机械加工仿真技术探究

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摘要：本文以机械制造仿真技术的含义、构成及发展情况为铺垫，从发展现状、问题、系统结构等方面详细分析了在拟实制造领域占有重要地位的机械加工过程仿真，并提出了数控车削过程仿真的实现方法。

关键词：拟实制造；车削过程；仿真

拟实制造技术是指模拟产品从设计到制造再到装配的全过程，其能够发现产品制造过程中可能存在的问题，及时预测与分析问题原因，并提出改进措施，对于优化制造流程、减少产品开发风险、提高经济效益具有十分重要的意义。机械加工过程仿真作为拟实制造技术的重要组成部分，能够通过对机床—工件—刀具等一系列工艺系统的模拟、监测，获得加工信息，进而对实际加工的问题进行预测与优化，提升实际加工过程的智能化水平。

一、拟实制造技术简介

（一）拟实制造系统的构成。

拟实制造是产品开发中不可或缺的内容，其具体是指借助计算机技术对产品从设计到制造再到装配等全过程进行全面仿真、模拟。拟实制造系统的流程涵盖了实际产品生产的全生命周期，具体来讲，其主要由五个阶段构成：

（1）概念设计阶段。

这一阶段主要完成对产品的运动学仿真分析，为下一阶段提供总体思路。

（2）详细设计阶段。

这一阶段需要对产品加工的全流程进行仿真模拟，包括分析与预测加工过程中的各项物理参数、物理仿真过程、工件几何参数，校验几何仿真过程、对产品的装配进行仿真等等。

（3）加工制造阶段。

这一阶段是前期设计阶段的理论验证阶段，是拟实制造系统的核心，包括作业计划与生产计划调度、工厂设计、制造车间设计以及控制器设计等。

（4）测试阶段。

运行仿真加工过程，监测其同实际生产的差距，发现其中存在的问题。

（5）培训与维护阶段。

对仿真器使用者进行培训，包括生产过程培训以及二级维护培训。由上述拟实制造系统的五个运行阶段我们可以看出，拟实制造按流程可划分为五个工作层级，即工厂级、车间级、调度级（含具体仿真加工过程）、各制造单元。

（二）拟实制造技术的国内外发展情况。

现阶段，拟实制造技术的研究重点仍集中于技术理论研究以及对各级仿真环境的构造与实践尝试。具体来讲，技术理论研究的主要内容包括整个拟实系统的建模方法、模型构成与集成方式以及近年来流行的虚拟制造技术、虚拟制造系统的应用与衍伸等。对各级仿真环境的构造与实践则主要包括具体加工过程、加工单元的仿真以及实验室角度的虚拟工程与虚拟车间设计、对工厂级设备的调度、对车间级设备的管理、信息的集成处理等等。目前，在国内，虚拟制造技术得到了制造业的高度重视，许多科研机构、企业投入到了虚拟制造技术生产过程模拟、建模方法等方面的研究当中，与此同时，人工智能以及神经网络等高端新兴科技也被引入到了虚拟制造系统中，虚拟工厂级、车间级的设计与调度得到优化与提升。

二、机械加工过程仿真

（一）机械加工过程仿真的现状与问题。

目前，机械加工过程仿真主要有以下两种情况：

（1）以加工过程仿真为系统主要内容，构造完整拟实制造系统。

（2）采用金属切削方式，对机械加工过程中各内部因素的变化与作用情况进行仿真模拟，研究其切削原理，为实际生产提供理论基础。上述两种机械加工过程仿真所基于的原理是相同的，都是根据实际需求对机械加工工艺系统建立连续变化模型，而后采用数学离散法计算出其中的断续点，再通过对这些断续点的物理因素变化来仿真加工过程。机械加工过程仿真存在的问题主要有：

（1）物理仿真同实际生产差距较大。现阶段的机械加工过程仿真是基于理想状态展开的，其中有大量人为的假设因素。这种理想状态不能将所有可能存在的情况考虑进来，因而不能真实反映实际生产的状况。

（2）加工范围与形式仍不能满足需要。国内机械加工过程仿真仍主要以铣、磨为主，仿真技术对这两种工艺的应用范围仍然很窄。

（3）仿真手段仍较为低端。由于计算机软硬件的限制，仿真技术的精确度不高，发展速度也较慢。

（二）机械加工过程仿真系统的结构。

机械加工过程仿真系统属于拟实制造的第二阶段———详细设计阶段，这一阶段需要对机床—工件—刀具所构成的仿真系统中的参数与信息进行分析、预测。

（三）数控车削过程仿真的方法。

车削加工是目前应用最广泛的机械加工方式，数控车削加工仿真能够实现多种情况的模拟，具有十分重要的应用价值。具体来讲，数控车削过程仿真能够完成外圆、端面、倒角、螺纹、曲线等各种加工形式的模拟与预测，其实现过程包含三个环节：

（1）建立完善的数控车床车削仿真系统，优化NC代码，实现车削智能加工。

（2）综合考虑实际加工中可能存在的问题，尽可能还原实际生产过程。

（3）对仿真过程中检测出的问题进行收集与分析，从而为实际生产提供依据。结语：机械加工过程仿真能够逼真地模拟车削加工过程，最大程度减少实际加工过程中可能出现的异常现象，简化了加工过程中检测及诊断设备，降低了企业成本，提高了加工安全性与经济效益。

参考文献：

[1]黄雪梅.拟实制造的机械加工过程仿真[J].机械制造自动化,2000(12).

作者：高妮萍 单位：陕西国防工业职业技术学院机械工程学院