面向虛擬制造的數控加工仿真技術研究

姚德偉

【摘 要】隨著科技的不斷發展，計算機技術越來越多的應用于機械加工中。虛擬制造作為一種計算機模擬技術，在數控加工等領域得到了廣泛應用。與傳統數控加工相比，虛擬制造技術的應用大大節約了生產成本，不僅提高了生產質量和生產效率，也減少了材料浪費。此外，將虛擬制造應用于數控加工技術，還可以實現對遠程客戶或學習人員進行演示。本研究對面向虛擬制造的數控加工技術的特點及意義進行了探究，并簡要介紹了虛擬技術在數控加工中的具體應用。

【關鍵詞】虛擬制造；數控加工；仿真技術

0 前言

近幾年來，數控加工技術得到了飛速發展，但傳統數控加工技術在完成程序單的編寫后必須進行首件試加工，以判斷程序的可靠性。這一過程消耗了大量的人力物力。而虛擬制造技術可以通過計算機，對產品的設計和加工在三維空間中進行模擬。將虛擬制造應用于數控加工可以部分和完全代替試切環節，從而大大節約數控加工的生產成本。

1 虛擬制造數控加工技術概述

1.1 虛擬制造數控加工技術的意義

虛擬現實技術是使用感官組織仿真設備和真實或虛幻環境的動態模型生成或創造出人能夠感知的環境或現實，使人能夠憑借直覺作用于計算機產生的三維仿真模型的虛擬環境。基于虛擬現實技術的虛擬制造技術是在一個統一模型之下對設計和制造等過程進行集成，它將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的仿真真實過程的實體數字模型之上。而數控加工則是20世紀40年代后期發展起來的一種自動化技術，它綜合了計算機、自動控制、自動檢測及精密制造等學科內容，目前在機械制造業中得到了廣泛應用。將虛擬制造應用于數控加工技術，目的是在產品設計階段，借助建模與仿真技術并行地模擬出產品未來制造過程，檢測產品的可制造性等。從而有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改，達到產品的開發周期和成本最小化、產品設計質量的最優化和生產效率的最大化。

1.2 虛擬制造數控加工技術的特點

傳統機床加工效率低，工人手工操作勞動量大，容易因為人為原因而導致工件質量不均衡。而虛擬制造技術將從根本上改變了設計、試制、修改設計、規模生產的傳統制造模式。在產品真正制出之前，首先在虛擬制造環境中生成軟產品原型，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產品的設計與制造周期，降低產品的開發成本。將虛擬制造應用于數控加工，可以通過軟件模擬工件的加工流程和加工效果，對所編流程中出現的不當操作，如過切和撞刀等及時加以修正。虛擬制造技術可以通過相關軟件，真實地模擬出材料加工的三維場景，包括對毛坯的選材和設置、機床位置，選擇刀具、編輯加工程序并進行動畫模擬。在此過程中，用戶可以清晰的觀察到每一步流程后工件所處的狀態，并對加工完成的成品進行三維測量，檢測其表面粗糙度，再根據實際需要改變刀具進給量和其他參數。將虛擬制造技術應用于數控加工，不僅有利于技術人員更好地改進加工流程，也便于對新從業人員進行教學。虛擬制造數控加工技術可以極大限度的減少材料浪費，為改進機械加工路徑提供重要保障。

1.3 虛擬制造數控加工技術的發展期望

與傳統加工技術相比，虛擬制造數控加工技術有明顯的優勢。主要表現在產品與制造環境是虛擬模型，在計算機上對虛擬模型進行產品設計、制造、測試，甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環境檢驗其設計和加工，而不依賴于傳統的原型樣機的反復修改，提高質量、降低成本。而普通機床加工多由工人手動控制設備進行加工，容易出現操作不當、精度不夠等問題，進行大批量生產時，需要耗費大量的人力物力，且由于操作技術等原因，可能造成加工質量層次不齊。工人在長時間的疲勞操作下，極有可能出現安全意識松懈，不按照規定操作進行加工，造成加工設備的損壞甚至自身安全也難以保證。虛擬制造數控加工技術可以有效解決上述問題。技術人員通過模擬軟件對加工程序進行優化后，只需在設備中定時填充毛坯，即可通過設定程序進行自動加工，不但節省了人力，降低成本，也提高了加工精度，進一步縮短了加工時間，效率性和安全系數都大大提高。隨著科技的不斷發展，計算機技術和信息技術必將更加廣泛的應用于人們生產生活的各個方面。因此可以預測，將虛擬制造應用于數控加工，具有良好的前景和發展空間。

2 虛擬制造數控加工的制造過程

2.1 如何進行虛擬制造

進行產品的設計之前，必須考慮客戶的所有具體要求和加工方案的可行性。在此基礎上首先進行基本零部件的設計，為簡化設計流程，提高設計效率，一般優先選擇通用性較好的標準零部件。通常先對鏈輪、螺栓、齒條、螺母等進行設計，再設計其它較為特殊的獨立零部件。在零件設計過程中要嚴格按照國家標準進行設計，以便后期進行改進和維修。完成對各零部件的外觀設計后，在虛擬數控設備中逐個進行工藝加工流程的設計和模擬。首先根據零部件的尺寸和性能和要求，在數控模擬軟件中設計毛坯的材料和尺寸，選擇加工刀具，確定參考點、參考坐標系、編程坐標系、程序原點與加工坐標系、加工原點，設置主軸轉速等參數，再以所需零部件的外觀為基礎，進行加工程序的編輯。完成以上內容后，在虛擬加工設備上進行模擬加工，對加工過程中出現的配合間隙不當、過切、刀具碰撞及產品外觀不符等問題進行程序和參數的修改。對加工程序進行多次模擬和改進，直至客戶對加工產品的效果滿意，方可進行實際生產。以上虛擬制造模擬的加工過程均在計算機上完成。

2.2 如何進行數控加工

數控加工，就是泛指在數控機床上進行零件加工的工藝過程。一般來說，在進行數控加工之前，首先要選擇并確定進行數控加工的零件及內容，通過對零件進行工藝分析，初步確定加工工藝方法。再對零件的尺寸、倒角、表面粗糙度等一系列工藝要求進行進一步確定。根據所加工零件的要求，對其進行工藝加工程序的編寫、校驗和修改。完成加工程序單的改進后，為確保其可靠性，需要在實際加工前進行首件試加工與現場問題處理。對試切成品進行分析，進一步修改和完善加工程序，直至試切樣品得到客戶滿意后，方可進行實際加工。

2.3 如何將虛擬制造應用到數控加工中去

為確保加工程序單的可靠性，傳統數控加工在進行實際生產前，通常需要進行試切。試切次數由程序修改次數所決定，即每進行一次程序修改，在進行實際加工前都需要進行首件試加工，直到試加工的產品得到客戶認可為止。這一過程既消耗了大量的人力物力，又延長了生產時間，加大了生產成本。而將虛擬制造應用于數控加工，便可解決這一問題。虛擬制造數控加工可通過計算機在三維場景中完成加工程序的模擬，設計者可以在模擬軟件中完成包括毛坯設計、刀具選擇、加工程序、加工參數等所有實際生產的流程，無需通過試切即可通過多次模擬完成加工程序單的改進，還可以向遠程客戶進行演示，大大節約了時間和經濟成本。通過計算機模擬軟件，完成加工程序的修正后，將其輸入到數控設備中，即可不通過試切環節進行實際生產。

3 結語

與一般數控加工相比，將虛擬制造與數控加工技術相結合，可以大大提高生產效率，節約生產成本。這一技術在應用和教學方面都具有極大的優勢。隨著科技的飛速發展，計算機技術必將更多的應用到人們的生活生產中，面向虛擬制造的數控加工技術無疑具有十分廣闊的發展前景和提升空間。

【參考文獻】

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