淺談虛擬加工技術與高效加工技術的結合

黃瑋

摘 要：隨著近年精益生產、柔性制造等技術在機械加工行業的發展，對加工中心利用效率的要求也日益提高。本文將主要討論虛擬現實技術與高效加工技術結合的優劣，并舉例分析。

關鍵詞：虛擬現實；虛擬加工；高效加工；HEM

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）14-0012-03

虛擬現實技術正日益深入地滲透到機械加工行業的方方面面。車削、銑削，沖切，折彎等等，現代最新的加工設備正在提供著越來越多的虛擬加工驗證技術。現代技術已經允許一個設計在草稿階段就開始對其整個零件生命周期進行驗證分析。例如通過物聯網技術尋求最合適材料，利用有限元技術分析零件使用壽命等等。虛擬加工技術，恰恰解決的是零件加工過程的驗證和優化。

1 技術背景

1.1 虛擬現實技術

引用Larijani在1994年的描述，虛擬現實（Virtual Reality，VR）是“一種由計算機合成的，允許人們通過適當的接口互動，對模擬出來的物理元素進行操縱的環境”。虛擬現實，具有4大關鍵特征：

多感知性：指除視覺感知外，還應具有如聽覺觸覺等一切必要的感知功能。

存在感：指用戶感受自身存在模擬環境中的真實程度。

自主性：指虛擬環境中的物體依據現實世界物理運動定律動作的程度。

交互性：指用戶對模擬環境內物體（對象）的可操作可溝通程度。

1.2 虛擬制造加工技術

脫胎自VR，虛擬制造技術（Virtual Manufacturing，VM）是一種基于計算機系統的，利用CAD模型，對目標對象進行模擬現實加工制造的技術。作為生產加工系統的延伸，VM主要被用于在設計研發階段，對產品的某些性能（如可靠性，工序工藝可行性等）進行驗證和優化。VM技術提供了一個虛擬測試平臺，在相當程度程度上節約了傳統模式下可能耗費的大量時間和資源。

虛擬加工（Virtual Machining）是虛擬制造技術的其中一個重要分支。在虛擬加工系統中，操作員通過操作界面與系統互動。系統將模擬生成作為中間介質的虛擬原材料，并使用對虛擬刀具（Virtual Machine Tool，VMT）依據準備好的NC加工程序對虛擬原料進行虛擬加工。整個虛擬加工過程中，虛擬原料的物理形狀將發生改變（布爾運算原理），并實時反映出理想狀態下當前CNC程序執行時被加工件的形態和狀態。同一時間，系統將檢查諸如加工工件、刀具、夾具等部件之間可能產生的碰撞和干涉等失誤，記錄到日志中，并生成干涉檢查報告。系統也將會把經虛擬加工完成的虛擬成品呈現給操作完檢查。

1.3 高效加工技術

有別于傳統高速加工技術（HSM）把精力集中在機床的進給速率和主軸轉速，高效加工技術（HEM）側重于優化切削效率，以獲得最大的材料切除率，進而達到全過程的循環時間最小化。在虛擬加工系統的輔助下，可以精確獲得出每個單位時間下刀具對原料的切削量。利用這些數據，HEM將精確計算出切除這些材料所需的最優切削力矩，進而計算出最優的進給速率和主軸轉速（圖1a）。于此同時，HEM還可以一定程度上降低加工過程對刀具的磨損。下圖（圖1b）是CGTech公司2007年在相同測試環境下HSM和HEM對刀具磨損影響的分析對比。

2 虛擬加工驗證與高效加工技術結合

為進一步了解VM與HEM結合對現實加工行業帶來的影響，此處搭建一個仿真對比試驗。本試驗所選用的工具、軟件平臺信息如表1。

依據機床相關數據，在PTC Pro/ENGINEER上建立機床簡易模型，導入虛擬加工平臺VERICUT，并建立輸入對應的坐標系信息（圖2）。

本例選用了PTC Pro/ENGINEER 樣例零件庫中的某曲軸連桿模型作為對象，使用建議開模功能制作了如下圖示的工件作為虛擬加工成品零件（圖3）。

虛擬零件導入Pro/TOOLMAKER，新建如下所示刀具清單（表2），查手冊計算出相應的進給和轉速（表3），并根據軟件建議自動生成CNC加工程序（圖4）。

建立虛擬原料和夾具，把所有相關信息導入虛擬加工系統，進行虛擬加工驗證，如圖5。

進行OptiPath分析（CGTech VERICUT平臺上的一種HEM優化技術），再次進行虛擬加工驗證，如圖6。

根據此模擬結果，經傳統自動加工編程并手動優化的程序，與經OptiPath技術優化的程序相比較，在本試驗平臺上，獲得了39%的整體加工時間縮短。考慮到本試驗所選用的工件可能并不具備普遍代表性，引用CG Tech公司的官方研究數據，此種HEM衍生技術一般可提高10-30%的加工能效。

3 結論

綜上描述分析和試驗結果，虛擬加工VM與高效加工HEM技術的結合應用在實踐上具有相當廣闊的前景，具備顯著提高機械加工行業生產效率的潛力。

參考文獻

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