1、前言

　　制造業的發展對產品性能、規格、品種不斷提出新的要求，產品的生命周期越來越短，新產品的開發時間是決定性因素。虛擬制造技術(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模擬由產品設計、制造到裝配的全過程，對設計與制造過程中可能出現的問題進行分析與預測，提出改進措施，實現產品從開發到制造整個過程的優化，達到降低產品生命周期、減小開發風險、提高經濟效益的目的。而機械加工過程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過對機床―工件―刀具構成的工藝系統中的各種加工信息的有效預測與優化，為實際加工過程的智能化實現創造了有利條件，同時它也是研究加工過程的重要手段。

　　2、虛擬制造技術

　　2.1 虛擬制造系統的構成

　　從產品的開發角度講，虛擬制造實際上就是在計算機上全面仿真產品從設計到制造、裝配的全過程，貫穿著產品的整個生命周期。虛擬制造主要由以下五個階段組成：

　　●概念設計階段 包括產品的運動學分析與運動學仿真。

　　●詳細設計階段 指的是對產品整個加工過程的仿真模擬，包括對工件幾何參數及干涉進行校驗的幾何仿真過程、對加工過程中各項物理參數進行預測與分析的物理仿真過程及產品的裝配過程仿真。

　　●加工制造階段 包括工廠設計、制造車間設計、生產計劃與作業計劃調度及各級控制器的設計。

　　●測試階段 測試仿真器的真實程度。

　　●培訓與維護階段 訓練用仿真器，包括對操作員的培訓過程及產品的二維維護。

　　虛擬制造可分為以下幾個工作層次：工廠級、車間級、調度級、具體的加工過程及各制造單元等層次。因此虛擬制造技術可仿真現有企業的全部生產活動，并能夠對未來企業的設備布置、物流系統進行仿真設計，從生產制造的各個層次進行工作，達到縮短產品生命周期與提高設計、制造效率的最佳目的。

　　2.2 虛擬制造技術的發展情況

　　VMT作為一門面向21世紀的制造技術，從一開始出現就引起了國內外學者的關注。當前的研究重點主要集中于對該項技術的理論研究與各級仿真環境的構造與實踐的嘗試。理論研究包括對VMT/VMS概念的探討、虛擬制造系統構成、整個系統中模型的構成、建模方法及模型的集成等。而在實踐嘗試方面則從實驗室角度實現虛擬工廠、虛擬車間的設計及工廠級、車間級各種設備的調度與信息的集成處理，各具體加工過程、加工單元的仿真等。同時一些企業已經開展了VMT工作并取得了成效。

　　在國內，VMT技術也得到極大重視。模型的建模方法、生產過程模擬、控制等方面做了大量的研究工作，同時將神經網絡、人工智能技術引入到VMS過程當中去，建立了虛擬工廠級、車間級的設計與調度系統，如清華大學的用于制造車間調度問題的“工廠調度仿真環境FASE”，用于制造車間設計、分析建模與仿真的“一體化制造系統軟件IMSS”及“加工過程仿真器MPS”等.

　　3、機械加工過程仿真

　　3.1 機械加工過程仿真的現狀與存在問題

　　目前進行的機械加工過程仿真，主要有兩種情況：一種是從研究金屬切削的角度出發，仿真某具體切削過程內部各因素的變化過程，研究其切削機理，供生產實際與研究應用;另一種則是將加工過程仿真作為系統的一部分，重點在于構造完整的虛擬制造系統。這兩種方式的仿真方法是相同的，即首先對機加工藝系統建立連續變化模型，然后用數學離散方法將連續模型離散為離散點，通過分析這些離散點的物理因素變化情況來仿真加工過程。

　　由于機加過程仿真還處于起步階段，目前尚存在以下問題：

　　(1)仿真的加工形式少，研究范圍窄

　　在眾多的切削加工種類與形式中，目前的仿真主要集中于銑、磨兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真也局限在很窄的范圍內。如銑削中多是仿真棒銑刀和端銑刀，而這種仿真系統對其他種類的銑刀(如加工成形表面用銑刀)卻無能為力。其原因是機械加工種類繁多，存在著車、銑、刨、磨、鏜等多種加工形式;另一方面加工理論復雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別。同時，目前的仿真系統大多進行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗等，有稱之為NC校驗(NC Verification)。但在機加過程中，幾何校驗只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動及刀具磨損等在切削過程中起決定因素的各物理量.

　　(2)物理仿真過程都是考慮理想切削狀態，與實際切削過程有較大差距

　　在目前的仿真系統中預先設定了大量假設因素，如設定工藝系統剛性滿足要求，無振動;加工材料結構統一，無硬點等缺陷;刀具無磨損;切削要素不發生變化等。這種假定的理想狀態不能將切削過程中的隨機干擾如工件硬點造成的材質變化、振動造成的切深變化等因素考慮進去，使仿真系統不能真實地反映實際切削過程。

　　(3)仿真手段限制仿真系統的發展

　　計算機技術的發展與仿真技術緊密相連，過去由于計算機軟硬件的限制，仿真時間很長。編碼工作量大，程序可讀性、維護性差，這些都為仿真工作帶來困難。目前應用C++語言及面向對象的方法開發仿真系統已成為發展潮流。

　　以上問題已引起研究人員的重視，今后的機加工仿真系統將朝著快速運行、面向多種加工形式、更加符合實際狀況的方向發展。

　　3.2 機械加工過程仿真系統的結構

　　在虛擬制造過程中，產品的詳細設計階段實際上就是對產品的機械加工過程的仿真，即對機床―工件―刀具構成的工藝系統中的各種信息的分析與預測，它包括幾何仿真與物理仿真兩方面的內容。幾何仿真包含刀位軌跡驗證，工件與機床、刀具的干涉校驗;物理仿真包括對各種物理因素的分析與預測，主要有切削力、刀具磨損、切削振動、切削溫度、工件表面粗糙度等。同時，幾何仿真、物理仿真及其中各要素之間有著密切的聯系，如刀位軌跡與干涉、切削力直接影響到振動、工件表面質量、刀具磨損等。

　　3.3 數控車削過程仿真的研究目標及方法

　　車削加工是目前應用最廣泛的加工方法之一，因此對數控車削加工過程進行仿真具有重要的理論研究與實際應用價值。

　　車削加工仿真將對車削加工能夠完成的各種工作如外圓、端面、倒角、螺紋、曲線等加工形式中的幾何及物理因素的變化情況進行模擬與預測，建立起面向車削加工的仿真系統。該仿真系統應具有以下的功能：

　　(1)建立起面向數控車床的完善的數控車削仿真系統，為實際生產過程提供可靠、優化的NC代碼，實現車削的智能加工。

　　目前我國數控車床、經濟型數控車床的應用越來越普及，在加工之前能得到一套可靠、優化的NC代碼是非常實用的。在以往，NC代碼常以試切的方式加以驗證，這種方法一方面費時費力，另一方面試切的材料常采用木材、塑料，這樣雖然能夠檢驗NC代碼在幾何信息方面的正確性，但對切削過程中關鍵的物理因素如切削力、振動、工件表面質量等則無從所知。而車削仿真系統能夠解決上述問題。同時在此基礎上修改NC代碼中的某些參數，使之進一步降低切削力、提高刀具耐用度和生產力，優化NC代碼。這樣即可將NC代碼確認下來，供實際加工應用，使仿真系統具有自我學習與調整的能力，提高仿真的靈活程度，達到智能加工的目的。

　　(2)建立面向實際加工過程的仿真系統，綜合考慮實際加工中的各種干擾因素，使仿真過程高度真實地反映實際生產過程。

　　在實際加工過程中，工藝系統受到各種因素的制約與影響，與切削有關的各物理量也因各種切削條件的變化而發生變化。因此為了能夠真實仿真出車削過程中的加工情況，車削仿真系統就要充分考慮到這些實際變化情況與隨機干擾，使仿真出的各物理量真實貼近實際情況。這些影響因素主要包括由于機床剛性及切削力作用或工件偏心等產生的切削振動，工件結構不統一具有硬點等產生的隨機干擾，切削過程中切削用量變化及刀具磨損對切削過程的影響等。

　　(3)由于具有對NC代碼進行驗證與優化的過程，仿真系統能夠極大地避免實際加工過程中可能出現的各種異常現象，簡化了實際加工過程中檢測與診斷設備，提高了加工安全性與經濟效益。同時仿真系統還能夠逼真地模擬車削加工過程，可作為軟機床進行數控機床加工的培訓與維護工作