關于機械加工仿真技術的探討與研究

張皓天

【摘要】本文以機械制造仿真技術的含義、構成及發展情況為鋪墊，從發展現狀問題、系統結構等方面詳細分析了在擬實制造領域占有重要地位的機械加工過程仿真技術。并提出了數控車肖過程仿真的實現方法。

【關鍵詞】仿真技術 機械加工

擬實制造技術是指模擬產品從設計到制造再到裝配的全過程，其能夠發現產品制造過程中可能存在的問題，及時預測與分析問題原因，并提出改進措施，對于優化制造流程、減少產品開發風險、提高經濟效益具有十分重要的意義。機械加工過程仿真作為擬實制造技術的重要組成部分，能夠通過對機床一工件一刀具等一系列工藝系統的模擬、監測，獲得加工信息，進而對實際加工的問題進行預測與優化，提升實際加工過程的智能化水平。

一、擬實制造技術簡介

（一）擬實制造系統的構成。

擬實制造是產品開發中不可或缺的內容，其具體是指借助計算機技術對產品從設計到制造再到裝配等全過程進行全面仿真、模擬。擬實制造系統的流程涵蓋了實際產品生產的全生命周期，具體來講，其主要由五個階段構成：（1）概念設計階段。這一階段主要完成對產品的運動學仿真分析，為下一階段提供總體思路。（2）詳細設計階段。這一階段需要對產品加工的全流程進行仿真模擬，包括分析與預測加工過程中的各項物理參數、物理仿真過程、工件幾何參數，校驗幾何仿真過程、對產品的裝配進行仿真等等。（3）加工制造階段。這一階段是前期設計階段的理論驗證階段，是擬實制造系統的核心，包括作業計劃與生產計劃調度、工廠設計、制造車間設計以及控制器設計等。（4）測試階段。運行仿真加工過程，監測其同實際生產的差距，發現其中存在的問題。（5）培訓與維護階段。對仿真器使用者進行培訓，包括生產過程培訓以及二級維護培訓。由上述擬實制造系統的五個運行階段我們可以看出，擬實制造按流程可劃分為五個工作層級，即工廠級、車間級、調度級（含具體仿真加工過程）、各制造單元。

（二）擬實制造技術的國內外發展情況。

現階段，擬實制造技術的研究重點仍集中于技術理論研究以及對各級仿真環境的構造與實踐嘗試。具體來講，技術理論研究的主要內容包括整個擬實系統的建模方法、模型構成與集成方式以及近年來流行的虛擬制造技術、虛擬制造系統的應用與衍伸等。對各級仿真環境的構造與實踐則主要包括具體加工過程、加工單元的仿真以及實驗室角度的虛擬工程與虛擬車間設計、對工廠級設備的調度、對車間級設備的管理、信息的集成處理等等。目前，在國內，虛擬制造技術得到了制造業的高度重視，許多科研機構、企業投入到了虛擬制造技術生產過程模擬、建模方法等方面的研究當中，與此同時，人工智能以及神經網絡等高端新興科技也被引入到了虛擬制造系統中，虛擬工廠級、車間級的設計與調度得到優化與提升。

二、機械加工過程仿真

（一）機械加工過程仿真的現狀與問題。

目前，機械加工過程仿真主要有以下兩種情況：（1）以加工過程仿真為系統主要內容，構造完整擬實制造系統。（2）采用金屬切削方式，對機械加工過程中各內部因素的變化與作用情況進行仿真模擬，研究其切削原理，為實際生產提供理論基礎。上述兩種機械加工過程仿真所基于的原理是相同的，都是根據實際需求對機械加工工藝系統建立連續變化模型，而后采用數學離散法計算出其中的斷續點，再通過對這些斷續點的物理因素變化來仿真加工過程。

機械加工過程仿真存在的問題主要有：（1）物理仿真同實際生產差距較大。現階段的機械加工過程仿真是基于理想狀態展開的，其中有大量人為的假設因素。這種理想狀態不能將所有可能存在的情況考慮進來，因而不能真實反映實際生產的狀況。（2）加工范圍與形式仍不能滿足需要。國內機械加工過程仿真仍主要以銑、磨為主，仿真技術對這兩種工藝的應用范圍仍然很窄。（3）仿真手段仍較為低端。由于計算機軟硬件的限制，仿真技術的精確度不高，發展速度也較慢。

（二）機械加工過程仿真系統的結構。

機械加工過程仿真系統屬于擬實制造的第二階段一一詳細設計階段，這一階段需要對機床一工件一刀具所構成的仿真系統中的參數與信息進行分析、預測。

（三）數控車削過程仿真的方法。

車削加工是目前應用最廣泛的機械加工方式，數控車削加工仿真能夠實現多種情況的模擬，具有十分重要的應用價值。具體來講，數控車削過程仿真能夠完成外圓、端面、倒角、螺紋、曲線等各種加工形式的模擬與預測，其實現過程包含三個環節：（1）建立完善的數控車床車削仿真系統，優化NC代碼，實現車削智能加工。（2）綜合考慮實際加工中可能存在的問題，盡可能還原實際生產過程。（3）對仿真過程中檢測出的問題進行收集與分析，從而為實際生產提供依據。

三、結語

機械加工過程仿真能夠逼真地模擬車削加工過程，最大程度減少實際加工過程中可能出現的異常現象，簡化了加工過程中檢測及診斷設備，降低了企業成本，提高了加工安全性與經濟效益。

參考文獻：

[1]黃雪梅.擬實制造的機械加工過程仿真[J].機械制造自動化，2000（12）.