面向虚拟制造的数控加工仿真技术研究

姚德伟

【摘 要】随着科技的不断发展，计算机技术越来越多的应用于机械加工中。虚拟制造作为一种计算机模拟技术，在数控加工等领域得到了广泛应用。与传统数控加工相比，虚拟制造技术的应用大大节约了生产成本，不仅提高了生产质量和生产效率，也减少了材料浪费。此外，将虚拟制造应用于数控加工技术，还可以实现对远程客户或学习人员进行演示。本研究对面向虚拟制造的数控加工技术的特点及意义进行了探究，并简要介绍了虚拟技术在数控加工中的具体应用。

【关键词】虚拟制造；数控加工；仿真技术

0 前言

近几年来，数控加工技术得到了飞速发展，但传统数控加工技术在完成程序单的编写后必须进行首件试加工，以判断程序的可靠性。这一过程消耗了大量的人力物力。而虚拟制造技术可以通过计算机，对产品的设计和加工在三维空间中进行模拟。将虚拟制造应用于数控加工可以部分和完全代替试切环节，从而大大节约数控加工的生产成本。

1 虚拟制造数控加工技术概述

1.1 虚拟制造数控加工技术的意义

虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。而数控加工则是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化技术，它综合了计算机、自动控制、自动检测及精密制造等学科内容，目前在机械制造业中得到了广泛应用。将虚拟制造应用于数控加工技术，目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术并行地模拟出产品未来制造过程，检测产品的可制造性等。从而有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化和生产效率的最大化。

1.2 虚拟制造数控加工技术的特点

传统机床加工效率低，工人手工操作劳动量大，容易因为人为原因而导致工件质量不均衡。而虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本。将虚拟制造应用于数控加工，可以通过软件模拟工件的加工流程和加工效果，对所编流程中出现的不当操作，如过切和撞刀等及时加以修正。虚拟制造技术可以通过相关软件，真实地模拟出材料加工的三维场景，包括对毛坯的选材和设置、机床位置，选择刀具、编辑加工程序并进行动画模拟。在此过程中，用户可以清晰的观察到每一步流程后工件所处的状态，并对加工完成的成品进行三维测量，检测其表面粗糙度，再根据实际需要改变刀具进给量和其他参数。将虚拟制造技术应用于数控加工，不仅有利于技术人员更好地改进加工流程，也便于对新从业人员进行教学。虚拟制造数控加工技术可以极大限度的减少材料浪费，为改进机械加工路径提供重要保障。

1.3 虚拟制造数控加工技术的发展期望

与传统加工技术相比，虚拟制造数控加工技术有明显的优势。主要表现在产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计和加工，而不依赖于传统的原型样机的反复修改，提高质量、降低成本。而普通机床加工多由工人手动控制设备进行加工，容易出现操作不当、精度不够等问题，进行大批量生产时，需要耗费大量的人力物力，且由于操作技术等原因，可能造成加工质量层次不齐。工人在长时间的疲劳操作下，极有可能出现安全意识松懈，不按照规定操作进行加工，造成加工设备的损坏甚至自身安全也难以保证。虚拟制造数控加工技术可以有效解决上述问题。技术人员通过模拟软件对加工程序进行优化后，只需在设备中定时填充毛坯，即可通过设定程序进行自动加工，不但节省了人力，降低成本，也提高了加工精度，进一步缩短了加工时间，效率性和安全系数都大大提高。随着科技的不断发展，计算机技术和信息技术必将更加广泛的应用于人们生产生活的各个方面。因此可以预测，将虚拟制造应用于数控加工，具有良好的前景和发展空间。

2 虚拟制造数控加工的制造过程

2.1 如何进行虚拟制造

进行产品的设计之前，必须考虑客户的所有具体要求和加工方案的可行性。在此基础上首先进行基本零部件的设计，为简化设计流程，提高设计效率，一般优先选择通用性较好的标准零部件。通常先对链轮、螺栓、齿条、螺母等进行设计，再设计其它较为特殊的独立零部件。在零件设计过程中要严格按照国家标准进行设计，以便后期进行改进和维修。完成对各零部件的外观设计后，在虚拟数控设备中逐个进行工艺加工流程的设计和模拟。首先根据零部件的尺寸和性能和要求，在数控模拟软件中设计毛坯的材料和尺寸，选择加工刀具，确定参考点、参考坐标系、编程坐标系、程序原点与加工坐标系、加工原点，设置主轴转速等参数，再以所需零部件的外观为基础，进行加工程序的编辑。完成以上内容后，在虚拟加工设备上进行模拟加工，对加工过程中出现的配合间隙不当、过切、刀具碰撞及产品外观不符等问题进行程序和参数的修改。对加工程序进行多次模拟和改进，直至客户对加工产品的效果满意，方可进行实际生产。以上虚拟制造模拟的加工过程均在计算机上完成。

2.2 如何进行数控加工

数控加工，就是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。一般来说，在进行数控加工之前，首先要选择并确定进行数控加工的零件及内容，通过对零件进行工艺分析，初步确定加工工艺方法。再对零件的尺寸、倒角、表面粗糙度等一系列工艺要求进行进一步确定。根据所加工零件的要求，对其进行工艺加工程序的编写、校验和修改。完成加工程序单的改进后，為确保其可靠性，需要在实际加工前进行首件试加工与现场问题处理。对试切成品进行分析，进一步修改和完善加工程序，直至试切样品得到客户满意后，方可进行实际加工。

2.3 如何将虚拟制造应用到数控加工中去

为确保加工程序单的可靠性，传统数控加工在进行实际生产前，通常需要进行试切。试切次数由程序修改次数所决定，即每进行一次程序修改，在进行实际加工前都需要进行首件试加工，直到试加工的产品得到客户认可为止。这一过程既消耗了大量的人力物力，又延长了生产时间，加大了生产成本。而将虚拟制造应用于数控加工，便可解决这一问题。虚拟制造数控加工可通过计算机在三维场景中完成加工程序的模拟，设计者可以在模拟软件中完成包括毛坯设计、刀具选择、加工程序、加工参数等所有实际生产的流程，无需通过试切即可通过多次模拟完成加工程序单的改进，还可以向远程客户进行演示，大大节约了时间和经济成本。通过计算机模拟软件，完成加工程序的修正后，将其输入到数控设备中，即可不通过试切环节进行实际生产。

3 结语

与一般数控加工相比，将虚拟制造与数控加工技术相结合，可以大大提高生产效率，节约生产成本。这一技术在应用和教学方面都具有极大的优势。随着科技的飞速发展，计算机技术必将更多的应用到人们的生活生产中，面向虚拟制造的数控加工技术无疑具有十分广阔的发展前景和提升空间。

【参考文献】

[1]孙慧.宇龙数控虚拟仿真在SIEMENS810D铣削系统中的应用[J].包头职业技术学院学报，2014，（15）.

[2]周文.虚拟仿真技术在中职数控教学中的应用[J].计算机光盘软件与应用，2013（8）.