机电仿真虚拟制造加工

　　摘要：机电一体化技术是跨越学科技术，近年发展迅速，使得机械加工日新月异。集成了虚拟制造技术的含义、构成及发展情况，分析了在虚拟机械制造过程中仿真。提出了机械加工过程仿真的系统结构、发展现状存在的问题，讨论加工过程仿真及其实现的可行性。
　　关键词：虚拟制造、加工过程仿真、信息模型CAD／CAM
　　一、前言
　　激烈的市场竞争促使企业在生产实践与市场流通中，强化产成本核算认识到对机械制造业不断提出新的要求，新一代工厂自动化模式之一覆盖了产品整个生命周期，新产品的开发是决定性因素，虚拟制造技术(VMTVirtualManufacturingTechnology)可以模拟产品设计，制造到装配全过程，对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测，建立数据模型、提出措施、降低产品生命周期、提高经济效益、实现信息交换与共享的目的。为了实际加工过程的智能化实现创造了有利的条件，也研究加工过程的重要手段。
　　二、虚拟制造技术
　　1.虚拟制造系统构成
　　在国民经济生产和生活中广泛使用各种自动机械，自动生产线及各种自动设备，促使企业形成网络制造，虚拟制造。从产品开发角度来讲，虚拟制造实际上就是在计算机上全面仿真产品从设计到制造，装配的全过程，贯穿着产品整个生产周期。
　　1）概念设计阶段包括产品的运动学分析与运动学仿真。
　　2）详细设计阶段对产品整个加工过程的仿真摸拟，包括对工件几何参数及干涉进行校验的几何仿真过程、对加工过程中各项物理参数进行预测与分析的物理仿真过程及产品的装配过程仿真。
　　3）加工制造价段生产计划与作业计划调度及各级控制器的设计。
　　4）测试阶段测试仿真器的真实程度。
　　5）培训与维护价段训练用访真器、Pro／E、CAD／CAM
　　仿真虚拟制造采用CAD／CAM就是按照产品设计——制造的实际进程，在计算里实现应用程所需要的信息处理和交换，形成连续的，协调的和科学系统，直接体现了设计意图，便于组织生产，设计图样更容易修改，有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工检验部门之间的联系，并及时得到意见反馈，才是解决产品模型建立的可靠途径。
　　2．虚拟制造技术的发展情况
　　在国内，虚拟制造技术也得到极大重视，在模拟的建模法，生产过程模拟，控制等方面做了大量的研究工作。同时将神经网络、人工智能技术引到虚拟制造中去，而在实践尝试模拟中各种设备的调度与信息信集成处理，各具体加工过程、加工单元的仿真等。
　　三、机械加工过程仿真
　　1．机械加工过程仿真的现状与存在问题
　　目前进行的机械加工过程仿真，主要有两种情况；一种是从研究金属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，切削机理、供生产实际与应用；另一种则是在于构造完整的虚拟制造系统。这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对机加工艺系统的输入信息是市场信息和管理信息成为质量保证系统，制造自动化分系统、管理信息分系统的输入，提供有关产品几何数据、零件、原材料的基本数据、图纸、零件明细，产品结构、标准规范、加工、装配与检验规程和程序等。然后通过分析各物理因素变化情况来仿真加工过程。
　　在众多的切削加工种类与工式中，仿真主要集中于铣、车等多种加工方法。仿真局限在很窄的范围内。如铣削中多是仿真棒铣刀和端面铣刀，而这种仿真系统对其他种类的铣刀(如加工成形表面用铣刀)却无能为力。其原因是机械加工种类繁多，存在着车、铣、刨、磨、镗等多种加工形式；另一方面加工理论复杂，一同的加工方法，刀具形状的加工模型有较大差别。同时，目前的仿真系统大多进行几何仿真，即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉及校验等，但在机加工过程中，几何校验只是前提条件，重要是切削力、刀具振动与刀具磨损等在切过程中起决定因素的各物理量。如设寂静工艺刚性满足要求，无振动；中工材料结构统一，无硬点等缺陷；刀具无磨损；切削要素不发生变化，理想状态不能将切削过程中的随机干扰如工件硬点造成的材质变化，振动造成的切深变化等因素考虑进去，使仿真系统不能真实地反映实际切削过程。计算机技术的发展与仿真技术紧密相连，今后的机加工仿真系统将朝着快速运行、面向多种加工形式、更加符合实际状况的方向发展。
　　虚拟制造过程中，产品设计阶段实际上就是对产品的机械加工过程的仿真，即对机床一工件一刀具构成的工艺系统中的各种信息的分析与预测，它包括几何仿真与物理仿真两方面的内容，几何仿真包含刀位轨迹验证，工件与机床、刀具的干涉校验；物理仿真包括对各种物理因素的分析与预测，主要有切削力、刀具磨损、切削温度、工件表面粗糙度。同时，几何仿真、物理仿真及其中各要素之间有着密切联系，如刀位轨迹与干涉、切削力真接影响到振动、工件表面质量、
　　刀具磨损等。
　　2．机械加工过程仿真零件特征
　　1）形状特征：零件上有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的一个特寂静的功能及其特定的加工方法集。
　　2）精度特征：用于表达零件各要素尺寸公差、形状公差、位置和表面粗糙度等要求信息。一般开位公差除公差项目名、公差值、基准外、还应包含公差检原则(如包容原则、最大实体原则等)。精度特征是形成零件质量指标的主要依据。
　　3）技术特征：用于描述零件的性能、功能等相关领信息。零件动行过程中工况条件，载荷与约束条件，为CAD提供模拟信息，为性能实验，分析计算、优化，有限元前处提供条件。
　　4）材料特征：零件材料的类型、理化指标及热处理等特殊要求、表面处理的信息集合。
　　5）装配特征：用于表达零件在装配过程中所需用的信息，如与其它零件之配合、配作等关系、装配尺寸链信息、父项子项的信息。为装配工艺提供必要的信息。如组成产品的零部件之间在装配中的关系可为：形状特征和精度特征与零件建模直接相关的特定工艺的依据，是质量保证系统制定质量检测规划的依据。
　　四、结论
　　对于解决制造业的TQCS问题，虚拟制造技术具有广阔的市场前景，并已得
　　到了国内外科研机构和企业的广泛关注。作为实现虚拟制造的一个重要组成部分，虚拟数控机床技术的开发和应用，有助于提高生产率、降低成本。本文在对虚拟制造的发展状态进行分析的基础上，建立了虚拟数控机床的体系结构，采用VR技术在场景图中实现虚拟机床子系统，并由NC解释模块、运动控制模块和操作面板模块完成虚拟数控子系统的相应功能；完成了NC程序编译、刀具轨迹计算、虚拟数控机床的运动控制和对工件模型的切削计算。
　　虚拟制造技术是一门新兴技术，它面向系统的全生命周期和全系统，使研究、开发和使用者之间的联系更为有效，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程，并通过全生命周期协同利用仿真技术来降低技术风险、提高产品质量、缩短研制周期、降低成本、增强企业竞争力。
　　目前，我国对虚拟数控机床的研究还处在起步阶段，对下列问题还需要深人研究与探讨：
　　(1)虚拟制造中人机协调的深人研究。对人和计算机在制造分析过程中的角色、相互作用方式和协同方法进行更深人的研究。
　　(2)从制造分析的角度，研究如何更好地利用虚拟现实技术来分析和解决可制造性问题。
　　(3)对虚拟制造系统与其它分析设计系统之间的集成体制进行研究。
　　参考文献
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