數控加工仿真系統探究

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摘要：分析數控加工仿真系統技術，介紹數控加工仿真技術的研究成果，提出目前數控加工和仿真方面存在的一些問題，以及仿真技術的發展趨勢。

關鍵詞：數控加工仿真系統；幾何仿真技術；物理仿真技術；數控加工數據庫

隨著科技的進步，產品的研發周期越來越短，很多企業之間的競爭開始體現在產品的更新換代上。因此新產品的研發時間決定著企業的競爭力。最近十幾年計算機技術的迅速發展，使與計算機配套的計算機圖形技術發展越來越快，帶動了計算機仿真技術的進步。計算機仿真技術在產品的研發中發揮著非常重要的作用。在這種背景下又出現了虛擬制造技術。這種技術可以使一個產品從研發初期到產品裝配都具有模擬狀態，并且對各個環節中可能出現問題進行有效預測。使設計人員能及時發現設計缺陷并及時提出改進措施。保證產品在設計和生產過程中不斷優化，提高產品的設計成功率，同時縮短產品研發周期，減小產品研發過程可能出現的風險，極大提高了企業的競爭力。虛擬制造技術的出現能為人們提供更優秀的產品，主要的應用是在加工過程中進行仿真，西方發達國家的一些科研機構認為，制造業的發展必須要解決的幾個問題，其中一個就是制造技術的建模和仿真技術。這種技術已經成為虛擬制造技術發展的關鍵，這種技術如果運用在機床上可以對機床刀具加工信息進行分析和預測，然后通過優化實現智能生產。這是一種非常先進的技術，不但可以保證機床的有效運行還能保證產品質量。

1數控加工仿真系統研究

1.1數控加工幾何仿真技術。數控加工的幾何仿真是數控加工仿真系統的一個組成部分，最初數控加工的仿真主要是幾何仿真。其條件是在加工過程是一個幾何問題，沒有其他的因素。近幾年隨著幾何仿真技術的發展，出現了很多優秀的仿真軟件，其中最具有代表性的是Pro/ENGINEER，UG等。目前對幾何的仿真技術已經非常成熟，在場景建模方面也取得了一定成就，數控加工過程中碰撞干涉檢驗一直是一個非常難的問題，同時也是非常重要的問題。針對這個問題很多學者也進行了大量的研究，得出了很多優秀的、成熟的算法，這些算法基本上包括2種：一種是基于圖形的實時碰撞檢測，一種是基于圖像的實時碰撞檢測。基于圖形的實時碰撞算法主要是將物體作為包圍盒，對包圍盒進行求交計算。當包圍盒相交時其包圍的幾何體才可能相交，如果包圍盒不相交那么其包圍的幾何體就不一定相交，這樣就可以通過這種方法很快的找到相交的幾何部位。這種方法受到的場景影響較大，對于一些非常復雜的場景分析比較困難。因此除了要保證仿真的精度以外還要進一步提高算法的實時性。另外一種算法是基于圖像的實時碰撞檢測，其主要是利用物體的2D投影的圖像和深度的信息進行相交分析。這種算法具有很多的優點，主要優點有①能夠降低CPU（CentralProcessingUnit，中央處理單元）的計算負荷；②平穩性很高；③這種算法適合一些復雜的碰撞檢驗；④這種算法的發展前景很大。但是這種算法也存在一些問題，其中最主要的問題是運算過程中需要占用很大的內存，導致從硬件中讀取深度值時就比較困難，仿真效率大大降低。1.2數控加工物理仿真技術。隨著科技的發展，制造業開始運用一些先進的仿真技術，其中物理仿真是仿真技術的研究重點。物理仿真主要是將切削過程中的一些過程映射到制造系統中，然后對實際加工進行分析和預測，找出影響切削精度的一些因素，然后采取措施對工藝進行優化，這種技術也是目前比較先進的技術，能及時發現加工過程中的問題，提高加工質量。1.3人工智能預測模型。隨著計算機技術的發展，人工智能的發展也加快了速度，目前在人工智能方面出現了大量的算法。比如遺傳算法、神經網絡等，這些算法都是非常優秀的算法。在智能系統中可以通過神經網絡優化一些制造參數，其預測精度非常高。但不同類別的神經網絡模型預測的精度有非常大的差別。人工智能預測模型的出現大大提高了生產效率，降低了生產成本。1.4機械加工數據庫。機械加工數據庫出現于20世紀末，世界上很多國家都加入了機械加工數據庫，每個國家都收集大量的數據加工數據，傳到加工數據庫中。這種數據庫可以使不同國家的數據進行對比，從中找出一些數據進行交叉檢驗。雖然這種機械加工數據庫給各個國家帶來了方便，但是它還是存在一些缺點。比如在進行數據分析時沒有考慮一致性問題，對各個國家的使用者都是比較麻煩的，同時這種數據庫沒有考慮機床的影響，很多信息不準確。除了以上問題以外，還有一個非常重要的問題是由于加工過程中復雜和隨機性，很多測量技術需要借助實驗，前人得到的數據無法代替實際生產。

2數控加工仿真系統存在的問題及發展方向

2.1數控加工仿真系統存在的問題。（1）仿真的加工類型少，研究范圍窄。目前我國的數控加工仿真內容和方法具有很大的局限性。由于機械加工中加工種類很多，而且加工原理復雜，不同加工方式需要的工具和原理不同，造成研究的范圍比較窄，仿真加工類型非常少。（2）目前國內的一些軟件算法沒有空間實體的描述，圖形生產的質量比較差。為了保證圖形生成的速度，很多算法都沒有光照模型，這就導致圖形生成方式為區域填充，不符合光學原理，導致最后生成與實際不一致的切削模型。（3）物理仿真建模難、通用性差及仿真精度不高。在數控加工仿真建模過程中，經常會遇到一些干擾因素，同時在加工過程中也經常會遇到一些干擾因素，因此無論在加工還是在仿真過程中，都要處理好這些因素，使建立的模型能夠非常準確地體現出加工的實際情況。建模過程會涉及很多參數和數據，這些參數和數據都加大了建模困難。目前很多數控加工模型都是針對一個特定的因素，比如加工方式、切削參數等。當其中一些數據發生變化時模型就會改變，使模型的應用范圍窄，通用性差。（4）計算機技術的發展與仿真技術的發展緊密相連，相輔相承。數控加工仿真技術的發展面臨很多問題，目前主要問題是計算機硬件和軟件的更新慢，導致仿真時間較長，編碼工作量大。在仿真編程過程中所編制的程序通用性很差，基本上每個項目都要重新進行編程，極大限制了仿真技術的發展。隨著C語言的不斷發展和應用，C語言開始應用到數控仿真系統中來。由于C語言的可移植性強，使得C語言在數控仿真系統中應用越來越廣。2.2未來發展的方向。（1）建立能綜合反映加工過程各物理因素對加工精度影響的工藝模型，是實現將數控加工仿真系統運用到實際加工環境的關鍵，也是實現制造業自動控制與智能控制的必然要求。（2）實現仿真方法的多樣性。目前仿真技術所應用的算法很多，其中包括遺傳算法、神經網絡、信號處理等，這一系列的方法都有助于仿真建模。同時，這一系列算法還能不斷優化仿真模型，使仿真技術發展趨向于多樣化。（3）幾何仿真和物理仿真緊密結合。目前數控加工仿真系統包括2種仿真，一種是幾何仿真；一種是物理仿真。幾何仿真比較靈活，能在仿真過程中隨意提取幾何信息，這些信息能為物理仿真提供依據。在數控加工仿真過程中，只有把幾何仿真和物理仿真結合在一起，才能不斷完善仿真結果。（4）虛擬檢測技術要對工件的幾何量進行測量。以后的數控加工仿真技術中要加強虛擬檢測技術的研究，還要進一步研究如何有效地把虛擬通訊系統和檢測系統結合起來，在它們之間進行信息和數據交換。

3結語

虛擬制造技術是數控加工發展方向，數控加工仿真系統是虛擬制造的關鍵，具有非常多的優點，如提高經濟效益、降低成本等，它的不斷發展能為企業創造更大的價值。隨著一些學者的不斷研究，數控加工仿真系統將會越來越智能，越來越符合實際生產。

參考文獻

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作者:廖桂波 單位:珠海城市職業技術學院機電工程學院