

參考文獻：

[1] 盛亮.基于實體的數控加工仿真關鍵技術的研究與實現[D].南京航空航天大學，2005.

[2] 李陽，趙永成，魏蘭.數控加工仿真技術研究綜述[J].系統仿真技術，2008（02）：111-116.

作者簡介：

董婷婷（1985-），南通工貿技師學院教師，特長數控銑加工中心編程與加工。