虛擬制造技術(shù)及系統仿真簡(jiǎn)介

1、前言

制造業(yè)的發(fā)展對產(chǎn)品性能、規格、品種不斷提出新的要求，產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間是決定性因素。虛擬制造技術(shù)(VMTVirtualManufacturingTechnology)可以模擬由產(chǎn)品設計、制造到裝配的全過(guò)程，對設計與制造過(guò)程中可能出現的問(wèn)題進(jìn)行分析與預測，提出改進(jìn)措施，實(shí)現產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)到制造整個(gè)過(guò)程的優(yōu)化，達到降低產(chǎn)品生命周期、減小開(kāi)發(fā)風(fēng)險、提高經(jīng)濟效益的目的。而機械加工過(guò)程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過(guò)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(yōu)化，為實(shí)際加工過(guò)程的智能化實(shí)現創(chuàng )造了有利條件，同時(shí)它也是研究加工過(guò)程的重要手段。
2、虛擬制造技術(shù)
2.1　虛擬制造系統的構成
　　
從產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)角度講，虛擬制造實(shí)際上就是在計算機上全面仿真產(chǎn)品從設計到制造、裝配的全過(guò)程，貫穿著(zhù)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。虛擬制造主要由以下五個(gè)階段組成：
　　●概念設計階段　包括產(chǎn)品的運動(dòng)學(xué)分析與運動(dòng)學(xué)仿真。
　　●詳細設計階段　指的是對產(chǎn)品整個(gè)加工過(guò)程的仿真模擬，包括對工件幾何參數及干涉進(jìn)行校驗的幾何仿真過(guò)程、對加工過(guò)程中各項物理參數進(jìn)行預測與分析的物理仿真過(guò)程及產(chǎn)品的裝配過(guò)程仿真。
　　●加工制造階段　包括工廠(chǎng)設計、制造車(chē)間設計、生產(chǎn)計劃與作業(yè)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(shí)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(guò)程及產(chǎn)品的二維維護。
　　
虛擬制造可分為以下幾個(gè)工作層次：工廠(chǎng)級、車(chē)間級、調度級、具體的加工過(guò)程及各制造單元等層次。因此虛擬制造技術(shù)可仿真現有企業(yè)的全部生產(chǎn)活動(dòng)，并能夠對未來(lái)企業(yè)的設備布置、物流系統進(jìn)行仿真設計，從生產(chǎn)制造的各個(gè)層次進(jìn)行工作，達到縮短產(chǎn)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(shù)的發(fā)展情況

VMT作為一門(mén)面向21世紀的制造技術(shù)，從一開(kāi)始出現就引起了國內外學(xué)者的關(guān)注。當前的研究重點(diǎn)主要集中于對該項技術(shù)的理論研究與各級仿真環(huán)境的構造與實(shí)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(gè)系統中模型的構成、建模方法及模型的集成等。而在實(shí)踐嘗試方面則從實(shí)驗室角度實(shí)現虛擬工廠(chǎng)、虛擬車(chē)間的設計及工廠(chǎng)級、車(chē)間級各種設備的調度與信息的集成處理，各具體加工過(guò)程、加工單元的仿真等。同時(shí)一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了VMT工作并取得了成效。
　　
在國內，VMT技術(shù)也得到極大重視。模型的建模方法、生產(chǎn)過(guò)程模擬、控制等方面做了大量的研究工作，同時(shí)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、人工智能技術(shù)引入到VMS過(guò)程當中去，建立了虛擬工廠(chǎng)級、車(chē)間級的設計與調度系統，如清華大學(xué)的用于制造車(chē)間調度問(wèn)題的“工廠(chǎng)調度仿真環(huán)境FASE”，用于制造車(chē)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(guò)程仿真器MPS”等。
3、機械加工過(guò)程仿真
3.1　機械加工過(guò)程仿真的現狀與存在問(wèn)題
　　
目前進(jìn)行的機械加工過(guò)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(fā)，仿真某具體切削過(guò)程內部各因素的變化過(guò)程，研究其切削機理，供生產(chǎn)實(shí)際與研究應用；另一種則是將加工過(guò)程仿真作為系統的一部分，重點(diǎn)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(xué)離散方法將連續模型離散為離散點(diǎn)，通過(guò)分析這些離散點(diǎn)的物理因素變化情況來(lái)仿真加工過(guò)程。
　　由于機加過(guò)程仿真還處于起步階段，目前尚存在以下問(wèn)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(lèi)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(lèi)的銑刀(如加工成形表面用銑刀)卻無(wú)能為力。其原因是機械加工種類(lèi)繁多，存在著(zhù)車(chē)、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(shí)，目前的仿真系統大多進(jìn)行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗等，有稱(chēng)之為NC校驗(NCVerification)。但在機加過(guò)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(dòng)及刀具磨損等在切削過(guò)程中起決定因素的各物理量。
　　
(2)物理仿真過(guò)程都是考慮理想切削狀態(tài)，與實(shí)際切削過(guò)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(mǎn)足要求，無(wú)振動(dòng)；加工材料結構統一，無(wú)硬點(diǎn)等缺陷；刀具無(wú)磨損；切削要素不發(fā)生變化等。這種假定的理想狀態(tài)不能將切削過(guò)程中的隨機干擾如工件硬點(diǎn)造成的材質(zhì)變化、振動(dòng)造成的切深變化等因素考慮進(jìn)去，使仿真系統不能真實(shí)地反映實(shí)際切削過(guò)程。
　　
(3)仿真手段限制仿真系統的發(fā)展
　　計算機技術(shù)的發(fā)展與仿真技術(shù)緊密相連，過(guò)去由于計算機軟硬件的限制，仿真時(shí)間很長(cháng)。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(lái)困難。目前應用C＋＋語(yǔ)言及面向對象的方法開(kāi)發(fā)仿真系統已成為發(fā)展潮流。
　　以上問(wèn)題已引起研究人員的重視，今后的機加工仿真系統將朝著(zhù)快速運行、面向多種加工形式、更加符合實(shí)際狀況的方向發(fā)展。

3.2　機械加工過(guò)程仿真系統的結構
　　
在虛擬制造過(guò)程中，產(chǎn)品的詳細設計階段實(shí)際上就是對產(chǎn)品的機械加工過(guò)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(dòng)、切削溫度、工件表面粗糙度等。同時(shí)，幾何仿真、物理仿真及其中各要素之間有著(zhù)密切的聯(lián)系，如刀位軌跡與干涉、切削力直接影響到振動(dòng)、工件表面質(zhì)量、刀具磨損等。

3.3　數控車(chē)削過(guò)程仿真的研究目標及方法
　　
車(chē)削加工是目前應用最廣泛的加工方法之一，因此對數控車(chē)削加工過(guò)程進(jìn)行仿真具有重要的理論研究與實(shí)際應用價(jià)值。
　　
車(chē)削加工仿真將對車(chē)削加工能夠完成的各種工作如外圓、端面、倒角、螺紋、曲線(xiàn)等加工形式中的幾何及物理因素的變化情況進(jìn)行模擬與預測，建立起面向車(chē)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(chē)床的完善的數控車(chē)削仿真系統，為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程提供可靠、優(yōu)化的NC代碼，實(shí)現車(chē)削的智能加工。
　　目前我國數控車(chē)床、經(jīng)濟型數控車(chē)床的應用越來(lái)越普及，在加工之前能得到一套可靠、優(yōu)化的NC代碼是非常實(shí)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(shí)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(guò)程中關(guān)鍵的物理因素如切削力、振動(dòng)、工件表面質(zhì)量等則無(wú)從所知。而車(chē)削仿真系統能夠解決上述問(wèn)題。同時(shí)在此基礎上修改NC代碼中的某些參數，使之進(jìn)一步降低切削力、提高刀具耐用度和生產(chǎn)力，優(yōu)化NC代碼。這樣即可將NC代碼確認下來(lái)，供實(shí)際加工應用，使仿真系統具有自我學(xué)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(shí)際加工過(guò)程的仿真系統，綜合考慮實(shí)際加工中的各種干擾因素，使仿真過(guò)程高度真實(shí)地反映實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。
　　在實(shí)際加工過(guò)程中，工藝系統受到各種因素的制約與影響，與切削有關(guān)的各物理量也因各種切削條件的變化而發(fā)生變化。因此為了能夠真實(shí)仿真出車(chē)削過(guò)程中的加工情況，車(chē)削仿真系統就要充分考慮到這些實(shí)際變化情況與隨機干擾，使仿真出的各物理量真實(shí)貼近實(shí)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(chǎn)生的切削振動(dòng)，工件結構不統一具有硬點(diǎn)等產(chǎn)生的隨機干擾，切削過(guò)程中切削用量變化及刀具磨損對切削過(guò)程的影響等。
　　
(3)由于具有對NC代碼進(jìn)行驗證與優(yōu)化的過(guò)程，仿真系統能夠極大地避免實(shí)際加工過(guò)程中可能出現的各種異?，F象，簡(jiǎn)化了實(shí)際加工過(guò)程中檢測與診斷設備，提高了加工安全性與經(jīng)濟效益。同時(shí)仿真系統還能夠逼真地模擬車(chē)削加工過(guò)程，可作為軟機床進(jìn)行數控機床加工的培訓與維護工作。