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

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工仿真系統(tǒng)；幾何仿真技術(shù)；物理仿真技術(shù)；數(shù)控加工數(shù)據(jù)庫

隨著科技的進(jìn)步，產(chǎn)品的研發(fā)周期越來越短，很多企業(yè)之間的競爭開始體現(xiàn)在產(chǎn)品的更新?lián)Q代上。因此新產(chǎn)品的研發(fā)時間決定著企業(yè)的競爭力。最近十幾年計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使與計算機(jī)配套的計算機(jī)圖形技術(shù)發(fā)展越來越快，帶動了計算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步。計算機(jī)仿真技術(shù)在產(chǎn)品的研發(fā)中發(fā)揮著非常重要的作用。在這種背景下又出現(xiàn)了虛擬制造技術(shù)。這種技術(shù)可以使一個產(chǎn)品從研發(fā)初期到產(chǎn)品裝配都具有模擬狀態(tài)，并且對各個環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)問題進(jìn)行有效預(yù)測。使設(shè)計人員能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并及時提出改進(jìn)措施。保證產(chǎn)品在設(shè)計和生產(chǎn)過程中不斷優(yōu)化，提高產(chǎn)品的設(shè)計成功率，同時縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，減小產(chǎn)品研發(fā)過程可能出現(xiàn)的風(fēng)險，極大提高了企業(yè)的競爭力。虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)能為人們提供更優(yōu)秀的產(chǎn)品，主要的應(yīng)用是在加工過程中進(jìn)行仿真，西方發(fā)達(dá)國家的一些科研機(jī)構(gòu)認(rèn)為，制造業(yè)的發(fā)展必須要解決的幾個問題，其中一個就是制造技術(shù)的建模和仿真技術(shù)。這種技術(shù)已經(jīng)成為虛擬制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，這種技術(shù)如果運(yùn)用在機(jī)床上可以對機(jī)床刀具加工信息進(jìn)行分析和預(yù)測，然后通過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。這是一種非常先進(jìn)的技術(shù)，不但可以保證機(jī)床的有效運(yùn)行還能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1數(shù)控加工仿真系統(tǒng)研究

1.1數(shù)控加工幾何仿真技術(shù)。數(shù)控加工的幾何仿真是數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的一個組成部分，最初數(shù)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(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多優(yōu)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(shù)已經(jīng)非常成熟，在場景建模方面也取得了一定成就，數(shù)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(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，得出了很多優(yōu)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(shí)時碰撞檢測，一種是基于圖像的實(shí)時碰撞檢測?；趫D形的實(shí)時碰撞算法主要是將物體作為包圍盒，對包圍盒進(jìn)行求交計算。當(dāng)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(fù)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(jìn)一步提高算法的實(shí)時性。另外一種算法是基于圖像的實(shí)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(jìn)行相交分析。這種算法具有很多的優(yōu)點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)有①能夠降低CPU（CentralProcessingUnit，中央處理單元）的計算負(fù)荷；②平穩(wěn)性很高；③這種算法適合一些復(fù)雜的碰撞檢驗；④這種算法的發(fā)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(yùn)算過程中需要占用很大的內(nèi)存，導(dǎo)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(shù)控加工物理仿真技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)開始運(yùn)用一些先進(jìn)的仿真技術(shù)，其中物理仿真是仿真技術(shù)的研究重點(diǎn)。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(tǒng)中，然后對實(shí)際加工進(jìn)行分析和預(yù)測，找出影響切削精度的一些因素，然后采取措施對工藝進(jìn)行優(yōu)化，這種技術(shù)也是目前比較先進(jìn)的技術(shù)，能及時發(fā)現(xiàn)加工過程中的問題，提高加工質(zhì)量。1.3人工智能預(yù)測模型。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工智能的發(fā)展也加快了速度，目前在人工智能方面出現(xiàn)了大量的算法。比如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些算法都是非常優(yōu)秀的算法。在智能系統(tǒng)中可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化一些制造參數(shù)，其預(yù)測精度非常高。但不同類別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的精度有非常大的差別。人工智能預(yù)測模型的出現(xiàn)大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。1.4機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫。機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)于20世紀(jì)末，世界上很多國家都加入了機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫，每個國家都收集大量的數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)，傳到加工數(shù)據(jù)庫中。這種數(shù)據(jù)庫可以使不同國家的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從中找出一些數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢驗。雖然這種機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫給各個國家?guī)砹朔奖?，但是它還是存在一些缺點(diǎn)。比如在進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫沒有考慮機(jī)床的影響，很多信息不準(zhǔn)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(fù)雜和隨機(jī)性，很多測量技術(shù)需要借助實(shí)驗，前人得到的數(shù)據(jù)無法代替實(shí)際生產(chǎn)。

2數(shù)控加工仿真系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展方向

2.1數(shù)控加工仿真系統(tǒng)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(shù)控加工仿真內(nèi)容和方法具有很大的局限性。由于機(jī)械加工中加工種類很多，而且加工原理復(fù)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(nèi)的一些軟件算法沒有空間實(shí)體的描述，圖形生產(chǎn)的質(zhì)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(dǎo)致圖形生成方式為區(qū)域填充，不符合光學(xué)原理，導(dǎo)致最后生成與實(shí)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(shù)控加工仿真建模過程中，經(jīng)常會遇到一些干擾因素，同時在加工過程中也經(jīng)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(zhǔn)確地體現(xiàn)出加工的實(shí)際情況。建模過程會涉及很多參數(shù)和數(shù)據(jù)，這些參數(shù)和數(shù)據(jù)都加大了建模困難。目前很多數(shù)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(shù)等。當(dāng)其中一些數(shù)據(jù)發(fā)生變化時模型就會改變，使模型的應(yīng)用范圍窄，通用性差。（4）計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與仿真技術(shù)的發(fā)展緊密相連，相輔相承。數(shù)控加工仿真技術(shù)的發(fā)展面臨很多問題，目前主要問題是計算機(jī)硬件和軟件的更新慢，導(dǎo)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(jìn)行編程，極大限制了仿真技術(shù)的發(fā)展。隨著C語言的不斷發(fā)展和應(yīng)用，C語言開始應(yīng)用到數(shù)控仿真系統(tǒng)中來。由于C語言的可移植性強(qiáng)，使得C語言在數(shù)控仿真系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣。2.2未來發(fā)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(shí)現(xiàn)將數(shù)控加工仿真系統(tǒng)運(yùn)用到實(shí)際加工環(huán)境的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)自動控制與智能控制的必然要求。（2）實(shí)現(xiàn)仿真方法的多樣性。目前仿真技術(shù)所應(yīng)用的算法很多，其中包括遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(yōu)化仿真模型，使仿真技術(shù)發(fā)展趨向于多樣化。（3）幾何仿真和物理仿真緊密結(jié)合。目前數(shù)控加工仿真系統(tǒng)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(jù)。在數(shù)控加工仿真過程中，只有把幾何仿真和物理仿真結(jié)合在一起，才能不斷完善仿真結(jié)果。（4）虛擬檢測技術(shù)要對工件的幾何量進(jìn)行測量。以后的數(shù)控加工仿真技術(shù)中要加強(qiáng)虛擬檢測技術(shù)的研究，還要進(jìn)一步研究如何有效地把虛擬通訊系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)結(jié)合起來，在它們之間進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換。

3結(jié)語

虛擬制造技術(shù)是數(shù)控加工發(fā)展方向，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是虛擬制造的關(guān)鍵，具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，如提高經(jīng)濟(jì)效益、降低成本等，它的不斷發(fā)展能為企業(yè)創(chuàng)造更大的價值。隨著一些學(xué)者的不斷研究，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)將會越來越智能，越來越符合實(shí)際生產(chǎn)。

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作者:廖桂波 單位:珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院