計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用研究

袁磊

摘要： 在數(shù)控加工過程中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高數(shù)控機(jī)床的使用效率，保證加工質(zhì)量。本文簡(jiǎn)單闡述了虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的意義、特點(diǎn)及發(fā)發(fā)展前景，對(duì)計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

Abstract： In the process of CNC machining， the application of virtual simulation technology can effectively improve the efficiency of CNC machine tools and ensure the quality of machining. This paper briefly expounds the significance， characteristics and development prospects of virtual simulation technology in CNC machining， and discusses the application of computer virtual simulation technology in CNC machining.

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī);虛擬仿真技術(shù);數(shù)控加工

Key words： computer;virtual simulation technology;CNC machining

中圖分類號(hào)：TG519.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0197-02

0? 引言

隨著零件加工過程的復(fù)雜化日益嚴(yán)重，為保證零件加工效率和加工質(zhì)量，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到零件的數(shù)控加工中，是研究和設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的有效工具，充分利用虛擬仿真技術(shù)服務(wù)于數(shù)控加工生產(chǎn)，可以有效提高數(shù)控加工的精度和質(zhì)量。

1? 虛擬仿真技術(shù)概述

所謂的虛擬仿真技術(shù)，是指以先進(jìn)的多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)為主要基礎(chǔ)，以移動(dòng)通訊和互聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)的一種快速發(fā)展的信息技術(shù)，它是將仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)地融入到一起并應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的一種比較先進(jìn)的模擬仿真技術(shù)。虛擬模擬仿真技術(shù)是綜合性訓(xùn)練和新技術(shù)交叉研究的學(xué)科，是推動(dòng)人類社會(huì)轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略性成果。

虛擬仿真技術(shù)具有集成化、虛擬和網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)特點(diǎn)，充分滿足了現(xiàn)代仿真技術(shù)發(fā)展的需要。而虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用，就是利用先進(jìn)的技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立虛擬加工仿真系統(tǒng)，對(duì)加工情況進(jìn)行預(yù)先檢查，以確定數(shù)控加工操作的正確性和一致性。

而且計(jì)算機(jī)往往不能準(zhǔn)確識(shí)別外部信息，因此我們需要有一套相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型去反映一個(gè)事物的本質(zhì)特性。通過這種數(shù)學(xué)模型可以清楚地反映所要研究的對(duì)象其性質(zhì)和特點(diǎn)，通過這種方式對(duì)模型進(jìn)行變換，利用計(jì)算機(jī)算法等方式，將這種數(shù)學(xué)模型直接轉(zhuǎn)化為其他計(jì)算機(jī)可以直接處理的方法和形式，即可以構(gòu)造一種仿真模型。仿真模型是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)所需要建立的模型進(jìn)行了仿真，得到了相應(yīng)的仿真結(jié)果。

2? 虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)概述

2.1 在數(shù)控加工中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的意義

隨著可視化技術(shù)和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和緊密結(jié)合之后，仿真技術(shù)也越來越成熟，其產(chǎn)品得到了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造工程師的廣泛認(rèn)可。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控加工，可以有效地提高數(shù)控機(jī)床的利用率和生產(chǎn)率。隨著社會(huì)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床逐漸取代了傳統(tǒng)工藝中使用的設(shè)備，但從更昂貴的設(shè)備來看，數(shù)控機(jī)床行業(yè)，滿足了操作人員較高的技術(shù)要求，有效避免虛擬仿真技術(shù)具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)成本，從而保留了數(shù)控機(jī)床的精度和領(lǐng)域。提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率。

此外，虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用有助于有效地減小誤差，提高數(shù)控加工精度?；跀?shù)字控制的虛擬仿真應(yīng)用程序允許在實(shí)際轉(zhuǎn)換之前模擬訓(xùn)練，通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程，模擬切割能夠有效地控制，無論是對(duì)是錯(cuò)，從刀具軌跡上驗(yàn)證了數(shù)控加工過程的正確執(zhí)行，仿真技術(shù)提高了數(shù)控加工的精度。它還可以有效地保護(hù)數(shù)控加工設(shè)備的使用，延長(zhǎng)其使用壽命。虛擬仿真切削的實(shí)踐有效地避免了數(shù)控機(jī)床因加工誤差而造成的損壞，從而延長(zhǎng)了數(shù)控機(jī)床的使用壽命，提高了數(shù)控機(jī)床使用企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。

2.2 虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)的特點(diǎn)

由于傳統(tǒng)機(jī)床的加工效率較低，人工作業(yè)量較多，容易因?yàn)槿斯ぴ蛏a(chǎn)出質(zhì)量不均勻的工件。虛擬模擬仿真技術(shù)將會(huì)從根本上改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改裝、規(guī)?；a(chǎn)等制造方式。軟件產(chǎn)品的原型首先是在一個(gè)虛擬和仿真環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)，然后再對(duì)其進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，并對(duì)它們的性能及其可以制造的效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。縮短了生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和制造的周期，減少了生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和研發(fā)的成本。虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)控加工中的廣泛應(yīng)用，通過軟件模擬各種工件加工過程及其加工結(jié)果，及時(shí)地糾正各種加工過程中超切、沖擊刀具等的加工誤差。它是出現(xiàn)于制造生產(chǎn)過程中。虛擬仿真技術(shù)是一種利用相關(guān)的軟件對(duì)物體或者機(jī)器人等材料加工的三維情境下所進(jìn)行真正模擬的技術(shù)，包括刀具類型的選擇和配置、機(jī)床位置、刀具類型的選擇等。在這個(gè)操作過程中，用戶能夠非常清楚的觀察得到工件在每個(gè)操作工序后的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于成品刀具進(jìn)行三維的測(cè)量，控制其表面的粗糙度，然后根據(jù)實(shí)際情況修改刀具的加工進(jìn)度等各種參數(shù)。將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于數(shù)控加工領(lǐng)域中，不僅有利于培養(yǎng)更多專業(yè)技能較強(qiáng)的加工技術(shù)人才，也有利于培養(yǎng)新型從業(yè)者。虛擬仿真數(shù)控加工技術(shù)大大減少了材料的浪費(fèi)，是改善機(jī)械加工過程的重要保證。

2.3 虛擬制造數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展前景

與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，數(shù)控虛擬仿真技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。虛擬模型是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的，甚至設(shè)計(jì)師或用戶也可以“進(jìn)入”虛擬仿真環(huán)境來測(cè)試他們的設(shè)計(jì)和改造，而不必依賴于對(duì)傳統(tǒng)原型的重復(fù)修改。相比之下，普通機(jī)床的加工往往是由人工控制設(shè)備的工人來完成的，這可能會(huì)導(dǎo)致操作不當(dāng)和精度度低下的問題。工人長(zhǎng)時(shí)間勞累、安全意識(shí)不強(qiáng)、不按計(jì)劃操作，很可能造成加工設(shè)備損壞，甚至難以保證自身安全。應(yīng)用虛擬仿真的數(shù)控加工技術(shù)可以有效地解決這些問題。利用仿真軟件對(duì)加工程序進(jìn)行優(yōu)化后，技術(shù)人員只需定期在硬件中填入毛坯，就可以自動(dòng)編程，既節(jié)省了人力，又降低了成本，同時(shí)提高了加工精度，進(jìn)一步縮短了加工時(shí)間，大大提高了效率和安全性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)必將在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。因此，虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用具有良好的發(fā)展空間和發(fā)展前景。

3? 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用

3.1 進(jìn)行虛擬制造

在開始產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前，必須考慮客戶的所有具體要求和處理方案的可行性。在此基礎(chǔ)上，首先對(duì)核心部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)效率，一般優(yōu)先選用通用性較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)部件。鏈輪、螺栓、齒條、螺母等通常在設(shè)計(jì)其他更具體的單個(gè)部件之前首先進(jìn)行設(shè)計(jì)。零件設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以便于后續(xù)改進(jìn)和維修。在完成了各部件的外形設(shè)計(jì)后，在虛擬數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行了基于實(shí)例的制造過程設(shè)計(jì)與仿真。首先對(duì)零件的尺寸和性能要求、原材料在計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）仿真軟件設(shè)計(jì)中的尺寸和加工刀具的尺寸，設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)，原點(diǎn)，根據(jù)參考坐標(biāo)系，根據(jù)坐標(biāo)系變換的原點(diǎn)，設(shè)置速度等參數(shù)，在必要的零部件基礎(chǔ)上，進(jìn)行變換編輯器。在上述工作完成之后，需要在虛擬加工設(shè)備上進(jìn)行仿真工作，對(duì)加工過程中存在的調(diào)整偏差不合適、超高、切削沖擊、產(chǎn)品外觀缺陷等問題進(jìn)行程序和參數(shù)的修改。對(duì)加工過程進(jìn)行多次模擬和細(xì)化，直到客戶對(duì)加工產(chǎn)品的結(jié)果感到滿意，才能進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。技術(shù)人員完全在計(jì)算機(jī)上完成了上述虛擬制造仿真的制作過程。

3.2 進(jìn)行數(shù)控加工

所謂數(shù)控加工，是一種泛指在各種數(shù)控機(jī)床上直接實(shí)現(xiàn)零部件加工的技術(shù)流程。一般而言，在我們開始設(shè)計(jì)和進(jìn)行所有自動(dòng)化數(shù)控加工之前，首先我們就需要正確地選擇和制備以及確定各種需要設(shè)計(jì)和制造的可以自動(dòng)化數(shù)控加工的各種零部件及其內(nèi)容，通過對(duì)這些自動(dòng)化的零部件及其內(nèi)容分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造工藝分析，初步地確定了其中各種制造工藝的特點(diǎn)和技術(shù)方法。再針對(duì)不同種類零部件在設(shè)計(jì)時(shí)的尺寸、倒角、表面粗糙度方面作出一系列工藝規(guī)范的確定。按照需要加工的各種零件的要求，對(duì)其中作業(yè)材料分別進(jìn)行了工藝加工中的文字編寫、校驗(yàn)及整理修改。當(dāng)我們?cè)谕瓿闪耸准y(cè)試程序單的設(shè)計(jì)與技術(shù)性改進(jìn)之后，為了能夠確保它們的可靠性，就必須在實(shí)際開始進(jìn)行首件測(cè)試加工之前就必須做好首件測(cè)試加工和現(xiàn)場(chǎng)中存在問題的處理。對(duì)試制產(chǎn)品中成品重量的影響進(jìn)行了分析，進(jìn)一步地修改和優(yōu)化了加工過程，直至試切樣品得到客戶滿意后，方可進(jìn)行實(shí)際加工。

3.3 將虛擬制造應(yīng)用到數(shù)控加工中去

現(xiàn)代機(jī)器的研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使其能夠把某些應(yīng)用程序直接集成到一些高性能的設(shè)備上，從而使得電腦和計(jì)算機(jī)能夠有更大的可靠性和工作效率，同時(shí)能夠提高電腦的設(shè)計(jì)和處理速度。在數(shù)控加工中，無論是對(duì)于材料的質(zhì)量資訊還是對(duì)于零件的體積和數(shù)量，都必須經(jīng)常進(jìn)行復(fù)雜的電腦和計(jì)算機(jī)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于數(shù)控制造加工起著十分重要的作用，在我國大型企業(yè)生產(chǎn)中也被廣泛應(yīng)用。為了保證加工程序的可靠性，傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)往往必須對(duì)其進(jìn)行切換到實(shí)際生產(chǎn)前的檢測(cè)。切削次數(shù)的確定是由程序中需要修改的次數(shù)來確定，即每一次程序中的切削次數(shù)修改都必須是在現(xiàn)場(chǎng)上實(shí)際地進(jìn)行第一次的測(cè)試，直到所有經(jīng)過測(cè)試的產(chǎn)品都被客戶所接受。該生產(chǎn)工藝耗費(fèi)大量的人員和原材料，增加了設(shè)備的生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。虛擬制造技術(shù)的運(yùn)用在數(shù)控加工中已經(jīng)有了很多的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)數(shù)控虛擬制造技術(shù)是在三維的場(chǎng)景下完成仿真轉(zhuǎn)換的一個(gè)復(fù)雜過程，設(shè)計(jì)人員就可以直接使用粗加工仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、刀具的選擇、程序設(shè)計(jì)。在所有生產(chǎn)流程的設(shè)計(jì)和加工參數(shù)中，無需再經(jīng)過多次的模擬就能完成它們的加工流程，也就是說它們可以遠(yuǎn)程向客戶進(jìn)行證明，大大地節(jié)省了時(shí)間和成本。通過計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行仿真，在對(duì)加工程序進(jìn)行修正后，將其引入到數(shù)控設(shè)備中，可以在不經(jīng)過試驗(yàn)和切割階段的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)。

4? 結(jié)束語

與一般的數(shù)控加工設(shè)備相比，將虛擬化制造和數(shù)控加工等技術(shù)緊密結(jié)合，能夠大幅度地改善生產(chǎn)質(zhì)量，節(jié)省生產(chǎn)費(fèi)用。此種技術(shù)無論是在應(yīng)用還是教學(xué)上，它均具備很強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為了使我們能夠更好地利用數(shù)控機(jī)床的虛擬仿真技術(shù)，必須首先要清楚地明確它們所應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床制造過程中的基本工作原理，按照所需要的工作原則來開展各種操作，確保這些技術(shù)能夠充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)我國現(xiàn)代化數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

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