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)在機械加工行業(yè)的發(fā)展，對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；虛擬加工；高效加工；HEM

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）14-0012-03

虛擬現(xiàn)實技術(shù)正日益深入地滲透到機械加工行業(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)備正在提供著越來越多的虛擬加工驗證技術(shù)?，F(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)允許一個設(shè)計在草稿階段就開始對其整個零件生命周期進行驗證分析。例如通過物聯(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程的驗證和優(yōu)化。

1 技術(shù)背景

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

引用Larijani在1994年的描述，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是“一種由計算機合成的，允許人們通過適當(dāng)?shù)慕涌诨樱瑢δM出來的物理元素進行操縱的環(huán)境”。虛擬現(xiàn)實，具有4大關(guān)鍵特征：

多感知性：指除視覺感知外，還應(yīng)具有如聽覺觸覺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)境中的真實程度。

自主性：指虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實世界物理運動定律動作的程度。

交互性：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體（對象）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）是一種基于計算機系統(tǒng)的，利用CAD模型，對目標對象進行模擬現(xiàn)實加工制造的技術(shù)。作為生產(chǎn)加工系統(tǒng)的延伸，VM主要被用于在設(shè)計研發(fā)階段，對產(chǎn)品的某些性能（如可靠性，工序工藝可行性等）進行驗證和優(yōu)化。VM技術(shù)提供了一個虛擬測試平臺，在相當(dāng)程度程度上節(jié)約了傳統(tǒng)模式下可能耗費的大量時間和資源。

虛擬加工（Virtual Machining）是虛擬制造技術(shù)的其中一個重要分支。在虛擬加工系統(tǒng)中，操作員通過操作界面與系統(tǒng)互動。系統(tǒng)將模擬生成作為中間介質(zhì)的虛擬原材料，并使用對虛擬刀具（Virtual Machine Tool，VMT）依據(jù)準備好的NC加工程序?qū)μ摂M原料進行虛擬加工。整個虛擬加工過程中，虛擬原料的物理形狀將發(fā)生改變（布爾運算原理），并實時反映出理想狀態(tài)下當(dāng)前CNC程序執(zhí)行時被加工件的形態(tài)和狀態(tài)。同一時間，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，并生成干涉檢查報告。系統(tǒng)也將會把經(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）把精力集中在機床的進給速率和主軸轉(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，進而達到全過程的循環(huán)時間最小化。在虛擬加工系統(tǒng)的輔助下，可以精確獲得出每個單位時間下刀具對原料的切削量。利用這些數(shù)據(jù)，HEM將精確計算出切除這些材料所需的最優(yōu)切削力矩，進而計算出最優(yōu)的進給速率和主軸轉(zhuǎn)速（圖1a）。于此同時，HEM還可以一定程度上降低加工過程對刀具的磨損。下圖（圖1b）是CGTech公司2007年在相同測試環(huán)境下HSM和HEM對刀具磨損影響的分析對比。

2 虛擬加工驗證與高效加工技術(shù)結(jié)合

為進一步了解VM與HEM結(jié)合對現(xiàn)實加工行業(yè)帶來的影響，此處搭建一個仿真對比試驗。本試驗所選用的工具、軟件平臺信息如表1。

依據(jù)機床相關(guān)數(shù)據(jù)，在PTC Pro/ENGINEER上建立機床簡易模型，導(dǎo)入虛擬加工平臺VERICUT，并建立輸入對應(yīng)的坐標系信息（圖2）。

本例選用了PTC Pro/ENGINEER 樣例零件庫中的某曲軸連桿模型作為對象，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），查手冊計算出相應(yīng)的進給和轉(zhuǎn)速（表3），并根據(jù)軟件建議自動生成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)，進行虛擬加工驗證，如圖5。

進行OptiPath分析（CGTech VERICUT平臺上的一種HEM優(yōu)化技術(shù)），再次進行虛擬加工驗證，如圖6。

根據(jù)此模擬結(jié)果，經(jīng)傳統(tǒng)自動加工編程并手動優(yōu)化的程序，與經(jīng)OptiPath技術(shù)優(yōu)化的程序相比較，在本試驗平臺上，獲得了39%的整體加工時間縮短?？紤]到本試驗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)用在實踐上具有相當(dāng)廣闊的前景，具備顯著提高機械加工行業(yè)生產(chǎn)效率的潛力。

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