淺談虛擬加工技術(shù)與高效加工技術(shù)的結(jié)合

黃瑋

摘 要：隨著近年精益生產(chǎn)、柔性制造等技術(shù)在機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展，對(duì)加工中心利用效率的要求也日益提高。本文將主要討論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高效加工技術(shù)結(jié)合的優(yōu)劣，并舉例分析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬加工；高效加工；HEM

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）14-0012-03

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正日益深入地滲透到機(jī)械加工行業(yè)的方方面面。車削、銑削，沖切，折彎等等，現(xiàn)代最新的加工設(shè)備正在提供著越來(lái)越多的虛擬加工驗(yàn)證技術(shù)?，F(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)允許一個(gè)設(shè)計(jì)在草稿階段就開始對(duì)其整個(gè)零件生命周期進(jìn)行驗(yàn)證分析。例如通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尋求最合適材料，利用有限元技術(shù)分析零件使用壽命等等。虛擬加工技術(shù)，恰恰解決的是零件加工過(guò)程的驗(yàn)證和優(yōu)化。

1 技術(shù)背景

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

引用Larijani在1994年的描述，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是“一種由計(jì)算機(jī)合成的，允許人們通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌诨?dòng)，對(duì)模擬出來(lái)的物理元素進(jìn)行操縱的環(huán)境”。虛擬現(xiàn)實(shí)，具有4大關(guān)鍵特征：

多感知性：指除視覺(jué)感知外，還應(yīng)具有如聽覺(jué)觸覺(jué)等一切必要的感知功能。

存在感：指用戶感受自身存在模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。

自主性：指虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界物理運(yùn)動(dòng)定律動(dòng)作的程度。

交互性：指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體（對(duì)象）的可操作可溝通程度。

1.2 虛擬制造加工技術(shù)

脫胎自VR，虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturing，VM）是一種基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的，利用CAD模型，對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行模擬現(xiàn)實(shí)加工制造的技術(shù)。作為生產(chǎn)加工系統(tǒng)的延伸，VM主要被用于在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，對(duì)產(chǎn)品的某些性能（如可靠性，工序工藝可行性等）進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。VM技術(shù)提供了一個(gè)虛擬測(cè)試平臺(tái)，在相當(dāng)程度程度上節(jié)約了傳統(tǒng)模式下可能耗費(fèi)的大量時(shí)間和資源。

虛擬加工（Virtual Machining）是虛擬制造技術(shù)的其中一個(gè)重要分支。在虛擬加工系統(tǒng)中，操作員通過(guò)操作界面與系統(tǒng)互動(dòng)。系統(tǒng)將模擬生成作為中間介質(zhì)的虛擬原材料，并使用對(duì)虛擬刀具（Virtual Machine Tool，VMT）依據(jù)準(zhǔn)備好的NC加工程序?qū)μ摂M原料進(jìn)行虛擬加工。整個(gè)虛擬加工過(guò)程中，虛擬原料的物理形狀將發(fā)生改變（布爾運(yùn)算原理），并實(shí)時(shí)反映出理想狀態(tài)下當(dāng)前CNC程序執(zhí)行時(shí)被加工件的形態(tài)和狀態(tài)。同一時(shí)間，系統(tǒng)將檢查諸如加工工件、刀具、夾具等部件之間可能產(chǎn)生的碰撞和干涉等失誤，記錄到日志中，并生成干涉檢查報(bào)告。系統(tǒng)也將會(huì)把經(jīng)虛擬加工完成的虛擬成品呈現(xiàn)給操作完檢查。

1.3 高效加工技術(shù)

有別于傳統(tǒng)高速加工技術(shù)（HSM）把精力集中在機(jī)床的進(jìn)給速率和主軸轉(zhuǎn)速，高效加工技術(shù)（HEM）側(cè)重于優(yōu)化切削效率，以獲得最大的材料切除率，進(jìn)而達(dá)到全過(guò)程的循環(huán)時(shí)間最小化。在虛擬加工系統(tǒng)的輔助下，可以精確獲得出每個(gè)單位時(shí)間下刀具對(duì)原料的切削量。利用這些數(shù)據(jù)，HEM將精確計(jì)算出切除這些材料所需的最優(yōu)切削力矩，進(jìn)而計(jì)算出最優(yōu)的進(jìn)給速率和主軸轉(zhuǎn)速（圖1a）。于此同時(shí)，HEM還可以一定程度上降低加工過(guò)程對(duì)刀具的磨損。下圖（圖1b）是CGTech公司2007年在相同測(cè)試環(huán)境下HSM和HEM對(duì)刀具磨損影響的分析對(duì)比。

2 虛擬加工驗(yàn)證與高效加工技術(shù)結(jié)合

為進(jìn)一步了解VM與HEM結(jié)合對(duì)現(xiàn)實(shí)加工行業(yè)帶來(lái)的影響，此處搭建一個(gè)仿真對(duì)比試驗(yàn)。本試驗(yàn)所選用的工具、軟件平臺(tái)信息如表1。

依據(jù)機(jī)床相關(guān)數(shù)據(jù)，在PTC Pro/ENGINEER上建立機(jī)床簡(jiǎn)易模型，導(dǎo)入虛擬加工平臺(tái)VERICUT，并建立輸入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系信息（圖2）。

本例選用了PTC Pro/ENGINEER 樣例零件庫(kù)中的某曲軸連桿模型作為對(duì)象，使用建議開模功能制作了如下圖示的工件作為虛擬加工成品零件（圖3）。

虛擬零件導(dǎo)入Pro/TOOLMAKER，新建如下所示刀具清單（表2），查手冊(cè)計(jì)算出相應(yīng)的進(jìn)給和轉(zhuǎn)速（表3），并根據(jù)軟件建議自動(dòng)生成CNC加工程序（圖4）。

建立虛擬原料和夾具，把所有相關(guān)信息導(dǎo)入虛擬加工系統(tǒng)，進(jìn)行虛擬加工驗(yàn)證，如圖5。

進(jìn)行OptiPath分析（CGTech VERICUT平臺(tái)上的一種HEM優(yōu)化技術(shù)），再次進(jìn)行虛擬加工驗(yàn)證，如圖6。

根據(jù)此模擬結(jié)果，經(jīng)傳統(tǒng)自動(dòng)加工編程并手動(dòng)優(yōu)化的程序，與經(jīng)OptiPath技術(shù)優(yōu)化的程序相比較，在本試驗(yàn)平臺(tái)上，獲得了39%的整體加工時(shí)間縮短?？紤]到本試驗(yàn)所選用的工件可能并不具備普遍代表性，引用CG Tech公司的官方研究數(shù)據(jù)，此種HEM衍生技術(shù)一般可提高10-30%的加工能效。

3 結(jié)論

綜上描述分析和試驗(yàn)結(jié)果，虛擬加工VM與高效加工HEM技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用在實(shí)踐上具有相當(dāng)廣闊的前景，具備顯著提高機(jī)械加工行業(yè)生產(chǎn)效率的潛力。

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