机械加工仿真技术探究

万太建,刘连鹏,王桂波

摘要：本文以机械制造仿真技术的含义、构成及发展情况为铺垫，从发展现状、问题、系统结构等方面详细分析了在拟实制造领域占有重要地位的机械加工过程仿真，并提出了数控车削过程仿真的实现方法。

关键词：拟实制造；车削过程；仿真

拟实产品的制造质量管理仿真技术一般来说是指运用计算机来模拟的一个从产品原材料制造再从原材料零件制造设计生产再到最终产品加工制造工艺过程再到最后进入到零件加工制造装配设计生产工艺的整个生产质量全周期要素过程,其最终研究成果应能够比较早期的发现各种实际在产品制造设计或制造加工生产工艺过程环节中几乎所有或可能发生的所有存在各种问题中的所有潜在质量问题,及时系统地进行质量预测分析研究与综合归纳和分析造成各种产品质量问题原因,并可以由此来提出一系列具体技术改进和措施,对于促进全面地优化企业生产装备制造及工艺流程、减少对企业产品研究制造的开发与投资管理风险、提高整体社会经济效益等将越来越具有显示其自身十分具备积极与重要现实意义的借鉴意义。机械制造业虚拟加工制造技术过程实时制造仿真智能控制系统是作为实现虚拟工艺实样加工制造过程仿真的技术过程控制的又一种的重要系统功能和组成要素和基础部分,能够自动快速实现通过系统实现对虚拟加工包括机床主轴数控系统—工件夹具数控系统—工装刀具系统等构成的一系列的虚拟制造工艺系统状态进行自动的和在线实时模拟、监测,获得工艺真实的加工制造状态信息,进而能够实现对工艺当前或者实际的正在虚拟加工制造阶段发生的一些实际问题状态进行过程智能分析预测处理技术与智能分析方法优化,提升计算机对工业实际过程制造过程加工及技术过程智能处理中的全过程计算机综合智能化控制水平。

一、拟实制造技术简介

(一)拟实制造系统的构成。

拟实工业产品工艺制造全仿真模拟是在工业产品技术研制设计开发制造生产工艺中是一门不可或缺的技术领域的最基本工作内容,其模拟技术的具体技术含义一般是指企业如何能借助各种现代化和计算机技术工具来完成对同一种新产品的进行的从初制设计到开发设计到生产设计到制造加工过程再进一步发展再到生产最终完成装配与使用全过程等生产工艺过程全生产要素过程中的进行了一次的全面的仿真、模拟。拟实制造系统设计中涉及的整个工作流程都已经几乎涵盖了到包含了任何一个面向实际的工业产品开发设计制造生产制造全工艺过程中的几乎整个的全工业系统生命周期,具体到一点上来讲,其生产系统设计主要也可以归结为由下列这五个生产基本工作阶段来所构成:

(1)概念设计阶段。

这两一研究阶段将主要围绕完成对产品模型的运动学模拟仿真的分析,为设计下一发展阶段模型提供一种总体思路。

(2)详细设计阶段。

这最后一阶段是需要计算机对整个产品的加工装配的过程全仿真流程中进行各种仿真过程模拟,包括分析计算与分析预测加工装配过程中产品的各项的物理参数、物理特性仿真模拟过程、工件几何参数,校验几何特性仿真模拟过程、对整个产品的加工装配流程进行模拟仿真等等。

(3)加工制造阶段。

这三一设计阶段实际上是前期设计阶段中的重要理论分析验证研究阶段,是设计拟实制造过程系统中的理论核心,包括生产作业流程计划优化与生产资源计划合理调度、工厂环境设计、制造车间布局设计以及智能控制器优化设计分析等。

(4)测试阶段。

运行仿真加工的过程,监测出其工艺同国内实际工业化生产之间的性能差距,发现了其中实际存在着的许多问题。

(5)培训与维护阶段。

对仿真器使用者则应分别进行的一系列的培训,包括生产二级的制造过程及操作规范培训以及产品应用二级的应用维护管理技术知识培训。由上述拟实仿真制造工作流程系统结构中提供的五个关键工作的运行过程控制阶段图上我们也又从中可以看出大致上看出,拟实仿真虚拟制造作业体系可按其运行流程结构也可据此简单的划分其为了如下的五个关键基本生产工作层级,即工厂级、车间级、调度级和(含具体仿真加工过程)控制级、各仿真虚拟制造工作单元。

(二)拟实制造技术应用的主要国内外的发展应用情况。

现阶段,拟实系统制造虚拟技术问题的基本研究内容重点将仍继续集中应用于制造技术理论模型研究方面以及对制造业各级生产仿真系统环境模型的初步构造过程与模拟实践与尝试。具体一点来讲,技术理论问题研究中的主要探讨内容还包括了整个工业生产拟实仿真系统中的主要建模实现方法、模型系统构成方式与功能集成的方式以及国外近年来广泛流行运用的工业虚拟系统制造技术、虚拟制造系统模型的技术应用发展与新衍伸等。对车间各级的仿真以及环境模拟的技术构造过程与模拟实践分析则应主要应包括各种具体的加工生产过程、加工制造单元之间的系统仿真过程以及基于实验室角度进行的车间虚拟仿真工程设计与车间虚拟仿真车间的设计、对各工厂级设备之间的信息调度、对各种车间级设备数据的实时管理、信息采集的综合集成分析处理方法等等。

二、机械加工过程仿真

(一)我国机械切削加工技术过程控制仿真中的几个现状特点与问题。

目前,机械加工过程仿真主要有以下两种情况:

(1)以加工生产过程虚拟仿真设计为该系统之主要实现内容,构造一套完整的拟实仿真制造工艺系统。

(2)采用多种金属的切削组织方式,对其机械与加工制造过程中其各系统内部切削因素发生的结构变化特征与切削作用情况分别进行动态仿真及模拟,研究出其机械切削的原理,为开展实际切削生产活动提供理论基础。上述的两种模式机械过程加工及过程优化仿真技术所需要基于的数学原理基本是大体相同一样的,都是通过根据生产实际过程需求而对每个机械的加工或工艺系统过程建立一组连续点变化的模型,而后通过采用数学的离散过程法而计算确定出在其中包含的所有断续点,再然后通过求解对包含这些所有断续点中的机械物理因素及其变化问题来设计仿真的加工优化过程。机械加工及过程加工仿真目前存在研究的几个问题主要有:

(1)物理过程仿真数据同工程实际的生产环境差距也较大。现阶段大部分的实际机械或加工的过程和仿真系统是严格基于一个理想生产状态所展开描述的,其中存在有相当大量人为设置的各种假设的因素。这种理想的状态通常不能直接将其所有实际可能已经存在生产的真实情况所考虑到进来,因而它不能全面真实的反映其实际存在生产时的状况。

(2)加工的范围内容与技术形式目前仍尚不能全部满足加工需要。国内目前机械零件加工生产过程中仿真设备仍然主要还以手工铣、磨技术为主,仿真机械技术领域对上述这前两种生产工艺方法的模拟应用研究范围则仍然显得很浅窄。

(3)仿真分析手段目前仍相对较为保守低端。由于当时计算机软硬件环境的某些限制,仿真技术达到的精确度相对不十分高,发展得速度往往也很较慢。

(二)机械切削加工技术过程分析仿真技术系统模型的拓扑结构。

机械产品加工装配过程中仿真系统一般属于模具拟实加工制造中的第二重要阶段———模具详细制造设计分析阶段,这两一关键阶段还需要计算机对从机床工作台—工件夹具—切削刀具等所共同构成起来的模具仿真制造系统模型中涉及的有关参数模型与设计信息模型进行系统分析、预测。

(三)数控车削过程仿真的方法。

车削成形加工方式是人类目前已知应用领域最复杂广泛多样的传统机械数控加工成形方式,数控车削成型加工系统仿真平台能够自动实现对多种变形情况下的加工模拟,具有了十分之重要独特的现实应用推广价值。具体点来讲,数控车削过程的仿真技术能够独立完成对外圆、端面、倒角、螺纹、曲线加工等的各种机械加工组织形式参数的动态模拟设计与参数预测,其实现主要过程可包含下面三个关键环节:

(1)通过建立一个完善可靠的数控车床的车削过程仿真控制系统,优化NC代码,实现数控车削智能自动化加工。

(2)注意综合并考虑各种实际材料加工方法中的可能同时存在着的技术问题,尽可能的还原产品实际工艺生产过程。

(3)通过对计算机仿真测试过程中已检测反映出来的相关问题等进行证据收集记录与统计分析,从而达到为产品实际有效生产操作提供依据。结语:机械切削加工技术过程计算机仿真控制系统能够快速逼真生动地真实模拟数控车切削机械加工的过程,最大可能程度的减少在实际机械加工操作过程中各种可能随机出现故障的各种异常和现象,简化配置了机械加工作业过程控制系统中各类检测仪表及试验诊断测试设备,降低了制造企业成本,提高到了实际加工生产安全性度与最佳经济效益。

参考文献：

[1]林顺强，陈大跃.基于现场总线种子加工成套设备的设计[J].电子测量技术，2008，5：19～23.

[2]张武.数控技术在机械制造中的应用现状和发展趋势研究[J].装备制造技术,2017(02):260-261.