面向虛擬制造的數(shù)控加工仿真技術(shù)研究

林柔紅

摘 要：對(duì)國(guó)內(nèi)制造業(yè)現(xiàn)有的情況進(jìn)行了分析，闡述了虛擬制造的技術(shù)和特點(diǎn)以及虛擬制造對(duì)制造業(yè)數(shù)控加工的工作過(guò)程的影響。

關(guān)鍵詞：虛擬制造；數(shù)控加工；加工周期；前期設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.058

制造業(yè)一直以來(lái)都是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的逐步加快，制造業(yè)的弊端也逐漸體現(xiàn)出來(lái)，比如產(chǎn)品生產(chǎn)水平低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)備水平不及國(guó)際先進(jìn)水平的10%；生產(chǎn)調(diào)度缺失，往往會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品分散、協(xié)調(diào)性差的問題；技術(shù)水平差，以往加工零件都是根據(jù)加工者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)試切，以檢查加工的準(zhǔn)確性和零件是否達(dá)到預(yù)期目的，這不僅延長(zhǎng)了加工周期，還增加了成本；生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)備老舊，生產(chǎn)工藝落后，人才儲(chǔ)備不足，導(dǎo)致企業(yè)的發(fā)展緩慢。為了解決這一系列問題，我們將虛擬制造技術(shù)運(yùn)用到了產(chǎn)品的前期設(shè)計(jì)、加工中來(lái)。

1 虛擬制造的技術(shù)及特點(diǎn)

虛擬制造技術(shù)指的是產(chǎn)品在成批量加工前，不需要制作實(shí)物樣品，而是運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬軟件，比如CAD/CAM/CAE技術(shù)等建模軟件來(lái)完成產(chǎn)品的虛擬加工制造，并檢驗(yàn)產(chǎn)品各個(gè)機(jī)構(gòu)零部件間的裝配關(guān)系是否合理，NC加工路徑是否有撞刀或過(guò)切的現(xiàn)象。如果有錯(cuò)誤的，則可以及時(shí)反饋并在軟件中修改、更正，重新修改零件加工路徑以及零件整體的裝配尺寸，從而符合要求。這一系列工作都可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，因此，可以運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)完成。通過(guò)虛擬制造技術(shù)可節(jié)省時(shí)間，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，從而控制成本，大大提高了產(chǎn)業(yè)在同行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 虛擬制造相對(duì)數(shù)控加工的過(guò)程

虛擬制造的第一步就是了解工作的目標(biāo)是什么，要整體了解客戶的需求，所需產(chǎn)品的要求，細(xì)心聽取客戶意見并整理歸納，總結(jié)出產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)、功能特征、性能要求。從而進(jìn)行后期的產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)、工藝安排、產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)后期裝配、虛擬運(yùn)行等。經(jīng)過(guò)客戶的反復(fù)驗(yàn)收，直至獲得客戶的認(rèn)可后，方可進(jìn)行實(shí)物制作。

虛擬制造首先要設(shè)計(jì)的是最基本的零部件，對(duì)于零部件的設(shè)計(jì)，通常我們都會(huì)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)件，這樣會(huì)大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，也使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品有極高的通用性。一般情況下，優(yōu)先進(jìn)行齒輪齒條、鏈輪、螺栓螺母、切削螺紋的設(shè)計(jì)，后進(jìn)行一些獨(dú)立零件機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而完成某種特定的運(yùn)動(dòng)方式，達(dá)到預(yù)期的工作目標(biāo)。這些都可以采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的理論公式、參數(shù)不斷修改，并運(yùn)用有限元分析、邊界元檢查、實(shí)驗(yàn)檢查等方法，完成虛擬制造中的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和多次優(yōu)化更改。

由于設(shè)計(jì)的零部件都是用的國(guó)標(biāo)和圖集的最高基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，所以，為今后的維修、更換提供了保障。對(duì)于每個(gè)零件，都是經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，已經(jīng)滿足強(qiáng)度、韌性、疲勞強(qiáng)度、靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡等要求，形成的各種零件的外形、用途、行為意圖等屬性的結(jié)果滿足性能要求后，再經(jīng)過(guò)外形的美觀設(shè)計(jì)，確定表面顏色、紋理渲染，產(chǎn)出最終成品模型。

虛擬設(shè)計(jì)由虛擬制造設(shè)備來(lái)完成，此處的虛擬設(shè)備就是一個(gè)模擬的數(shù)控加工仿真設(shè)備，以上的零部件都是由這個(gè)虛擬的數(shù)控加工設(shè)備來(lái)完成制作的，且大多數(shù)獨(dú)立設(shè)計(jì)的零部件機(jī)構(gòu)都需要加工制作。對(duì)于加工零件的設(shè)備，可在虛擬的設(shè)備中體現(xiàn)設(shè)備的功能特征和形態(tài)特征，比如數(shù)控機(jī)床的工作主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等。對(duì)設(shè)計(jì)的零部件先采用CAD、Solidworks、Pro-E、UG等軟件進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，再將各個(gè)機(jī)構(gòu)分解成每個(gè)零部件，比如鏈輪機(jī)構(gòu)分解為主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、鏈條、主軸、從動(dòng)軸等，然后將各個(gè)零件分別放入虛擬的數(shù)控設(shè)備，確定好基準(zhǔn)坐標(biāo)，依照坐標(biāo)的變換關(guān)系完成動(dòng)作的運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)模塊具備了虛擬的數(shù)控設(shè)備的各種運(yùn)動(dòng)功能，虛擬數(shù)控機(jī)床由外部輸入的數(shù)據(jù)控制，設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并輸出相對(duì)應(yīng)的控制運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制相應(yīng)的幾何模塊的位置變換和運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模擬的物理設(shè)備加工運(yùn)行。依托各個(gè)模塊設(shè)備的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)支配相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)模塊都以規(guī)定好的數(shù)控參數(shù)運(yùn)動(dòng)。具體而言，應(yīng)先確定原始坐標(biāo)基準(zhǔn)、加工坐標(biāo)基準(zhǔn)、機(jī)床原點(diǎn)、加工原點(diǎn)，并依據(jù)數(shù)控銑刀插補(bǔ)的原則，確定銑刀轉(zhuǎn)速、走刀速度、加工距離，根據(jù)不同的數(shù)控加工系統(tǒng)原代碼編制圓弧刀路、直線刀路、拋物線刀路插補(bǔ)規(guī)則。虛擬的數(shù)控加工可以很好地檢查和避免加工工藝中的工裝夾具、加工刀具和被加工工件在加工過(guò)程中出現(xiàn)的碰撞。在試駕加工前，先進(jìn)行虛擬加工，確定不會(huì)存在撞刀損壞機(jī)床和零件過(guò)切的情況后，方可進(jìn)行實(shí)際加工。對(duì)于加工使用的虛擬的數(shù)控設(shè)備，應(yīng)嚴(yán)格控制主軸的快慢轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)向、單軸運(yùn)動(dòng)、多軸聯(lián)動(dòng)、換刀等。產(chǎn)品加工過(guò)程如圖1所示。

基于以上虛擬制造的數(shù)控加工的方式，形成了一整套虛擬三位加工系統(tǒng)，此系統(tǒng)由虛擬的數(shù)控加工系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，把機(jī)械零部件從毛坯的形式裝換成成品。此過(guò)程全程在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行。設(shè)計(jì)者全程監(jiān)控零件加工過(guò)程中的撞刀和過(guò)切現(xiàn)象以及后期的成品裝配，從而評(píng)定零件機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的可行性。此外，還可以為數(shù)控加工的學(xué)員提供直觀的學(xué)習(xí)過(guò)程，避免在實(shí)際操作時(shí)的誤操作損壞設(shè)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，企業(yè)對(duì)虛擬制造技術(shù)的需求越發(fā)重視。虛擬制造引入數(shù)控加工大大提高了企業(yè)的發(fā)展速度。通過(guò)虛擬的設(shè)計(jì)和制造，縮短了實(shí)際加工中的加工時(shí)間，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟(jì)性，數(shù)控加工技術(shù)的虛擬制造引入有效促進(jìn)了我國(guó)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)方面的快速發(fā)展。虛擬制造的出現(xiàn)讓我國(guó)在工業(yè)方面的發(fā)展緊追全球化經(jīng)濟(jì)的腳步?；谔摂M制造的創(chuàng)新發(fā)展，必定會(huì)對(duì)我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的推動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕