基于VMT的机械加工过程仿真综述.doc

KUNMING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY制造过程数值模拟小论文基于VMT的机械加工过程仿真综述院 系：机电工程学院专 业：机械工程年 级： 2011级 学生姓名： 张敏明 学 号：20117030252012年6月基于VMT的机械加工过程仿真综述张敏明(昆明理工大学机电学院，云南，昆明，650093 )摘要：叙述了虚拟制造技术的含义、构成及发展情况，分析了在虚拟制造中占有重要地位的机械加工 过程仿真，提出了机械加工过程仿真的系统结构、发展现状及存在的问题，虚拟加工过程仿真的分类，常 用方法，讨论了车削加工过程仿真及其实现的可能性关键词：虚拟制造；机械加工；车削过程仿真；物理仿真Summarize of simulation based on the mechanical processing in theuse of VMTAbstracts Describes the meaning of the virtual manufacturing technology , construction and development, analyzed the machining process simulation in virtual manufacturing which occupies an important place in, and put forward the mechanical processing process simulation system structure, development situation and existing problems, and the classiGcation of lhe virtual machining process simulation, the commonly used method, and discusses the turning processing process simulation and its implementation possibilityKeywords: Virtual manufacturing;Machining operation;Turning process simulation;Physical simulation引言制造业的发展对产品性能、规格、品 神不断提出新的要求，产品的生命周期越来 越短，新产品的开发时间是决定性因素。

虚 拟制造技术(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模拟由产品设计、制造到 装配的全过程，对设计与制造过程中可能出 现的问题进行分析与预测，提出改进措施， 实现产品从开发到制造整个过程的优化，达 到降低产品生命周期、减小开发风险、提高 经济效益的目的而机械加工过程仿真在虚 拟制造中占有重要地位，它通过对机床一工 件一刀具构成的工艺系统中的各种加工信 息的有效预测与优化，为实际加工过程的智 能化实现创造了有利条件，同时它也是研究 加工过程的重要手段1虚拟制造技术1.1虚拟制造系统的构成从产品的开发角度讲，虚拟制造实际 上就是在计算机上全面仿真产品从设计到 制造、装配的全过程，贯穿着产品的整个生 命周期虚拟制造主要由以下石个阶段组 成：概念设计阶段 包括产品的运动学分析与 运动学仿真详细设计阶段 指的是对产品整个加工过 程的仿真模拟，包括对工件儿何参数及干涉 进行校验的几何仿真过程、对加工过程中各 项物理参数进行预测与分析的物理仿真过 程及产品的装配过程仿真加工制造阶段包括工厂设计、制造车间设 计、生产计划与作业计划调度及各级控制器 的设计测试阶段测试仿真器的真实程度。

培训与维护阶段训练用仿真器，包括对操 作员的培训过程及产品的二维维护虚拟制造可分为以下几个工作层次：工厂 级、车间级、调度级、具体的加工过程及各 制造单元等层次因此虚拟制造技术可仿真 现有企业的全部生产活动，并能够对未来企 业的设备布置、物流系统进行仿真设计，从 生产制造的各个层次进行工作，达到缩短产 品生命周期与提高设计、制造效率的最佳目 的1.2虚拟制造技术的发展情况VMT作为一门面向21世纪的制造技 术，从一开始出现就引起了国内外学者的关 注当前的研究重点主要集中于对该项技术 的理论砂f究与各级仿真环境的构造与实践 的尝试理论研究包括对VMT/VMS概念的探 讨、虚拟制造系统构成、整个系统中模型的 构成、建模方法及模型的集成等而在实践 尝试方面则从实验室角度实现虚拟工厂、虚 拟车间的设计及工厂级、车间级各种设备的 调度与信息的集成处理，各具体加工过程、 加工单元的仿真等同时一些企业已经开展 了 VMT工作并取得了成效在国内，VMT技术也得到极大重视模 型的建模方法、生产过程模拟、控制等方面 做了大量的研究工作，同时将神经网络、人 工智能技术引入到VMS过程当中去，建立了 虚拟工厂级、车间级的设计与调度系统，如 清华大学的用于制造车间调度问题的“工厂 调度仿真环境FASE”，用于制造车间设计、 分析建模与仿真的“一体化制造系统软件 IMSS"及“加工过程仿真器MPS"等.2、机械加工过程仿真2.1机械加工过程仿真的现状与存在问题目前进行的机械加工过程仿真，主要 有两种情况：一种是从研究金属切削的角度 出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变 化过程，研究其切削机理，供生产实际与研 究应用；另一种则是将加工过程仿真作为系 统的一部分，重点在于构造完整的虚拟制造 系统。

这两种方式的仿真方法是相同的，即 首先对机加T•艺系统建立连续变化模型，然 后用数学离散方法将连续模型离散为离散 点，通过分析这些离散点的物理因素变化情 况来仿真加工过程其中几何仿真的研究工作开展较早,研究成 果很多，如美国Missouri-Rolla大学提出的 CNC车床的图形仿真,通过二维图形显示刀 具轨迹及毛坯随刀具轨迹发生的变化，并在 屏幕上给出对应的加工状态韩国 Turbo-TEK公司开发出面向培训的虚拟数控 车削及饨削加工环境，能够实现数控加工的 几何仿真并配有声音信息口本SONY公司 研制的FREDAV系统可以对球头饨刀加工自 由曲面进行三维仿真，并进行碰撞、干涉检 验美国 National Inst itute of Standards and Technology开发出针对型腔铢削的三 维零件加工轨迹算法意大利Bologna大学 用B样条曲面建立端锐刀与工作台模型，采 用真实图形显示三轴铁床粗铢加工过程美 国Debby公司推出了数控加工过程仿真软件 VNC,利用虚拟制造技术提供了一个真正的 三维环境来模拟机床和CNC控制器，进行加 工过程的仿真，操作人员可以像操作实际机 床一样与虚拟设备交互，评价刀具与参数的 配置，预测功率,检杏干涉与碰撞等。

国内，清华和华中理工大学合作研制的 加工过程仿真器HMPS是以STMENS850S为彷 真对象，采用交互式实时控制与管理的仿真 过程，可以仿真加工中心的加工过程:仿真 过程由代码驱动,可进行刀具与成形工件、 刀具与夹具、刀具与加工工作台碰撞和干涉 的测试，记录干涉点并报警；哈尔滨工业大 学研制的数控加工过程三维动态图形仿真 器HCMPS,能检验数控程序的正确性,模拟加 工中心加工零件的过程，进行碰撞检验，输 入零件形状和类型、刀具和夹具类型、机床 类型等参数和NC程序，输出加工中心零件 （包括刀具和夹具）的建模结果、碰撞检验结 果和三维图形仿真该软件在刀具轨迹三维 显示方法上利用直接从数据结构读取刀位 信息的方法，由用户选定来完成下列显示: 刀位轨迹的单独显示，刀具模型和刀具轨迹 同时显示，加工工件和刀位轨迹同时显示, 工件、刀具轨迹同时显示等加工过程仿真 采用了离散化的方法控制各个部件的运动, 因而计算机显示的状态将是工件中加工中 心的实际运动状态目前比较流行的 CAD/CAM软件1基本上都己配置了几何仿真 模块，如 PRO/E、UG、Master CAM. Solid Works、CAT!A. I-DEAS 等。

尤其进入 20世纪90年代后，随着微机性能的提 高，相继出现了诸如Vericut , Ncverity, NSee2000 和 Virtual NC, 物理仿真由于切削机理复杂、建模难度 大，涉及因素多，目前的研究大部分还停留 在理论研究方面如E. Usui [1]将金属切削 过程的研究分为分析型和预测型，指出在总 结各种切削理论的基础上开发预测型模型 是目前物理仿真系统的重点W.J.Emdres[2] 针对车削加工建立了较全面的仿真模型，该 模型考虑了刀具的几何参数、切削层参数、 工件材料和刀杆相对于工件的振动等因素， 建立了车削力的动态模型和工艺系统的振 动模型,Sata[3]等模拟了正常切削状态下 刀具与工件的相对振动，同时用简化的颔振 预报模型来预测虚拟加工过程的颤振情况 但这些模型多是对切肖IJ加工过程中的某些 物理现象做定性分析，至今还没有见到具有 物理仿真功能的商品化NC加工仿真软件面 世2.3数控车削过程仿真的研究目标及方法 车削加工是目前应用最广泛的加工方 法之一，因此对数控车削加工过程进行仿真 具有重要的理论研究与实际应用价值车削加工仿真将对车削加工能够完成 的各种工作如外圆、端面、倒角、螺纹、曲 线等加工形式中的几何及物理因素的变化 情况进行模拟与预测，建立起面向车削加工 的仿真系统。

该仿真系统应具有以下的功 能：建立起面向数控车床的完善的数控车削彷 真系统，为实际生产过程提供可靠、优化的 NC代码，实现车削的智能加工目前我国数控车床、经济型数控车床的 应用越来越普及，在加工之前能得到一套可 靠、优化的NC代码是非常实用的在以往， NC代码常以试切的方式加以验证，这神方祛 一方面费时费力，另一方面试切的材料常采 用木材、塑料，这样虽然能够检验NC代码 在几何信息方面的正确性，但对切削过程中 关键的物理因素如切削力、振动、工件表面 质量等则无从所知而车削仿真系统能够解 决上述问题同时在此基础上修改XC代码 中的某些参数，使之进一步降低切削力、提 高刀具耐用度和生产力，优化NC代码这 样即可将NC代码确认下来，供实际加工应 用，使仿真系统具有自我学习与调整的能 力，提高仿真的灵活程度，达到智能加工的 目的建立面向实际加工过程的仿真系统，综 合考虑实际加工中的各种干扰因素，使仿真 过程高度真实地反映实际生产过程在实际加工过程中，工艺系统受到各种 因素的制约与影响，与切削有关的各物理量 也因各种切削条件的变化而发生变化因此 为了能够真实仿真出车削过程中的加工情 况，车削仿真系统就要充分考虑到这些实际 变化情况与随机干扰，使仿真出的各物理量 真实贴近实际情况。

这些影响因素主要包括 由于机床刚性及切削力作用或工件偏心等 产生的切削振动，工件结构不统一具有硬点 等产生的随机干扰，切削过程中切削用量变 化及刀具磨损对切削过程的影响等由于具有对NC代码进行验证与优化的 过程，仿真系统能够极大地避免实际加工过 程中可能出现的各神异常现象，简化了实际 加工过程中检测与诊断设备，提高了加工安 全性与经济效益同时仿真系统还能够逼真 地模拟车削加工过程，可作为软机床进行数 控机床加工的培训与维护工作3.结论与展望加工过程仿真今后的发展方向是加强 物理仿真的研究，进行几何仿真和物理仿真 的无缝集成几何仿真过程中包含有物理彷 其所需的大量儿何信息，如刀具的类型和儿 何参数、工件的儿何形状和切削参数等，是 实现物理仿真的基础只有两者之间有机结 合才能构成完整的虚拟加工过程仿真系统 在物理仿真研究方面，关键是建立加工过程 的数学。