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机械加工的拟实制造技术

1．拟实机械加工制造环境的建立

虚拟制造技术应用计算机和交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境，使得参与者能如同在制造现场一样，与荧屏上出现的制造过程进行自由交流。这种新一代的虚拟制造首先需要运用加工过程的理论与实践的科学知识对涉及的活动进行全面建模和过程仿真；其次要形成一种新的、更高级的人机界面，使能在虚拟的对象进行仿真的过程中，可以直接以人类的感知能力，如亲临其境一样与虚拟的制造环境中的对象进行交互作用。为此它涉及到下列三方面的技术。

1. 机械加工过程的建模和仿真技术

在生成机械加工过程活动所涉及到的加工对象、设备和装置如加工的产品、机床、夹具和刀具等几何实体模型（为节约建模工时和便于突出观察部位，通常可对不影响到整体性能的结构细节作一定的简化）基础上，构建可模拟机械加工实时运行时的具有运动和动力特征的仿真模型。所生成的加工过程及其物理特性诸如：切削轨迹、切屑形成过程、应力场、温度场、变形和振动等，通过荧屏的三维直视，可真实地观察其连续或瞬间的运动形态和特性参数。

建立运动仿真和物理特性仿真的模型的基础在于专业的理论分析和科学实验。由此开发出的各类专业性的仿真软件是赋予虚拟图像以符合真实加工过程的动作和特性的关键，也是虚拟制造技术的基础。

机械加工的虚拟制造模型从总体上可分为加工条件模型和加工过程模型两大类：

（1）加工条件建模

l）加工对象建模。包括毛坯模型、各工序的半成品模型和成品模型。

2）加工资源建模。包括机床、夹具、刀库和刀具等制造资源的各种实体对象的三维几何模型，以及这些模型间的关连。

（2）加工过程建模用以建立表示产品物理特性和加工历程的模型，它包括几何、运动学和物理特性等三个层次的模型。

l）几何模型层。建立与工艺过程相关的物理实体的几何模型，通常可以从由加工条件建模生成的加工对象模型库中调用或作一些必要的修改如装夹和定位的基面或组合件加工等。

2）运动学模型层。它是在几何模型层基础上融入刀具和机床的运动轨迹所构成的模型，用以评估轨迹的合理性和NC代码的正确性，防止出现过切、碰撞或干涉。

3）物理特性模型层。它是在运动学模型层基础上融入工艺信息（材料性能和切削条件等）和切削过程的

动力学和热力学等效应而构成的模型，如：工艺系统变形、振动以及材料切除率和加工精度评估等模型。

2．实现与虚拟对象交互的拟实工具

它是一种使操作者能直接参与加工过程或生产线运作的交互装置和相应的三维可视化和三维工程动画软件，它能形成如同实际一样从不同视角进行观察，也能获得听觉和触觉的感觉。这种虚拟现实的技术是使人机进行交互的主要工具，它与仿真软件配合可以观察到针对不同仿真对象的虚拟世界，并具有双向交流的功能。

图1所示的视景目镜与相配套的置于工作站上的机盒，目镜装有微型液晶的立体显示器，它能使工作站或微机荧屏上的平面图像转变为生动的有景深的立体图像。操作者戴上后，景物的影像将随头部左右转动的视角而转移，能获得身临其境的逼真感受。

图2所示的视景头盔的功能与图1类似，除立体显示外，还增加了立体声耳机。图中操作者手握的操纵杆或数据手套装有灵敏的压力传感器，用它反映手系的位置。对应于手的动作，在图中右上角示出了荧屏上虚拟的手跟踪触摸和操作的情况。

发展具有高渲染速度和快速动画的可视化工具软件，它应能适用于多种硬件平台，能与众多的主流CAD／CAE／CAM软件无缝连接，对一些通用的专业仿真软件具有数据转换功能的接口，并支持多种虚拟现实的外设如头盔和数据手套等。

3．高性能计算机的支撑条件

采用多处理器高性能工作站或64M内存、双高主频CPU并配备高档图形加速卡的微机可保证高速实时运算。为了达到实时性和无闪烁，图像应该选取60～120Hz的帧频。另外还要使响应食品原料人们的操纵信号的延迟时间不超过0.1s。这些要求是基于运动物体产生的动感和位置变化只有小于人的视觉暂留时间（约大于30帧/s）时，才能获得连续而稳定的图像。而为了获得逼真的图像还要求有物体的深度感和立体感，这只有通过人的双目视差才能形成。为此在计算虚拟环境中的图像就需对两只眼睛看到的图像进行分开计算和处理。图2的高分辨率视景头盔就是根据这一要求设计的，但其价格较昂贵。另外一种方法是直接在计算机的荧屏上交替显示双目图像，并通过立体眼镜来分离两眼看到的图像。因此其帧频应为通常显示方式的两倍，再考虑到立体眼镜的延迟性，故帧频需大于80Hz才不致出现图像闪烁现象。

微机采用高档图形加速卡可以大大加快计算速度，达到1024种色彩度， 1600×1200分辨率和100M像素/s的纹理，就可以支持虚拟制造的基本需要。

虚拟制造所需的计算机硬、软件的层次结构如图3所示。

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图3中的基础应用软件通常有三维图形CAD／CAM、有限元分析、机构运动和动力分析等，虚拟分析专业软件视研究对象而异，如：操作仿真。装配作业和干涉分析、

运动轨迹仿真。机器动态和热态特性仿真、设备布局和物流输送路径仿真等。

虚拟制造环境的完整程度和逼真程度也随分析对象的要求而有所侧重。例如过于复杂形面的加工路径仿真，重点在于显示高质量的曲面三维图像；对于加工过程位置干涉检查和零件的装配模拟，则除有高渲染质量的图像外，还应配有可操纵性的数据手套或6自由度鼠标等；对于加工精度和振动特性分析，则要求有图形的实时动画显示；对于生产线的运行和调整仿真。则除三维图像的实时运作外，如有条件宜配备数据手套、视景头盔或双目图像显示器及立体眼镜。

2．切削路径和表面形成过程的动态仿真

1. 切削运动轨迹仿真

它可用于检验切削轨迹的合理性，例如根据加工表面的形状，确定选取行切法还是圈切法；对于复杂的自由曲面（雕塑形面）则还需合理选取刀具相对于工件的倾角，以避免过切或干涉。图1a示出加工连接I、II两个相贯曲面间的过渡曲面时，要调整好刀具轴线的空间角度，使刀具与过渡区两边缘线相切，这样就不致对曲面I、II过切。图1b为当加工叶轮时，由于刀具长度不合适会出现与叶轮干涉的现象。

2. 机床运动过程的干涉和碰撞检查

所谓干涉是指机床部件及安装于其上的刀具、夹具和工件在运动过程中出现不期望的接触。而碰撞是由于编程的不恰当，使刀具在快速趋近工件时未能及时转换成切削进给，而引起刀具与工件的撞击。通过仿真检查就能直观地发现编程中的错误或安装不正确，使能在投产前予以修正，避免因碰撞和干涉而导致机床、刀具、夹具和工件的严重损坏，用它可减少试切工时，加快新产品上市时间，同时也可用于编程人员的培训。

图2为应用虚拟机床的仿真软件来校核程度运行时有无碰撞发生，机床部件相互运动时是否会与刀具和工件发生干涉，刀具的长度设置是否正确，机床的超程是否合适，工件的夹持是否合理以及后置处理的NC代码是否准确等。

3. 表面形成过程仿真

根据切削深度、进给量和刀具切削刃刃的几何参数，显示刀具空间运动轨迹所包络而成的材料去除的形体。用它可以观察材料去除和表面形成的过程，能更精细地检验切削过程是否会出现碰撞和干涉，并可精确计算复杂形面加工时的材料切除率。根据被切除材料的形体可以作为进一步分析切削力和加工精度等物理特性的基础。

3．②珠光效果加工过程物理特性仿真

加工过程的物理特性主要有下列三个方面：

（1）切屑形成过程的物理特性 主要指在不同切削条件下，切屑的形态及断屑情况，切削区弹塑性变形及切削应力分布，切削热形成及温度场，刀具的磨损及寿命分析等。用以评估产品的可加工性，选用合理的刀具材料和切削用量等。

（2）工艺系统的静、动、热态特性 主要包括由机床、工件、刀具、夹具组成的工艺系统在受加工过程中夹紧力、切削力和切削热等作用下，所引起的系统变形、振动、噪声和热位移等问题。用以评估所选的工艺参数、机床选型和夹具结构的合理性，例如当工艺系统的动刚度不足时，较大的切深会引起颤振（自激振动有较高的市场占有率），机床的热位移会引起刀具与工件间的相对位置误差，高速砂轮的结构强度不足会出现砂轮开裂的不安全事故等。

（3）加工误差的生成 除了上述论及的工艺系统在力、热等作用下引起刀具相对于工件偏移而产生的误差外，还有数控伺服系统在轮廓加工时的跟踪误差，几何运动的空间误差以及由刀刃形状、运动轨迹和进给速度所决定的表面微观粗糙度等。通过分析对能达到的加工精度和表面6、变形准确度： 优于±1%质量进行评估，针对原因采取改进的措施。

上述三方面的物理特性一般是无法直观地观察的，因而也是工艺人员最难以掌握的，但又是最希望了解的特性。对它们的建模和仿真要深入掌握加工过程的物理本质，还需要通过实验和理论研究，才能针对所需分析的特性建立起适用的模型。这将是一项耗时较长、难度较高的基础性工作，虽已有不少成果，但还有待逐步发展、积累和系统化。

图1示出外圆磨削的建模要求，在输入磨削条件和工艺参数后，通过对磨削过程的仿真，可以得出磨削静态力、动态力、颤振情况和加工精度等结果。

磨削过程的建模要考虑诸多因素间的相互影响。图2示出磨削热平衡计算所涉及的因素。由磨粒滑擦、耕犁和挤压剪切所产生的热量不仅与切屑厚度和材料在一定温度下的机械特性有关，还与磨削力引起工艺系统变形使实际切屑厚度的减小以及由温度升高导致材料机械强度降低等因素有关，故而形成了一个闭环的迭代计算的过程。

当在颤振条件下进行磨削动力学分析时，则迭代模型更为复杂。在不同频率的振动轨迹作用下，不仅磨削厚度的大小有改变，且其截形ABCD也要变化（图3）。当振动频率大于过渡频率ft时，截形将由梯形转为三角形，再成为减缩三角形。

由此动态磨削力Fn(t)也将随振动频率而变化。所导出的dFn(t)/dx的实数和虚数部分分别表示磨削刚度kcd(jω)Re和磨削阻尼力系数kcd(jω)Im的计算模型。图4示出了用磨料颗粒尺寸0.25～0.3mm（粒度号60#）的砂轮磨削铬钢时的磨削刚度和磨削阻尼力系数。

磨削动力学过程是一个反馈系统，在其仿真模型中除要考虑磨床的刚度外，还要考虑kcd(jω)Re、kcd(jω)Im与振动频率齿轮轴f及振幅x^的关系，如图5a所示。由此仿真得出在不同磨削宽度（相应的磨削法向力Fn）下的颤振频率与实测结果极为一致（图5b）。因此仿真模型可较好地预测磨削过程的动力学特性，据此可优化工艺参数和选用合理的加工条件以避免颤振。

4．生产线运行作业的仿真

它具有下列三方面的建模和仿真内容：

（1）设备和物流系统的优化配置 通过模拟生产线的运行，分析生产线上各设备中的瓶颈，研究不发生待机或阻塞的合理缓冲件数量，最佳物流路径和生产规划使设备利用率和节拍达到均衡。从而实现缩短生产周期、提高产量和减少在制品积压及降低成本的目的。

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（2）合理安排生产线作业的空间位置和防护措施 应用拟实工具使操作者可沉浸在虚拟环境中，在其中慢游、巡视或操纵，如同处身于真实的生产线一样观察作业空间和安全性，以排除运输设备和机械手等运动件间的干涉，检查在各种工件形状、重量和运行速度下手爪夹持的稳定性和可靠性，采取必要的安全和监控措施等。

（3）建立在混流生产作业条件下的生产规划和调度 在保证产量的基础上实现多品种混流生产，通过合理调度，使在完成急件的前提下尽可能减少对原有产品的生产流程的影响等。

在进行生产线运行仿真时，其软件应具有离散事件仿真和制造工艺仿真的功能。建模和仿真的主要步骤如下：

1）建立描述生产系统功能的仿真模型；

2）建立加工设备、机器人和运输车等三维图形库，并赋予立体模型以运动和关节属性等信息；

3）定义仿真工艺流程所需求的物流信息和运输车及上下料装置的动作顺序；

4）对各单元建立合适的操作参数，然后根据生产线的运行要求进行生产作业和物流调度，并对运行效果作出评价。

生产线仿真软件的运行框图如图1所示。应用这种仿真技术可以迅速地对各种生产系统的作业情况作出评估，获得理想的生产节拍，有利于优化生产规划和缩短生产线的调整周期。

对用于汽车自动变速装置的控制箱柔性加工生产线的布局和配置设计，按上述建模技术应用美国Auto Simulation工业系统仿真软件进行方案对比，如图2和图3所示。采用后者的设计方案，不仅提高了系统的柔性，有利于实现多品种混流生产；并可根据批量规模方便地对系统进行无缝扩展，降低初期投资；用单元组成的生产线模式缩短了物流路线，加快了生产节拍，在相同产量下可节约投资费用20％以上。构成了一种基于快速重组制造系统原理的新布局的柔性加工线。

5．机械加工拟实技术的发展趋势

面向机械加工的虚拟制造技术是三维几何建模、加工过程运动及物理特性动态仿真技术为基础，以拟实技术为支撑的新颖的认识客观的方法。在虚拟制造环境支持下建立的动态模型仿真为操作者提供可视化和可感知化的人机实时交互界面，从而构成了一种人机和谐的可融入人类智慧的智能型开发系统。它有助于优化加工工艺，合理配置加工设备和物流系统，缩短加工周期，提高产品质量和降低成本，因而将成为21世纪发展机械加工技术的一个重要工具。当前其技术的发展重点为：

（1）典型的机械加工仿真建模软件的开发 机械加工的仿真涉及到一系列专业知识，尤其在其物理特性方面，迄今掌握还不深入，除了总结已有理论和实践知识外，还需通过实验和理论的研究，了解机械加工的物理本质，才能建立符合真实加工过程的模型，这将是一个逐渐发展和积累的过程。当前宜以几何的和运动学的建模和仿真为主，开发一些典型加工过程中的切削轨迹和机床系统运动分析以及生产线作业的仿真软件，这些通用化的软件应具有开放性，以便能根据加工的特殊情况进行二次开发。

（2）完善和发展可视化和可感化的拟实环境 用以提高模拟的真实程度，加强渲染速度和丰富色彩的层次。应具有与工业中常用的CAD/CAM软件及仿真软件进行数据交换的智能化接口，且相应的拟实外设如头盔、数据手套等应结构更简单，操作更方便，所提供的功能更好地适应生产线的运行检查和人员的操作培训。

（3）降低拟实制造环境的硬软件成本 当前用于微机的高档图形加速卡约3万元，视景头盔约515万元，数据手套和立体眼镜也在万元以上。需要进一步发展其结构和制造技术如用微细加工的集成化传感器来使其轻巧化和降低成本，才能更有利于推广应用。

(end)

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