数控加工仿真系统探究

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摘要：分析数控加工仿真系统技术，介绍数控加工仿真技术的研究成果，提出目前数控加工和仿真方面存在的一些问题，以及仿真技术的发展趋势。

关键词：数控加工仿真系统；几何仿真技术；物理仿真技术；数控加工数据库

随着科技的进步，产品的研发周期越来越短，很多企业之间的竞争开始体现在产品的更新换代上。因此新产品的研发时间决定着企业的竞争力。最近十几年计算机技术的迅速发展，使与计算机配套的计算机图形技术发展越来越快，带动了计算机仿真技术的进步。计算机仿真技术在产品的研发中发挥着非常重要的作用。在这种背景下又出现了虚拟制造技术。这种技术可以使一个产品从研发初期到产品装配都具有模拟状态，并且对各个环节中可能出现问题进行有效预测。使设计人员能及时发现设计缺陷并及时提出改进措施。保证产品在设计和生产过程中不断优化，提高产品的设计成功率，同时缩短产品研发周期，减小产品研发过程可能出现的风险，极大提高了企业的竞争力。虚拟制造技术的出现能为人们提供更优秀的产品，主要的应用是在加工过程中进行仿真，西方发达国家的一些科研机构认为，制造业的发展必须要解决的几个问题，其中一个就是制造技术的建模和仿真技术。这种技术已经成为虚拟制造技术发展的关键，这种技术如果运用在机床上可以对机床刀具加工信息进行分析和预测，然后通过优化实现智能生产。这是一种非常先进的技术，不但可以保证机床的有效运行还能保证产品质量。

1数控加工仿真系统研究

1.1数控加工几何仿真技术。数控加工的几何仿真是数控加工仿真系统的一个组成部分，最初数控加工的仿真主要是几何仿真。其条件是在加工过程是一个几何问题，没有其他的因素。近几年随着几何仿真技术的发展，出现了很多优秀的仿真软件，其中最具有代表性的是Pro/ENGINEER，UG等。目前对几何的仿真技术已经非常成熟，在场景建模方面也取得了一定成就，数控加工过程中碰撞干涉检验一直是一个非常难的问题，同时也是非常重要的问题。针对这个问题很多学者也进行了大量的研究，得出了很多优秀的、成熟的算法，这些算法基本上包括2种：一种是基于图形的实时碰撞检测，一种是基于图像的实时碰撞检测。基于图形的实时碰撞算法主要是将物体作为包围盒，对包围盒进行求交计算。当包围盒相交时其包围的几何体才可能相交，如果包围盒不相交那么其包围的几何体就不一定相交，这样就可以通过这种方法很快的找到相交的几何部位。这种方法受到的场景影响较大，对于一些非常复杂的场景分析比较困难。因此除了要保证仿真的精度以外还要进一步提高算法的实时性。另外一种算法是基于图像的实时碰撞检测，其主要是利用物体的2D投影的图像和深度的信息进行相交分析。这种算法具有很多的优点，主要优点有①能够降低CPU（CentralProcessingUnit，中央处理单元）的计算负荷；②平稳性很高；③这种算法适合一些复杂的碰撞检验；④这种算法的发展前景很大。但是这种算法也存在一些问题，其中最主要的问题是运算过程中需要占用很大的内存，导致从硬件中读取深度值时就比较困难，仿真效率大大降低。1.2数控加工物理仿真技术。随着科技的发展，制造业开始运用一些先进的仿真技术，其中物理仿真是仿真技术的研究重点。物理仿真主要是将切削过程中的一些过程映射到制造系统中，然后对实际加工进行分析和预测，找出影响切削精度的一些因素，然后采取措施对工艺进行优化，这种技术也是目前比较先进的技术，能及时发现加工过程中的问题，提高加工质量。1.3人工智能预测模型。随着计算机技术的发展，人工智能的发展也加快了速度，目前在人工智能方面出现了大量的算法。比如遗传算法、神经网络等，这些算法都是非常优秀的算法。在智能系统中可以通过神经网络优化一些制造参数，其预测精度非常高。但不同类别的神经网络模型预测的精度有非常大的差别。人工智能预测模型的出现大大提高了生产效率，降低了生产成本。1.4机械加工数据库。机械加工数据库出现于20世纪末，世界上很多国家都加入了机械加工数据库，每个国家都收集大量的数据加工数据，传到加工数据库中。这种数据库可以使不同国家的数据进行对比，从中找出一些数据进行交叉检验。虽然这种机械加工数据库给各个国家带来了方便，但是它还是存在一些缺点。比如在进行数据分析时没有考虑一致性问题，对各个国家的使用者都是比较麻烦的，同时这种数据库没有考虑机床的影响，很多信息不准确。除了以上问题以外，还有一个非常重要的问题是由于加工过程中复杂和随机性，很多测量技术需要借助实验，前人得到的数据无法代替实际生产。

2数控加工仿真系统存在的问题及发展方向

2.1数控加工仿真系统存在的问题。（1）仿真的加工类型少，研究范围窄。目前我国的数控加工仿真内容和方法具有很大的局限性。由于机械加工中加工种类很多，而且加工原理复杂，不同加工方式需要的工具和原理不同，造成研究的范围比较窄，仿真加工类型非常少。（2）目前国内的一些软件算法没有空间实体的描述，图形生产的质量比较差。为了保证图形生成的速度，很多算法都没有光照模型，这就导致图形生成方式为区域填充，不符合光学原理，导致最后生成与实际不一致的切削模型。（3）物理仿真建模难、通用性差及仿真精度不高。在数控加工仿真建模过程中，经常会遇到一些干扰因素，同时在加工过程中也经常会遇到一些干扰因素，因此无论在加工还是在仿真过程中，都要处理好这些因素，使建立的模型能够非常准确地体现出加工的实际情况。建模过程会涉及很多参数和数据，这些参数和数据都加大了建模困难。目前很多数控加工模型都是针对一个特定的因素，比如加工方式、切削参数等。当其中一些数据发生变化时模型就会改变，使模型的应用范围窄，通用性差。（4）计算机技术的发展与仿真技术的发展紧密相连，相辅相承。数控加工仿真技术的发展面临很多问题，目前主要问题是计算机硬件和软件的更新慢，导致仿真时间较长，编码工作量大。在仿真编程过程中所编制的程序通用性很差，基本上每个项目都要重新进行编程，极大限制了仿真技术的发展。随着C语言的不断发展和应用，C语言开始应用到数控仿真系统中来。由于C语言的可移植性强，使得C语言在数控仿真系统中应用越来越广。2.2未来发展的方向。（1）建立能综合反映加工过程各物理因素对加工精度影响的工艺模型，是实现将数控加工仿真系统运用到实际加工环境的关键，也是实现制造业自动控制与智能控制的必然要求。（2）实现仿真方法的多样性。目前仿真技术所应用的算法很多，其中包括遗传算法、神经网络、信号处理等，这一系列的方法都有助于仿真建模。同时，这一系列算法还能不断优化仿真模型，使仿真技术发展趋向于多样化。（3）几何仿真和物理仿真紧密结合。目前数控加工仿真系统包括2种仿真，一种是几何仿真；一种是物理仿真。几何仿真比较灵活，能在仿真过程中随意提取几何信息，这些信息能为物理仿真提供依据。在数控加工仿真过程中，只有把几何仿真和物理仿真结合在一起，才能不断完善仿真结果。（4）虚拟检测技术要对工件的几何量进行测量。以后的数控加工仿真技术中要加强虚拟检测技术的研究，还要进一步研究如何有效地把虚拟通讯系统和检测系统结合起来，在它们之间进行信息和数据交换。

3结语

虚拟制造技术是数控加工发展方向，数控加工仿真系统是虚拟制造的关键，具有非常多的优点，如提高经济效益、降低成本等，它的不断发展能为企业创造更大的价值。随着一些学者的不断研究，数控加工仿真系统将会越来越智能，越来越符合实际生产。

参考文献

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作者:廖桂波 单位:珠海城市职业技术学院机电工程学院