基于數(shù)控加工仿真技術(shù)的研究綜述

摘 要：數(shù)控加工仿真技術(shù)能夠在數(shù)控加工進(jìn)行的過程中將其準(zhǔn)確、生動(dòng)的展現(xiàn)出來，在檢驗(yàn)加工程序是否可靠以及預(yù)測(cè)加工過程等方面是一種非常有效率的輔助工具。本文從物理仿真技術(shù)、幾何仿真技術(shù)以及圖像可視化技術(shù)3個(gè)方面說明了數(shù)控加工仿真技術(shù)的關(guān)鍵部分。并通過對(duì)這三個(gè)方面的技術(shù)分析說明了數(shù)控仿真技術(shù)未來的發(fā)展形勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控仿真技術(shù)；物理仿真技術(shù)；幾何仿真技術(shù)；圖像可視化技術(shù)

隨著社會(huì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也在不斷的進(jìn)步，從而使加工制造業(yè)等領(lǐng)域更加廣泛普遍的運(yùn)用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。而數(shù)控加工仿真技術(shù)則是由于零件的數(shù)控加工中引入了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)而形成的。數(shù)控加工仿真技術(shù)在檢驗(yàn)數(shù)控加工程序是否可靠以及預(yù)測(cè)加工過程等方面取得了重要的進(jìn)展，是一種非常有效率的輔助工具。

一、物理仿真技術(shù)

物理建模是物理仿真技術(shù)的核心和應(yīng)用基礎(chǔ)，其建立的模型主要包括表面粗糙度模型、切削力模型、切削溫度場(chǎng)模型、振動(dòng)模型以及刀具磨損模型等。在加工的過程中，物理建模的傳統(tǒng)方法有解析、數(shù)值、解析以及機(jī)械等。

物理模型非常好用并且簡(jiǎn)單，模型的基礎(chǔ)是工程實(shí)踐，比較著名的公式VT n =C，V代表的是切削速度，T代表的是刀具壽命，n代表工件材料刀具材料的指數(shù)，C代表工件材料刀具材料及其幾何參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。此物理模型將切削速度與刀具壽命聯(lián)系在一起，刀具的壽命是依據(jù)切削的速度來預(yù)測(cè)的。

通過實(shí)驗(yàn)證明，此物理公式具有很強(qiáng)的實(shí)用性，而且在其余的模型中如切削深度、切削溫度、切削力以及切削功率等也有所運(yùn)用。但是如果加工要素發(fā)生了改變，公式模型中所需要的數(shù)據(jù)就需要從實(shí)驗(yàn)中來獲取，然而實(shí)驗(yàn)所需要的成本卻比較高，不能適應(yīng)刀具和機(jī)床工件等關(guān)系的變化。模型的另一個(gè)短處是不能過去的加工不能給以后的學(xué)習(xí)提供經(jīng)驗(yàn)，從而在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了解析法模型。

理論預(yù)測(cè)模型是在剪切面和剪切區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)切削力的一種方法，物理學(xué)家提出了有關(guān)切削力的滑移線場(chǎng)理論。盡管當(dāng)前有50多種剪切角的關(guān)系，但是在切削的時(shí)候會(huì)發(fā)生比較復(fù)雜多樣的變化，導(dǎo)致物理模型在運(yùn)用過程中不能將眾多因素進(jìn)行綜合考慮，到目前為止，也沒有適合我們進(jìn)行研究的理論預(yù)測(cè)物理模型。

數(shù)控仿真技術(shù)在動(dòng)畫圖像運(yùn)用方面多用于產(chǎn)品加工和驗(yàn)證方面，并且仿真效果很真實(shí)，最終能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證切實(shí)加工的目的。從而，圖像數(shù)控編程中用來刀位驗(yàn)證的重要方式之一就是動(dòng)態(tài)圖形的仿真技術(shù)。

二、幾何仿真技術(shù)

隨著幾何建模技術(shù)的不斷進(jìn)步，幾何仿真技術(shù)也得到了很大的進(jìn)步與發(fā)展。當(dāng)前最常用的有直接實(shí)體造型法、離散矢量求交法、基于圖像空間和曲面技術(shù)的方法。

（一）直接實(shí)體造型法

人們?cè)诜抡鏀?shù)控切削中使用實(shí)體造型技術(shù)已經(jīng)有20年的歷史，在幾何仿真的加工過程中使用直接布爾運(yùn)算法，能夠精確地將切削的幾何信息表達(dá)出來。在使用直接實(shí)體造型法的時(shí)候主要有體素法和八叉樹法進(jìn)行切割。

（二）離散矢量求交法

此方法是將要加工的實(shí)體根據(jù)一定的精確度將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)點(diǎn)，再將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)曲面法來求交運(yùn)算。離散矢量法與像素沒有聯(lián)系，所以其仿真的實(shí)時(shí)性較好，能進(jìn)行放大、旋轉(zhuǎn)等，并且能夠準(zhǔn)確的測(cè)得誤差。使用這種方法能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，這種方法是最簡(jiǎn)單并且最常用的方法之一。

（三）以圖像空間為基礎(chǔ)的方法

以圖像空間為基礎(chǔ)的幾何仿真技術(shù)是將圖像空間的消隱法作為基礎(chǔ)進(jìn)行布爾運(yùn)算。這個(gè)方法的有點(diǎn)是節(jié)省成本，有較好的實(shí)時(shí)性。但同時(shí)此方法也存在缺點(diǎn)，即當(dāng)人們進(jìn)行加工時(shí)，不能放大、旋轉(zhuǎn)加工的結(jié)果，另外，由于毛坯的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)被轉(zhuǎn)化為像素?cái)?shù)據(jù)，并且被轉(zhuǎn)化的像素點(diǎn)都是靠屏幕顯示的，不能將誤差準(zhǔn)確的檢驗(yàn)出來。

三、圖像可視化技術(shù)

上個(gè)世紀(jì)末，人們開始在NC切削加工的動(dòng)畫仿真技術(shù)中引進(jìn)了CG技術(shù)，并且取得了很好的研究成果。很多科學(xué)家將隱面消除法進(jìn)行擴(kuò)展，從而開發(fā)了一種新型的專用存儲(chǔ)器，能夠更好的將動(dòng)畫的仿真效果展現(xiàn)出來。在集合過程中是根據(jù)像素運(yùn)行的，所以在計(jì)算定量程序時(shí)很難直接運(yùn)用工件形狀的模型。后來，人們又發(fā)明出了另一種仿真的方法，即NC加工仿真，這個(gè)方法是通過框素來顯示的，并且在框素中的寫像是利用工件形狀以及NC刀具進(jìn)行的，在運(yùn)算的時(shí)候利用刀具的移動(dòng)來完成顯示仿真。通過使用這種方法能夠免除使用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行解析推導(dǎo)的過程，但是此方法也有一定的缺點(diǎn)，就是框素存儲(chǔ)量會(huì)制約對(duì)模型精確度的預(yù)測(cè)。

根據(jù)以上所述，動(dòng)態(tài)仿真就是運(yùn)用可視化技術(shù)以及動(dòng)畫來研究的加工過程。通過分析運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，來生成運(yùn)動(dòng)的軌跡這是實(shí)現(xiàn)圖像可視化技術(shù)的關(guān)鍵部分，這種模型可以運(yùn)用于加工產(chǎn)品、刀位軌跡仿真以及仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證等過程上。

四、數(shù)控加工仿真技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)

隨著制造業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)過程也逐漸變得高智能化以及高效率化，簡(jiǎn)單的幾何仿真已經(jīng)不能滿足人們對(duì)高品質(zhì)的追求。加工生產(chǎn)中的關(guān)鍵是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)以及對(duì)參數(shù)的準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。所以，在加工之前要對(duì)切削的過程進(jìn)行預(yù)測(cè)、仿真并且進(jìn)行合理的分析。但是在加工過程中存在著多種不確定性因素，比如形式的多樣性以及過程的復(fù)雜性。所以在以后的研究過程中應(yīng)注重以下幾個(gè)方面：

1）建立切削試驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

2）將實(shí)際加工機(jī)理與仿真機(jī)理融合到一起。

3）將研究內(nèi)容的重點(diǎn)放在質(zhì)量仿真模型的精確度上。

4）在數(shù)控加工仿真過程中要注重對(duì)物理仿真和幾何仿真的運(yùn)用。

五、總結(jié)

通過對(duì)數(shù)控加工仿真技術(shù)的綜合研究，明白了此技術(shù)是驗(yàn)證數(shù)控加工程序的強(qiáng)有力的工具，能檢驗(yàn)其可靠性以及精確性，并且在以后的也有更好的發(fā)展方向。

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作者簡(jiǎn)介：

董婷婷（1985-），南通工貿(mào)技師學(xué)院教師，特長數(shù)控銑加工中心編程與加工。