機(jī)械加工仿真技術(shù)研究

高妮萍

摘 要：本文以機(jī)械制造仿真技術(shù)的含義、構(gòu)成及發(fā)展情況為鋪墊，從發(fā)展現(xiàn)狀、問題、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面詳細(xì)分析了在擬實(shí)制造領(lǐng)域占有重要地位的機(jī)械加工過程仿真，并提出了數(shù)控車削過程仿真的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：擬實(shí)制造；車削過程；仿真

擬實(shí)制造技術(shù)是指模擬產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造再到裝配的全過程，其能夠發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品制造過程中可能存在的問題，及時(shí)預(yù)測與分析問題原因，并提出改進(jìn)措施，對于優(yōu)化制造流程、減少產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。機(jī)械加工過程仿真作為擬實(shí)制造技術(shù)的重要組成部分，能夠通過對機(jī)床—工件—刀具等一系列工藝系統(tǒng)的模擬、監(jiān)測，獲得加工信息，進(jìn)而對實(shí)際加工的問題進(jìn)行預(yù)測與優(yōu)化，提升實(shí)際加工過程的智能化水平。

一、擬實(shí)制造技術(shù)簡介

（一）擬實(shí)制造系統(tǒng)的構(gòu)成。擬實(shí)制造是產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的內(nèi)容，其具體是指借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造再到裝配等全過程進(jìn)行全面仿真、模擬。擬實(shí)制造系統(tǒng)的流程涵蓋了實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)的全生命周期，具體來講，其主要由五個(gè)階段構(gòu)成：（1）概念設(shè)計(jì)階段。這一階段主要完成對產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，為下一階段提供總體思路。（2）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。這一階段需要對產(chǎn)品加工的全流程進(jìn)行仿真模擬，包括分析與預(yù)測加工過程中的各項(xiàng)物理參數(shù)、物理仿真過程、工件幾何參數(shù)，校驗(yàn)幾何仿真過程、對產(chǎn)品的裝配進(jìn)行仿真等等。（3）加工制造階段。這一階段是前期設(shè)計(jì)階段的理論驗(yàn)證階段，是擬實(shí)制造系統(tǒng)的核心，包括作業(yè)計(jì)劃與生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、工廠設(shè)計(jì)、制造車間設(shè)計(jì)以及控制器設(shè)計(jì)等。（4）測試階段。運(yùn)行仿真加工過程，監(jiān)測其同實(shí)際生產(chǎn)的差距，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題。（5）培訓(xùn)與維護(hù)階段。對仿真器使用者進(jìn)行培訓(xùn)，包括生產(chǎn)過程培訓(xùn)以及二級(jí)維護(hù)培訓(xùn)。由上述擬實(shí)制造系統(tǒng)的五個(gè)運(yùn)行階段我們可以看出，擬實(shí)制造按流程可劃分為五個(gè)工作層級(jí)，即工廠級(jí)、車間級(jí)、調(diào)度級(jí)（含具體仿真加工過程）、各制造單元。

（二）擬實(shí)制造技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展情況。現(xiàn)階段，擬實(shí)制造技術(shù)的研究重點(diǎn)仍集中于技術(shù)理論研究以及對各級(jí)仿真環(huán)境的構(gòu)造與實(shí)踐嘗試。具體來講，技術(shù)理論研究的主要內(nèi)容包括整個(gè)擬實(shí)系統(tǒng)的建模方法、模型構(gòu)成與集成方式以及近年來流行的虛擬制造技術(shù)、虛擬制造系統(tǒng)的應(yīng)用與衍伸等。對各級(jí)仿真環(huán)境的構(gòu)造與實(shí)踐則主要包括具體加工過程、加工單元的仿真以及實(shí)驗(yàn)室角度的虛擬工程與虛擬車間設(shè)計(jì)、對工廠級(jí)設(shè)備的調(diào)度、對車間級(jí)設(shè)備的管理、信息的集成處理等等。目前，在國內(nèi)，虛擬制造技術(shù)得到了制造業(yè)的高度重視，許多科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)投入到了虛擬制造技術(shù)生產(chǎn)過程模擬、建模方法等方面的研究當(dāng)中，與此同時(shí)，人工智能以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高端新興科技也被引入到了虛擬制造系統(tǒng)中，虛擬工廠級(jí)、車間級(jí)的設(shè)計(jì)與調(diào)度得到優(yōu)化與提升。

二、機(jī)械加工過程仿真

（一）機(jī)械加工過程仿真的現(xiàn)狀與問題。目前，機(jī)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(tǒng)主要內(nèi)

容，構(gòu)造完整擬實(shí)制造系統(tǒng)。（2）采用金屬切削方式，對機(jī)械加工過程中各內(nèi)部因素的變化與作用情況進(jìn)行仿真模擬，研究其切削原理，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。上述兩種機(jī)械加工過程仿真所基于的原理是相同的，都是根據(jù)實(shí)際需求對機(jī)械加工工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化模型，而后采用數(shù)學(xué)離散法計(jì)算出其中的斷續(xù)點(diǎn)，再通過對這些斷續(xù)點(diǎn)的物理因素變化來仿真加工過程。

機(jī)械加工過程仿真存在的問題主要有：（1）物理仿真同實(shí)

際生產(chǎn)差距較大。現(xiàn)階段的機(jī)械加工過程仿真是基于理想狀態(tài)展開的，其中有大量人為的假設(shè)因素。這種理想狀態(tài)不能將所有可能存在的情況考慮進(jìn)來，因而不能真實(shí)反映實(shí)際生產(chǎn)的狀況。（2）加工范圍與形式仍不能滿足需要。國內(nèi)機(jī)械加工過程仿真仍主要以銑、磨為主，仿真技術(shù)對這兩種工藝的應(yīng)用范圍仍然很窄。（3）仿真手段仍較為低端。由于計(jì)算機(jī)軟硬件的限制，仿真技術(shù)的精確度不高，發(fā)展速度也較慢。

（二）機(jī)械加工過程仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。機(jī)械加工過程仿真系統(tǒng)屬于擬實(shí)制造的第二階段——詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，這一階段需要對機(jī)床—工件—刀具所構(gòu)成的仿真系統(tǒng)中的參數(shù)與信息進(jìn)行分析、預(yù)測。

（三）數(shù)控車削過程仿真的方法。車削加工是目前應(yīng)用最廣泛的機(jī)械加工方式，數(shù)控車削加工仿真能夠?qū)崿F(xiàn)多種情況的模擬，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。具體來講，數(shù)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(yù)測，其實(shí)現(xiàn)過程包含三個(gè)環(huán)節(jié)：（1）建立完善的數(shù)控車床車削仿真系統(tǒng)，優(yōu)化NC代碼，實(shí)現(xiàn)車削智能加工。（2）綜合考慮實(shí)際加工中可能存在的問題，盡可能還原實(shí)際生產(chǎn)過程。（3）對仿真過程中檢測出的問題進(jìn)行收集與分析，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

結(jié)語：機(jī)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(shí)際加工過程中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，簡化了加工過程中檢測及診斷設(shè)備，降低了企業(yè)成本，提高了加工安全性與經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃雪梅.擬實(shí)制造的機(jī)械加工過程仿真[J].機(jī)械制造自動(dòng)化，2000（12）.