面向虚拟制造的数控加工仿真技术研究

林柔红

摘 要：对国内制造业现有的情况进行了分析，阐述了虚拟制造的技术和特点以及虚拟制造对制造业数控加工的工作过程的影响。

关键词：虚拟制造；数控加工；加工周期；前期设计

中图分类号：TG659 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.058

制造业一直以来都是我国国民经济发展的支柱性产业，随着中国经济发展的逐步加快，制造业的弊端也逐渐体现出来，比如产品生产水平低、产品质量不稳定、生产产品的机械设备水平不及国际先进水平的10%；生产调度缺失，往往会出现产品分散、协调性差的问题；技术水平差，以往加工零件都是根据加工者的经验来试切，以检查加工的准确性和零件是否达到预期目的，这不仅延长了加工周期，还增加了成本；生产产品的设备老旧，生产工艺落后，人才储备不足，导致企业的发展缓慢。为了解决这一系列问题，我们将虚拟制造技术运用到了产品的前期设计、加工中来。

1 虚拟制造的技术及特点

虚拟制造技术指的是产品在成批量加工前，不需要制作实物样品，而是运用计算机模拟软件，比如CAD/CAM/CAE技术等建模软件来完成产品的虚拟加工制造，并检验产品各个机构零部件间的装配关系是否合理，NC加工路径是否有撞刀或过切的现象。如果有错误的，则可以及时反馈并在软件中修改、更正，重新修改零件加工路径以及零件整体的装配尺寸，从而符合要求。这一系列工作都可以在计算机中进行，因此，可以运用互联网完成。通过虚拟制造技术可节省时间，缩短产品的设计周期，从而控制成本，大大提高了产业在同行业中的竞争力。

2 虚拟制造相对数控加工的过程

虚拟制造的第一步就是了解工作的目标是什么，要整体了解客户的需求，所需产品的要求，细心听取客户意见并整理归纳，总结出产品的外形结构、功能特征、性能要求。从而进行后期的产品虚拟设计、工艺安排、产品零部件设计、机构后期装配、虚拟运行等。经过客户的反复验收，直至获得客户的认可后，方可进行实物制作。

虚拟制造首先要设计的是最基本的零部件，对于零部件的设计，通常我们都会优先选用标准件，这样会大大缩短设计时间，也使设计的产品有极高的通用性。一般情况下，优先进行齿轮齿条、链轮、螺栓螺母、切削螺纹的设计，后进行一些独立零件机构的设计，从而完成某种特定的运动方式，达到预期的工作目标。这些都可以采用国家标准，运用标准的理论公式、参数不断修改，并运用有限元分析、边界元检查、实验检查等方法，完成虚拟制造中的计算机标准设计和多次优化更改。

由于设计的零部件都是用的国标和图集的最高基础标准，所以，为今后的维修、更换提供了保障。对于每个零件，都是经过标准设计的，已经满足强度、韧性、疲劳强度、静态平衡和动态平衡等要求，形成的各种零件的外形、用途、行为意图等属性的结果满足性能要求后，再经过外形的美观设计，确定表面颜色、纹理渲染，产出最终成品模型。

虚拟设计由虚拟制造设备来完成，此处的虚拟设备就是一个模拟的数控加工仿真设备，以上的零部件都是由这个虚拟的数控加工设备来完成制作的，且大多数独立设计的零部件机构都需要加工制作。对于加工零件的设备，可在虚拟的设备中体现设备的功能特征和形态特征，比如数控机床的工作主轴转速、进给速度等。对设计的零部件先采用CAD、Solidworks、Pro-E、UG等软件进行外观设计，再将各个机构分解成每个零部件，比如链轮机构分解为主动链轮、从动链轮、链条、主轴、从动轴等，然后将各个零件分别放入虚拟的数控设备，确定好基准坐标，依照坐标的变换关系完成动作的运行。运动模块具备了虚拟的数控设备的各种运动功能，虚拟数控机床由外部输入的数据控制，设备对数据进行分析处理，并输出相对应的控制运动参数，控制相应的几何模块的位置变换和运动，实现模拟的物理设备加工运行。依托各个模块设备的运动数据支配相对应的运动系统，每个模块都以规定好的数控参数运动。具体而言，应先确定原始坐标基准、加工坐标基准、机床原点、加工原点，并依据数控铣刀插补的原则，确定铣刀转速、走刀速度、加工距离，根据不同的数控加工系统原代码编制圆弧刀路、直线刀路、抛物线刀路插补规则。虚拟的数控加工可以很好地检查和避免加工工艺中的工装夹具、加工刀具和被加工工件在加工过程中出现的碰撞。在试驾加工前，先进行虚拟加工，确定不会存在撞刀损坏机床和零件过切的情况后，方可進行实际加工。对于加工使用的虚拟的数控设备，应严格控制主轴的快慢转速、正反转向、单轴运动、多轴联动、换刀等。产品加工过程如图1所示。

基于以上虚拟制造的数控加工的方式，形成了一整套虚拟三位加工系统，此系统由虚拟的数控加工系统驱动，把机械零部件从毛坯的形式装换成成品。此过程全程在计算机系统中运行。设计者全程监控零件加工过程中的撞刀和过切现象以及后期的成品装配，从而评定零件机构生产的可行性。此外，还可以为数控加工的学员提供直观的学习过程，避免在实际操作时的误操作损坏设备。

3 结束语

随着中国经济的不断发展，企业对虚拟制造技术的需求越发重视。虚拟制造引入数控加工大大提高了企业的发展速度。通过虚拟的设计和制造，缩短了实际加工中的加工时间，大大缩短了设计周期，节约了成本，提高了经济性，数控加工技术的虚拟制造引入有效促进了我国在现代科学技术方面的快速发展。虚拟制造的出现让我国在工业方面的发展紧追全球化经济的脚步。基于虚拟制造的创新发展，必定会对我国的制造业发展产生更加深远的推动。

参考文献

[1]黄雪梅，高国利，王启义.拟实制造的机械加工过程仿真[J].机械设计与制造，1999（06）.

[2]史永芳，田启华.虚拟制造中数控加工仿真的研究与开发[J].三峡大学学报（自然科学版），2006（01）.

〔编辑：张思楠〕