摘要：機(jī)電一體化技術(shù)是跨越學(xué)科技術(shù)，近年發(fā)展迅速，使得機(jī)械加工日新月異。集成了虛擬制造技術(shù)的含義、構(gòu)成及發(fā)展情況，分析了在虛擬機(jī)械制造過程中仿真。提出了機(jī)械加工過程仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)狀存在的問題，討論加工過程仿真及其實(shí)現(xiàn)的可行性。
　　關(guān)鍵詞：虛擬制造、加工過程仿真、信息模型CAD／CAM
　　一、前言
　　激烈的市場競爭促使企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐與市場流通中，強(qiáng)化產(chǎn)成本核算認(rèn)識(shí)到對機(jī)械制造業(yè)不斷提出新的要求，新一代工廠自動(dòng)化模式之一覆蓋了產(chǎn)品整個(gè)生命周期，新產(chǎn)品的開發(fā)是決定性因素，虛擬制造技術(shù)(VMTVirtualManufacturingTechnology)可以模擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造到裝配全過程，對設(shè)計(jì)與制造過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與預(yù)測，建立數(shù)據(jù)模型、提出措施、降低產(chǎn)品生命周期、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)信息交換與共享的目的。為了實(shí)際加工過程的智能化實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利的條件，也研究加工過程的重要手段。
　　二、虛擬制造技術(shù)
　　1.虛擬制造系統(tǒng)構(gòu)成
　　在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和生活中廣泛使用各種自動(dòng)機(jī)械，自動(dòng)生產(chǎn)線及各種自動(dòng)設(shè)備，促使企業(yè)形成網(wǎng)絡(luò)制造，虛擬制造。從產(chǎn)品開發(fā)角度來講，虛擬制造實(shí)際上就是在計(jì)算機(jī)上全面仿真產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造，裝配的全過程，貫穿著產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)周期。
　　1）概念設(shè)計(jì)階段包括產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
　　2）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品整個(gè)加工過程的仿真摸擬，包括對工件幾何參數(shù)及干涉進(jìn)行校驗(yàn)的幾何仿真過程、對加工過程中各項(xiàng)物理參數(shù)進(jìn)行預(yù)測與分析的物理仿真過程及產(chǎn)品的裝配過程仿真。
　　3）加工制造價(jià)段生產(chǎn)計(jì)劃與作業(yè)計(jì)劃調(diào)度及各級(jí)控制器的設(shè)計(jì)。
　　4）測試階段測試仿真器的真實(shí)程度。
　　5）培訓(xùn)與維護(hù)價(jià)段訓(xùn)練用訪真器、Pro／E、CAD／CAM
　　仿真虛擬制造采用CAD／CAM就是按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)——制造的實(shí)際進(jìn)程，在計(jì)算里實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程所需要的信息處理和交換，形成連續(xù)的，協(xié)調(diào)的和科學(xué)系統(tǒng)，直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，便于組織生產(chǎn)，設(shè)計(jì)圖樣更容易修改，有助于加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、工藝準(zhǔn)備、加工檢驗(yàn)部門之間的聯(lián)系，并及時(shí)得到意見反饋，才是解決產(chǎn)品模型建立的可靠途徑。
　　2．虛擬制造技術(shù)的發(fā)展情況
　　在國內(nèi)，虛擬制造技術(shù)也得到極大重視，在模擬的建模法，生產(chǎn)過程模擬，控制等方面做了大量的研究工作。同時(shí)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)引到虛擬制造中去，而在實(shí)踐嘗試模擬中各種設(shè)備的調(diào)度與信息信集成處理，各具體加工過程、加工單元的仿真等。
　　三、機(jī)械加工過程仿真
　　1．機(jī)械加工過程仿真的現(xiàn)狀與存在問題
　　目前進(jìn)行的機(jī)械加工過程仿真，主要有兩種情況；一種是從研究金屬切削的角度出發(fā)，仿真某具體切削過程內(nèi)部各因素的變化過程，切削機(jī)理、供生產(chǎn)實(shí)際與應(yīng)用；另一種則是在于構(gòu)造完整的虛擬制造系統(tǒng)。這兩種方式的仿真方法是相同的，即首先對機(jī)加工藝系統(tǒng)的輸入信息是市場信息和管理信息成為質(zhì)量保證系統(tǒng)，制造自動(dòng)化分系統(tǒng)、管理信息分系統(tǒng)的輸入，提供有關(guān)產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)、零件、原材料的基本數(shù)據(jù)、圖紙、零件明細(xì)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、加工、裝配與檢驗(yàn)規(guī)程和程序等。然后通過分析各物理因素變化情況來仿真加工過程。
　　在眾多的切削加工種類與工式中，仿真主要集中于銑、車等多種加工方法。仿真局限在很窄的范圍內(nèi)。如銑削中多是仿真棒銑刀和端面銑刀，而這種仿真系統(tǒng)對其他種類的銑刀(如加工成形表面用銑刀)卻無能為力。其原因是機(jī)械加工種類繁多，存在著車、銑、刨、磨、鏜等多種加工形式；另一方面加工理論復(fù)雜，一同的加工方法，刀具形狀的加工模型有較大差別。同時(shí)，目前的仿真系統(tǒng)大多進(jìn)行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉及校驗(yàn)等，但在機(jī)加工過程中，幾何校驗(yàn)只是前提條件，重要是切削力、刀具振動(dòng)與刀具磨損等在切過程中起決定因素的各物理量。如設(shè)寂靜工藝剛性滿足要求，無振動(dòng)；中工材料結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，無硬點(diǎn)等缺陷；刀具無磨損；切削要素不發(fā)生變化，理想狀態(tài)不能將切削過程中的隨機(jī)干擾如工件硬點(diǎn)造成的材質(zhì)變化，振動(dòng)造成的切深變化等因素考慮進(jìn)去，使仿真系統(tǒng)不能真實(shí)地反映實(shí)際切削過程。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與仿真技術(shù)緊密相連，今后的機(jī)加工仿真系統(tǒng)將朝著快速運(yùn)行、面向多種加工形式、更加符合實(shí)際狀況的方向發(fā)展。
　　虛擬制造過程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段實(shí)際上就是對產(chǎn)品的機(jī)械加工過程的仿真，即對機(jī)床一工件一刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種信息的分析與預(yù)測，它包括幾何仿真與物理仿真兩方面的內(nèi)容，幾何仿真包含刀位軌跡驗(yàn)證，工件與機(jī)床、刀具的干涉校驗(yàn)；物理仿真包括對各種物理因素的分析與預(yù)測，主要有切削力、刀具磨損、切削溫度、工件表面粗糙度。同時(shí)，幾何仿真、物理仿真及其中各要素之間有著密切聯(lián)系，如刀位軌跡與干涉、切削力真接影響到振動(dòng)、工件表面質(zhì)量、
　　刀具磨損等。
　　2．機(jī)械加工過程仿真零件特征
　　1）形狀特征：零件上有一定拓?fù)潢P(guān)系的一組幾何元素所構(gòu)成的一個(gè)特寂靜的功能及其特定的加工方法集。
　　2）精度特征：用于表達(dá)零件各要素尺寸公差、形狀公差、位置和表面粗糙度等要求信息。一般開位公差除公差項(xiàng)目名、公差值、基準(zhǔn)外、還應(yīng)包含公差檢原則(如包容原則、最大實(shí)體原則等)。精度特征是形成零件質(zhì)量指標(biāo)的主要依據(jù)。
　　3）技術(shù)特征：用于描述零件的性能、功能等相關(guān)領(lǐng)信息。零件動(dòng)行過程中工況條件，載荷與約束條件，為CAD提供模擬信息，為性能實(shí)驗(yàn)，分析計(jì)算、優(yōu)化，有限元前處提供條件。
　　4）材料特征：零件材料的類型、理化指標(biāo)及熱處理等特殊要求、表面處理的信息集合。
　　5）裝配特征：用于表達(dá)零件在裝配過程中所需用的信息，如與其它零件之配合、配作等關(guān)系、裝配尺寸鏈信息、父項(xiàng)子項(xiàng)的信息。為裝配工藝提供必要的信息。如組成產(chǎn)品的零部件之間在裝配中的關(guān)系可為：形狀特征和精度特征與零件建模直接相關(guān)的特定工藝的依據(jù)，是質(zhì)量保證系統(tǒng)制定質(zhì)量檢測規(guī)劃的依據(jù)。
　　四、結(jié)論
　　對于解決制造業(yè)的TQCS問題，虛擬制造技術(shù)具有廣闊的市場前景，并已得
　　到了國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。作為實(shí)現(xiàn)虛擬制造的一個(gè)重要組成部分，虛擬數(shù)控機(jī)床技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)率、降低成本。本文在對虛擬制造的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立了虛擬數(shù)控機(jī)床的體系結(jié)構(gòu)，采用VR技術(shù)在場景圖中實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床子系統(tǒng)，并由NC解釋模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和操作面板模塊完成虛擬數(shù)控子系統(tǒng)的相應(yīng)功能；完成了NC程序編譯、刀具軌跡計(jì)算、虛擬數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和對工件模型的切削計(jì)算。
　　虛擬制造技術(shù)是一門新興技術(shù)，它面向系統(tǒng)的全生命周期和全系統(tǒng)，使研究、開發(fā)和使用者之間的聯(lián)系更為有效，加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程，并通過全生命周期協(xié)同利用仿真技術(shù)來降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低成本、增強(qiáng)企業(yè)競爭力。
　　目前，我國對虛擬數(shù)控機(jī)床的研究還處在起步階段，對下列問題還需要深人研究與探討：
　　(1)虛擬制造中人機(jī)協(xié)調(diào)的深人研究。對人和計(jì)算機(jī)在制造分析過程中的角色、相互作用方式和協(xié)同方法進(jìn)行更深人的研究。
　　(2)從制造分析的角度，研究如何更好地利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來分析和解決可制造性問題。
　　(3)對虛擬制造系統(tǒng)與其它分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間的集成體制進(jìn)行研究。
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