摘要：機電一體化技術是跨越學科技術，近年發展迅速，使得機械加工日新月異。集成了虛擬制造技術的含義、構成及發展情況，分析了在虛擬機械制造過程中仿真。提出了機械加工過程仿真的系統結構、發展現狀存在的問題，討論加工過程仿真及其實現的可行性。
　　關鍵詞：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在生產實踐與市場流通中，強化產成本核算認識到對機械制造業不斷提出新的要求，新一代工廠自動化模式之一覆蓋了產品整個生命周期，新產品的開發是決定性因素，虛擬制造技術(VMTVirtualManufacturingTechnology)可以模擬產品設計，制造到裝配全過程，對設計與制造過程中可能出現的問題進行分析與預測，建立數據模型、提出措施、降低產品生命周期、提高經濟效益、實現信息交換與共享的目的。為了實際加工過程的智能化實現創造了有利的條件，也研究加工過程的重要手段。
　　二、虛擬制造技術
　　1.虛擬制造系統構成
　　在國民經濟生產和生活中廣泛使用各種自動機械，自動生產線及各種自動設備，促使企業形成網絡制造，虛擬制造。從產品開發角度來講，虛擬制造實際上就是在計算機上全面仿真產品從設計到制造，裝配的全過程，貫穿著產品整個生產周期。
　　1）概念設計階段包括產品的運動學分析與運動學仿真。
　　2）詳細設計階段對產品整個加工過程的仿真摸擬，包括對工件幾何參數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進行預測與分析的物理仿真過程及產品的裝配過程仿真。
　　3）加工制造價段生產計劃與作業計劃調度及各級控制器的設計。
　　4）測試階段測試仿真器的真實程度。
　　5）培訓與維護價段訓練用訪真器、Pro／E、CAD／CAM
　　仿真虛擬制造采用CAD／CAM就是按照產品設計——制造的實際進程，在計算里實現應用程所需要的信息處理和交換，形成連續的，協調的和科學系統，直接體現了設計意圖，便于組織生產，設計圖樣更容易修改，有助于加強產品設計、分析、工藝準備、加工檢驗部門之間的聯系，并及時得到意見反饋，才是解決產品模型建立的可靠途徑。
　　2．虛擬制造技術的發展情況
　　在國內，虛擬制造技術也得到極大重視，在模擬的建模法，生產過程模擬，控制等方面做了大量的研究工作。同時將神經網絡、人工智能技術引到虛擬制造中去，而在實踐嘗試模擬中各種設備的調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、機械加工過程仿真
　　1．機械加工過程仿真的現狀與存在問題
　　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，仿真某具體切削過程內部各因素的變化過程，切削機理、供生產實際與應用；另一種則是在于構造完整的虛擬制造系統。這兩種方式的仿真方法是相同的，即首先對機加工藝系統的輸入信息是市場信息和管理信息成為質量保證系統，制造自動化分系統、管理信息分系統的輸入，提供有關產品幾何數據、零件、原材料的基本數據、圖紙、零件明細，產品結構、標準規范、加工、裝配與檢驗規程和程序等。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。如銑削中多是仿真棒銑刀和端面銑刀，而這種仿真系統對其他種類的銑刀(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，一同的加工方法，刀具形狀的加工模型有較大差別。同時，目前的仿真系統大多進行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉及校驗等，但在機加工過程中，幾何校驗只是前提條件，重要是切削力、刀具振動與刀具磨損等在切過程中起決定因素的各物理量。如設寂靜工藝剛性滿足要求，無振動；中工材料結構統一，無硬點等缺陷；刀具無磨損；切削要素不發生變化，理想狀態不能將切削過程中的隨機干擾如工件硬點造成的材質變化，振動造成的切深變化等因素考慮進去，使仿真系統不能真實地反映實際切削過程。計算機技術的發展與仿真技術緊密相連，今后的機加工仿真系統將朝著快速運行、面向多種加工形式、更加符合實際狀況的方向發展。
　　虛擬制造過程中，產品設計階段實際上就是對產品的機械加工過程的仿真，即對機床一工件一刀具構成的工藝系統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、切削溫度、工件表面粗糙度。同時，幾何仿真、物理仿真及其中各要素之間有著密切聯系，如刀位軌跡與干涉、切削力真接影響到振動、工件表面質量、
　　刀具磨損等。
　　2．機械加工過程仿真零件特征
　　1）形狀特征：零件上有一定拓撲關系的一組幾何元素所構成的一個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目名、公差值、基準外、還應包含公差檢原則(如包容原則、最大實體原則等)。精度特征是形成零件質量指標的主要依據。
　　3）技術特征：用于描述零件的性能、功能等相關領信息。零件動行過程中工況條件，載荷與約束條件，為CAD提供模擬信息，為性能實驗，分析計算、優化，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、配作等關系、裝配尺寸鏈信息、父項子項的信息。為裝配工藝提供必要的信息。如組成產品的零部件之間在裝配中的關系可為：形狀特征和精度特征與零件建模直接相關的特定工藝的依據，是質量保證系統制定質量檢測規劃的依據。
　　四、結論
　　對于解決制造業的TQCS問題，虛擬制造技術具有廣闊的市場前景，并已得
　　到了國內外科研機構和企業的廣泛關注。作為實現虛擬制造的一個重要組成部分，虛擬數控機床技術的開發和應用，有助于提高生產率、降低成本。本文在對虛擬制造的發展狀態進行分析的基礎上，建立了虛擬數控機床的體系結構，采用VR技術在場景圖中實現虛擬機床子系統，并由NC解釋模塊、運動控制模塊和操作面板模塊完成虛擬數控子系統的相應功能；完成了NC程序編譯、刀具軌跡計算、虛擬數控機床的運動控制和對工件模型的切削計算。
　　虛擬制造技術是一門新興技術，它面向系統的全生命周期和全系統，使研究、開發和使用者之間的聯系更為有效，加速了新技術向產品轉化的開發、研制與使用過程，并通過全生命周期協同利用仿真技術來降低技術風險、提高產品質量、縮短研制周期、降低成本、增強企業競爭力。
　　目前，我國對虛擬數控機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)虛擬制造中人機協調的深人研究。對人和計算機在制造分析過程中的角色、相互作用方式和協同方法進行更深人的研究。
　　(2)從制造分析的角度，研究如何更好地利用虛擬現實技術來分析和解決可制造性問題。
　　(3)對虛擬制造系統與其它分析設計系統之間的集成體制進行研究。
　　參考文獻
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