1、前言

　　制造業(yè)的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品性能、規(guī)格、品種不斷提出新的要求，產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間是決定性因素。虛擬制造技術(shù)(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模擬由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到裝配的全過(guò)程，對(duì)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)，提出改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)到制造整個(gè)過(guò)程的優(yōu)化，達(dá)到降低產(chǎn)品生命周期、減小開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。而機(jī)械加工過(guò)程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過(guò)對(duì)機(jī)床—工件—刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種加工信息的有效預(yù)測(cè)與優(yōu)化，為實(shí)際加工過(guò)程的智能化實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)它也是研究加工過(guò)程的重要手段。

2、虛擬制造技術(shù)

2.1　虛擬制造系統(tǒng)的構(gòu)成
　　從產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)角度講，虛擬制造實(shí)際上就是在計(jì)算機(jī)上全面仿真產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造、裝配的全過(guò)程，貫穿著產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。虛擬制造主要由以下五個(gè)階段組成：
　　●概念設(shè)計(jì)階段　包括產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
　　●詳細(xì)設(shè)計(jì)階段　指的是對(duì)產(chǎn)品整個(gè)加工過(guò)程的仿真模擬，包括對(duì)工件幾何參數(shù)及干涉進(jìn)行校驗(yàn)的幾何仿真過(guò)程、對(duì)加工過(guò)程中各項(xiàng)物理參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析的物理仿真過(guò)程及產(chǎn)品的裝配過(guò)程仿真。
　　●加工制造階段　包括工廠設(shè)計(jì)、制造車(chē)間設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃與作業(yè)計(jì)劃調(diào)度及各級(jí)控制器的設(shè)計(jì)。
　　●測(cè)試階段　測(cè)試仿真器的真實(shí)程度。
　　●培訓(xùn)與維護(hù)階段　訓(xùn)練用仿真器，包括對(duì)操作員的培訓(xùn)過(guò)程及產(chǎn)品的二維維護(hù)。
　　虛擬制造可分為以下幾個(gè)工作層次：工廠級(jí)、車(chē)間級(jí)、調(diào)度級(jí)、具體的加工過(guò)程及各制造單元等層次。因此虛擬制造技術(shù)可仿真現(xiàn)有企業(yè)的全部生產(chǎn)活動(dòng)，并能夠?qū)ξ磥?lái)企業(yè)的設(shè)備布置、物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，從生產(chǎn)制造的各個(gè)層次進(jìn)行工作，達(dá)到縮短產(chǎn)品生命周期與提高設(shè)計(jì)、制造效率的最佳目的。
2.2　虛擬制造技術(shù)的發(fā)展情況
　　VMT作為一門(mén)面向21世紀(jì)的制造技術(shù)，從一開(kāi)始出現(xiàn)就引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要集中于對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的理論研究與各級(jí)仿真環(huán)境的構(gòu)造與實(shí)踐的嘗試。理論研究包括對(duì)VMT/VMS概念的探討、虛擬制造系統(tǒng)構(gòu)成、整個(gè)系統(tǒng)中模型的構(gòu)成、建模方法及模型的集成等。而在實(shí)踐嘗試方面則從實(shí)驗(yàn)室角度實(shí)現(xiàn)虛擬工廠、虛擬車(chē)間的設(shè)計(jì)及工廠級(jí)、車(chē)間級(jí)各種設(shè)備的調(diào)度與信息的集成處理，各具體加工過(guò)程、加工單元的仿真等。同時(shí)一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了VMT工作并取得了成效。
　　在國(guó)內(nèi)，VMT技術(shù)也得到極大重視。模型的建模方法、生產(chǎn)過(guò)程模擬、控制等方面做了大量的研究工作，同時(shí)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)引入到VMS過(guò)程當(dāng)中去，建立了虛擬工廠級(jí)、車(chē)間級(jí)的設(shè)計(jì)與調(diào)度系統(tǒng)，如清華大學(xué)的用于制造車(chē)間調(diào)度問(wèn)題的“工廠調(diào)度仿真環(huán)境FASE”，用于制造車(chē)間設(shè)計(jì)、分析建模與仿真的“一體化制造系統(tǒng)軟件IMSS”及“加工過(guò)程仿真器MPS”等［8］。

3、機(jī)械加工過(guò)程仿真

3.1　機(jī)械加工過(guò)程仿真的現(xiàn)狀與存在問(wèn)題
　　目前進(jìn)行的機(jī)械加工過(guò)程仿真，主要有兩種情況：一種是從研究金屬切削的角度出發(fā)，仿真某具體切削過(guò)程內(nèi)部各因素的變化過(guò)程，研究其切削機(jī)理，供生產(chǎn)實(shí)際與研究應(yīng)用；另一種則是將加工過(guò)程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點(diǎn)在于構(gòu)造完整的虛擬制造系統(tǒng)。這兩種方式的仿真方法是相同的，即首先對(duì)機(jī)加工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化模型，然后用數(shù)學(xué)離散方法將連續(xù)模型離散為離散點(diǎn)，通過(guò)分析這些離散點(diǎn)的物理因素變化情況來(lái)仿真加工過(guò)程。
　　由于機(jī)加過(guò)程仿真還處于起步階段，目前尚存在以下問(wèn)題：
　　(1)仿真的加工形式少，研究范圍窄
　　在眾多的切削加工種類(lèi)與形式中，目前的仿真主要集中于銑、磨兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真也局限在很窄的范圍內(nèi)。如銑削中多是仿真棒銑刀和端銑刀，而這種仿真系統(tǒng)對(duì)其他種類(lèi)的銑刀(如加工成形表面用銑刀)卻無(wú)能為力。其原因是機(jī)械加工種類(lèi)繁多，存在著車(chē)、銑、刨、磨、鏜等多種加工形式；另一方面加工理論復(fù)雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別。同時(shí)，目前的仿真系統(tǒng)大多進(jìn)行幾何仿真，即對(duì)刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗(yàn)等，有稱之為NC校驗(yàn)(NC Verification)。但在機(jī)加過(guò)程中，幾何校驗(yàn)只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動(dòng)及刀具磨損等在切削過(guò)程中起決定因素的各物理量。