面向虛擬制造的數(shù)控加工仿真技術(shù)研究

姚德偉

【摘 要】隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越多的應(yīng)用于機(jī)械加工中。虛擬制造作為一種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，在數(shù)控加工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)數(shù)控加工相比，虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也減少了材料浪費(fèi)。此外，將虛擬制造應(yīng)用于數(shù)控加工技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程客戶或?qū)W習(xí)人員進(jìn)行演示。本研究對(duì)面向虛擬制造的數(shù)控加工技術(shù)的特點(diǎn)及意義進(jìn)行了探究，并簡要介紹了虛擬技術(shù)在數(shù)控加工中的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】虛擬制造；數(shù)控加工；仿真技術(shù)

0 前言

近幾年來，數(shù)控加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但傳統(tǒng)數(shù)控加工技術(shù)在完成程序單的編寫后必須進(jìn)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(shù)可以通過計(jì)算機(jī)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工在三維空間中進(jìn)行模擬。將虛擬制造應(yīng)用于數(shù)控加工可以部分和完全代替試切環(huán)節(jié)，從而大大節(jié)約數(shù)控加工的生產(chǎn)成本。

1 虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)概述

1.1 虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)的意義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實(shí)或虛幻環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實(shí)，使人能夠憑借直覺作用于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬制造技術(shù)是在一個(gè)統(tǒng)一模型之下對(duì)設(shè)計(jì)和制造等過程進(jìn)行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的仿真真實(shí)過程的實(shí)體數(shù)字模型之上。而數(shù)控加工則是20世紀(jì)40年代后期發(fā)展起來的一種自動(dòng)化技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測及精密制造等學(xué)科內(nèi)容，目前在機(jī)械制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。將虛擬制造應(yīng)用于數(shù)控加工技術(shù)，目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，借助建模與仿真技術(shù)并行地模擬出產(chǎn)品未來制造過程，檢測產(chǎn)品的可制造性等。從而有力地降低由于前期設(shè)計(jì)給后期制造帶來的回溯更改，達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率的最大化。

1.2 虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)機(jī)床加工效率低，工人手工操作勞動(dòng)量大，容易因?yàn)槿藶樵蚨鴮?dǎo)致工件質(zhì)量不均衡。而虛擬制造技術(shù)將從根本上改變了設(shè)計(jì)、試制、修改設(shè)計(jì)、規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。在產(chǎn)品真正制出之前，首先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型，對(duì)其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評(píng)價(jià)，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。將虛擬制造應(yīng)用于數(shù)控加工，可以通過軟件模擬工件的加工流程和加工效果，對(duì)所編流程中出現(xiàn)的不當(dāng)操作，如過切和撞刀等及時(shí)加以修正。虛擬制造技術(shù)可以通過相關(guān)軟件，真實(shí)地模擬出材料加工的三維場景，包括對(duì)毛坯的選材和設(shè)置、機(jī)床位置，選擇刀具、編輯加工程序并進(jìn)行動(dòng)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(tài)，并對(duì)加工完成的成品進(jìn)行三維測量，檢測其表面粗糙度，再根據(jù)實(shí)際需要改變刀具進(jìn)給量和其他參數(shù)。將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控加工，不僅有利于技術(shù)人員更好地改進(jìn)加工流程，也便于對(duì)新從業(yè)人員進(jìn)行教學(xué)。虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)可以極大限度的減少材料浪費(fèi)，為改進(jìn)機(jī)械加工路徑提供重要保障。

1.3 虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展期望

與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)在產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬模型，在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測試，甚至設(shè)計(jì)人員或用戶可“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)和加工，而不依賴于傳統(tǒng)的原型樣機(jī)的反復(fù)修改，提高質(zhì)量、降低成本。而普通機(jī)床加工多由工人手動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行加工，容易出現(xiàn)操作不當(dāng)、精度不夠等問題，進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，需要耗費(fèi)大量的人力物力，且由于操作技術(shù)等原因，可能造成加工質(zhì)量層次不齊。工人在長時(shí)間的疲勞操作下，極有可能出現(xiàn)安全意識(shí)松懈，不按照規(guī)定操作進(jìn)行加工，造成加工設(shè)備的損壞甚至自身安全也難以保證。虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)可以有效解決上述問題。技術(shù)人員通過模擬軟件對(duì)加工程序進(jìn)行優(yōu)化后，只需在設(shè)備中定時(shí)填充毛坯，即可通過設(shè)定程序進(jìn)行自動(dòng)加工，不但節(jié)省了人力，降低成本，也提高了加工精度，進(jìn)一步縮短了加工時(shí)間，效率性和安全系數(shù)都大大提高。隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)必將更加廣泛的應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。因此可以預(yù)測，將虛擬制造應(yīng)用于數(shù)控加工，具有良好的前景和發(fā)展空間。

2 虛擬制造數(shù)控加工的制造過程

2.1 如何進(jìn)行虛擬制造

進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(chǔ)上首先進(jìn)行基本零部件的設(shè)計(jì)，為簡化設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)效率，一般優(yōu)先選擇通用性較好的標(biāo)準(zhǔn)零部件。通常先對(duì)鏈輪、螺栓、齒條、螺母等進(jìn)行設(shè)計(jì)，再設(shè)計(jì)其它較為特殊的獨(dú)立零部件。在零件設(shè)計(jì)過程中要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便后期進(jìn)行改進(jìn)和維修。完成對(duì)各零部件的外觀設(shè)計(jì)后，在虛擬數(shù)控設(shè)備中逐個(gè)進(jìn)行工藝加工流程的設(shè)計(jì)和模擬。首先根據(jù)零部件的尺寸和性能和要求，在數(shù)控模擬軟件中設(shè)計(jì)毛坯的材料和尺寸，選擇加工刀具，確定參考點(diǎn)、參考坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系、程序原點(diǎn)與加工坐標(biāo)系、加工原點(diǎn)，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)，再以所需零部件的外觀為基礎(chǔ)，進(jìn)行加工程序的編輯。完成以上內(nèi)容后，在虛擬加工設(shè)備上進(jìn)行模擬加工，對(duì)加工過程中出現(xiàn)的配合間隙不當(dāng)、過切、刀具碰撞及產(chǎn)品外觀不符等問題進(jìn)行程序和參數(shù)的修改。對(duì)加工程序進(jìn)行多次模擬和改進(jìn)，直至客戶對(duì)加工產(chǎn)品的效果滿意，方可進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。以上虛擬制造模擬的加工過程均在計(jì)算機(jī)上完成。

2.2 如何進(jìn)行數(shù)控加工

數(shù)控加工，就是泛指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝過程。一般來說，在進(jìn)行數(shù)控加工之前，首先要選擇并確定進(jìn)行數(shù)控加工的零件及內(nèi)容，通過對(duì)零件進(jìn)行工藝分析，初步確定加工工藝方法。再對(duì)零件的尺寸、倒角、表面粗糙度等一系列工藝要求進(jìn)行進(jìn)一步確定。根據(jù)所加工零件的要求，對(duì)其進(jìn)行工藝加工程序的編寫、校驗(yàn)和修改。完成加工程序單的改進(jìn)后，為確保其可靠性，需要在實(shí)際加工前進(jìn)行首件試加工與現(xiàn)場問題處理。對(duì)試切成品進(jìn)行分析，進(jìn)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(jìn)行實(shí)際加工。

2.3 如何將虛擬制造應(yīng)用到數(shù)控加工中去

為確保加工程序單的可靠性，傳統(tǒng)數(shù)控加工在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)前，通常需要進(jìn)行試切。試切次數(shù)由程序修改次數(shù)所決定，即每進(jìn)行一次程序修改，在進(jìn)行實(shí)際加工前都需要進(jìn)行首件試加工，直到試加工的產(chǎn)品得到客戶認(rèn)可為止。這一過程既消耗了大量的人力物力，又延長了生產(chǎn)時(shí)間，加大了生產(chǎn)成本。而將虛擬制造應(yīng)用于數(shù)控加工，便可解決這一問題。虛擬制造數(shù)控加工可通過計(jì)算機(jī)在三維場景中完成加工程序的模擬，設(shè)計(jì)者可以在模擬軟件中完成包括毛坯設(shè)計(jì)、刀具選擇、加工程序、加工參數(shù)等所有實(shí)際生產(chǎn)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(jìn)，還可以向遠(yuǎn)程客戶進(jìn)行演示，大大節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。通過計(jì)算機(jī)模擬軟件，完成加工程序的修正后，將其輸入到數(shù)控設(shè)備中，即可不通過試切環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié)語

與一般數(shù)控加工相比，將虛擬制造與數(shù)控加工技術(shù)相結(jié)合，可以大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。這一技術(shù)在應(yīng)用和教學(xué)方面都具有極大的優(yōu)勢。隨著科技的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)必將更多的應(yīng)用到人們的生活生產(chǎn)中，面向虛擬制造的數(shù)控加工技術(shù)無疑具有十分廣闊的發(fā)展前景和提升空間。

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