机械加工仿真技术分析
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作者: 彭敏新
摘要：叙述了机械制造仿真技术的含义、构成及发展情况，分析了在拟实制造中占有重要地位的机械加工过程仿真。提出了机械加工过程仿真的系统结构、发展现状与存在的问题，最后讨论了车削加工过程进行仿真及其实现的可能性。
关键词：拟实制造；车削过程；仿真
拟实制造技术是指通过模拟从产品设计、制造到装配的全过程，对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测，从而提出改进措施，以实现产品从开发到制造整个过程的优化，达到降低产品生命周期、减小开发风险、提高经济效益的目的。而机械加工过程仿真在拟实制造中占有重要地位，它通过对机床－工件－刀具构成的工艺系统中的各种加工信息的有效预测与优化，为实际加工过程智能化提供了坚实的基础，是研究加工过程的重要手段。
一、拟实制造技术简介
（一）拟实制造系统的构成
从产品的开发角度讲，拟实制造实际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，贯穿了产品的整个生命周期，主要由五个阶段组成：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。指的是对产品整个加工过程的仿真模拟。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、加工制造阶段。包括工厂设计、制造车间设计、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、培训与维护阶段。训练用仿真器，包括对操作员的培训过程及产品的二维维护。因此，拟实制造可分为以下几个工作层次：工厂级、车间级、调度级及具体的加工过程、各制造单元等层次。
（二）拟实制造技术的国内外发展情况
对于拟实制造技术，当前的研究重点主要集中在对该项技术的理论研究与各级仿真环境的构造与实践的尝试。理论研究包括对虚拟制造技术与虚拟制造系统（VMT/VMS）概念的探讨，拟实制造系统的构成，整个系统中模型的构成、建模方法及模型的集成等。而在实践尝试方面则从实验室角度实现虚拟工厂、虚拟车间的设计及工厂级、车间级各种设备的调度与信息的集成处理，各具体加工过程、加工单元的仿真等。在国内，VMT技术也得到极大重视。在模型的建模方法、生产过程模拟、控制等方面也作了大量的研究工作。同时将神经网络、人工智能技术引入到VMS过程当中，建立了虚拟工厂级、车间级的设计与调度系统。
二、机械加工过程仿真
（一）机械加工过程仿真的发展现状与存在的问题
目前进行的机械加工过程仿真，主要存在以下两种情况：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，研究其切削机理，供生产实际与研究应用；另一种是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于构造完整的拟实制造系统。但这两种方式的仿真方法是相同的，即对机加工艺系统建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为断续点，通过分析这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。
由于机加过程仿真还处于起步阶段，所以目前还存在着一些问题：1、仿真的加工形式少，研究范围窄。目前的仿真主要集中于铣、磨两种。即使在这两种加工方法上，仿真也局限在很窄的范围内。如铣削中多是仿真棒铣刀与端铣刀，而这种仿真系统对其它种类的铣刀，如加工成形表面则无能为力。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，不同的加工方法、刀具形状的加工模型有较大差别。目前，仿真系统进行几何仿真，即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉校验等，又称之为NC校验。但在机械加工过程中，几何校验只是前提条件。2、物理仿真考虑理想状态，与实际有较大差距。在目前的仿真系统中预先设定了大量假设因素，如设定工艺系统刚性要满足无振动，加工材料结构统一、无硬点等缺陷，刀具无磨损等。这种假定的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等因素考虑进去，使仿真系统不能真实反映实际切削过程。3、仿真手段限制仿真系统的发展。计算机技术的发展与仿真技术紧密相连，过去由于计算机软、硬件的限制，仿真时间很长。目前应用C++语言及面向对象的方法开发仿真系统已成为发展潮流。
（二）机械加工过程仿真系统的结构
在拟实制造过程中，产品的详细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-工件-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、切削振动、切削温度、工件表面光洁度等。同时，几何仿真、物理仿真及其中各要素之间有密切的联系，如刀位轨迹与干涉、切削力直接影响到振动、工件表面质量、刀具磨损等。
（三）数控车削过程仿真的研究目标及方法
车削加工是目前应用最广泛的加工方法之一，因此对数控车削加工过程进行仿真具有重要的理论研究与实际应用价值。
车削加工仿真将对车削加工能够完成的各种工作如外圆、端面、倒角、螺纹、曲线等加工形式中的几何及物理因素的变化情况进行模拟与预测，建立起面向车削加工的仿真系统，包括：1、建立起面向数控车床的完善的数控车削仿真系统，为实际生产过程提供可靠、优化的NC代码，实现车削的智能加工。2、建立面向实际加工过程的仿真系统，综合考虑实际加工中的各种干扰因素，使仿真过程高度真实地反映实际生产过程。3、由于具有对NC代码进行了验证与优化，能够极大地避免实际加工过程中可能出现的各种异常现象，简化了实际加工过程中检测与诊断设备，提高了加工安全性与经济效益。同时，仿真系统还能够逼真地模拟车削加工过程，可以作为软机床进行数控机床加工的培训与维护工作。
（作者单位：鸡西矿业集团有限责任公司焦化厂）
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