虛擬制造的機械加工過程中仿真系統(tǒng)技術(shù)探討

1、前言

制造業(yè)的發(fā)展對產(chǎn)品性能、規(guī)格、品種不斷提出新的要求，產(chǎn)品的生命周期越來越短，新產(chǎn)品的開發(fā)時間是決定性因素。虛擬制造技術(shù)(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模擬由產(chǎn)品設(shè)計、制造到裝配的全過程，對設(shè)計與制造過程中可能出現(xiàn)的問題進行分析與預測，提出改進措施，實現(xiàn)產(chǎn)品從開發(fā)到制造整個過程的優(yōu)化，達到降低產(chǎn)品生命周期、減小開發(fā)風險、提高經(jīng)濟效益的目的。而機械加工過程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過對機床—工件—刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種加工信息的有效預測與優(yōu)化，為實際加工過程的智能化實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，同時它也是研究加工過程的重要手段。

2、虛擬制造技術(shù)

2.1　虛擬制造系統(tǒng)的構(gòu)成

從產(chǎn)品的開發(fā)角度講，虛擬制造實際上就是在計算機上全面仿真產(chǎn)品從設(shè)計到制造、裝配的全過程，貫穿著產(chǎn)品的整個生命周期。虛擬制造主要由以下五個階段組成：

●概念設(shè)計階段　包括產(chǎn)品的運動學分析與運動學仿真。

●詳細設(shè)計階段　指的是對產(chǎn)品整個加工過程的仿真模擬，包括對工件幾何參數(shù)及干涉進行校驗的幾何仿真過程、對加工過程中各項物理參數(shù)進行預測與分析的物理仿真過程及產(chǎn)品的裝配過程仿真。

●加工制造階段　包括工廠設(shè)計、制造車間設(shè)計、生產(chǎn)計劃與作業(yè)計劃調(diào)度及各級控制器的設(shè)計。

●測試階段　測試仿真器的真實程度。

●培訓與維護階段　訓練用仿真器，包括對操作員的培訓過程及產(chǎn)品的二維維護。

虛擬制造可分為以下幾個工作層次：工廠級、車間級、調(diào)度級、具體的加工過程及各制造單元等層次。因此虛擬制造技術(shù)可仿真現(xiàn)有企業(yè)的全部生產(chǎn)活動，并能夠?qū)ξ磥砥髽I(yè)的設(shè)備布置、物流系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，從生產(chǎn)制造的各個層次進行工作，達到縮短產(chǎn)品生命周期與提高設(shè)計、制造效率的最佳目的。

2.2　虛擬制造技術(shù)的發(fā)展情況

VMT作為一門面向21世紀的制造技術(shù)，從一開始出現(xiàn)就引起了國內(nèi)外學者的關(guān)注。當前的研究重點主要集中于對該項技術(shù)的理論研究與各級仿真環(huán)境的構(gòu)造與實踐的嘗試。理論研究包括對VMT/VMS概念的探討、虛擬制造系統(tǒng)構(gòu)成、整個系統(tǒng)中模型的構(gòu)成、建模方法及模型的集成等。而在實踐嘗試方面則從實驗室角度實現(xiàn)虛擬工廠、虛擬車間的設(shè)計及工廠級、車間級各種設(shè)備的調(diào)度與信息的集成處理，各具體加工過程、加工單元的仿真等。同時一些企業(yè)已經(jīng)開展了VMT工作并取得了成效。

在國內(nèi)，VMT技術(shù)也得到極大重視。模型的建模方法、生產(chǎn)過程模擬、控制等方面做了大量的研究工作，同時將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)引入到VMS過程當中去，建立了虛擬工廠級、車間級的設(shè)計與調(diào)度系統(tǒng)，如清華大學的用于制造車間調(diào)度問題的“工廠調(diào)度仿真環(huán)境FASE”，用于制造車間設(shè)計、分析建模與仿真的“一體化制造系統(tǒng)軟件IMSS”及“加工過程仿真器MPS”等。3、機械加工過程仿真

3.1　機械加工過程仿真的現(xiàn)狀與存在問題

目前進行的機械加工過程仿真，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，研究其切削機理，供生產(chǎn)實際與研究應用;另一種則是將加工過程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點在于構(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，即首先對機加工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化模型，然后用數(shù)學離散方法將連續(xù)模型離散為離散點，通過分析這些離散點的物理因素變化情況來仿真加工過程。

由于機加過程仿真還處于起步階段，目前尚存在以下問題：

(1)仿真的加工形式少，研究范圍窄

在眾多的切削加工種類與形式中，目前的仿真主要集中于銑、磨兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真也局限在很窄的范圍內(nèi)。如銑削中多是仿真棒銑刀和端銑刀，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雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別。同時，目前的仿真系統(tǒng)大多進行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗等，有稱之為NC校驗(NC Verification)。但在機加過程中，幾何校驗只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動及刀具磨損等在切削過程中起決定因素的各物理量。

(2)物理仿真過程都是考慮理想切削狀態(tài)，與實際切削過程有較大差距

在目前的仿真系統(tǒng)中預先設(shè)定了大量假設(shè)因素，如設(shè)定工藝系統(tǒng)剛性滿足要求，無振動;加工材料結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，無硬點等缺陷;刀具無磨損;切削要素不發(fā)生變化等。這種假定的理想狀態(tài)不能將切削過程中的隨機干擾如工件硬點造成的材質(zhì)變化、振動造成的切深變化等因素考慮進去，使仿真系統(tǒng)不能真實地反映實際切削過程。

(3)仿真手段限制仿真系統(tǒng)的發(fā)展

計算機技術(shù)的發(fā)展與仿真技術(shù)緊密相連，過去由于計算機軟硬件的限制，仿真時間很長。編碼工作量大，程序可讀性、維護性差，這些都為仿真工作帶來困難。目前應用C++語言及面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)仿真系統(tǒng)已成為發(fā)展潮流。

以上問題已引起研究人員的重視，今后的機加工仿真系統(tǒng)將朝著快速運行、面向多種加工形式、更加符合實際狀況的方向發(fā)展。3.2　機械加工過程仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在虛擬制造過程中，產(chǎn)品的詳細設(shè)計階段實際上就是對產(chǎn)品的機械加工過程的仿真，即對機床—工件—刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種信息的分析與預測，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證，工件與機床、刀具的干涉校驗;物理仿真包括對各種物理因素的分析與預測，主要有切削力、刀具磨損、切削振動、切削溫度、工件表面粗糙度等。同時，幾何仿真、物理仿真及其中各要素之間有著密切的聯(lián)系，如刀位軌跡與干涉、切削力直接影響到振動、工件表面質(zhì)量、刀具磨損等。

3.3　數(shù)控車削過程仿真的研究目標及方法

車削加工是目前應用最廣泛的加工方法之一，因此對數(shù)控車削加工過程進行仿真具有重要的理論研究與實際應用價值。

車削加工仿真將對車削加工能夠完成的各種工作如外圓、端面、倒角、螺紋、曲線等加工形式中的幾何及物理因素的變化情況進行模擬與預測，建立起面向車削加工的仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)應具有以下的功能：

(1)建立起面向數(shù)控車床的完善的數(shù)控車削仿真系統(tǒng)，為實際生產(chǎn)過程提供可靠、優(yōu)化的NC代碼，實現(xiàn)車削的智能加工。

目前我國數(shù)控車床、經(jīng)濟型數(shù)控車床的應用越來越普及，在加工之前能得到一套可靠、優(yōu)化的NC代碼是非常實用的。在以往，NC代碼常以試切的方式加以驗證，這種方法一方面費時費力，另一方面試切的材料常采用木材、塑料，這樣雖然能夠檢驗NC代碼在幾何信息方面的正確性，但對切削過程中關(guān)鍵的物理因素如切削力、振動、工件表面質(zhì)量等則無從所知。而車削仿真系統(tǒng)能夠解決上述問題。同時在此基礎(chǔ)上修改NC代碼中的某些參數(shù)，使之進一步降低切削力、提高刀具耐用度和生產(chǎn)力，優(yōu)化NC代碼。這樣即可將NC代碼確認下來，供實際加工應用，使仿真系統(tǒng)具有自我學習與調(diào)整的能力，提高仿真的靈活程度，達到智能加工的目的。

(2)建立面向?qū)嶋H加工過程的仿真系統(tǒng)，綜合考慮實際加工中的各種干擾因素，使仿真過程高度真實地反映實際生產(chǎn)過程。

在實際加工過程中，工藝系統(tǒng)受到各種因素的制約與影響，與切削有關(guān)的各物理量也因各種切削條件的變化而發(fā)生變化。因此為了能夠真實仿真出車削過程中的加工情況，車削仿真系統(tǒng)就要充分考慮到這些實際變化情況與隨機干擾，使仿真出的各物理量真實貼近實際情況。這些影響因素主要包括由于機床剛性及切削力作用或工件偏心等產(chǎn)生的切削振動，工件結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一具有硬點等產(chǎn)生的隨機干擾，切削過程中切削用量變化及刀具磨損對切削過程的影響等。

(3)由于具有對NC代碼進行驗證與優(yōu)化的過程，仿真系統(tǒng)能夠極大地避免實際加工過程中可能出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象，簡化了實際加工過程中檢測與診斷設(shè)備，提高了加工安全性與經(jīng)濟效益。同時仿真系統(tǒng)還能夠逼真地模擬車削加工過程，可作為軟機床進行數(shù)控機床加工的培訓與維護工作。