数控加工仿真系统研究现状与发展趋势

科学技术 的不断发展与生活水平 的不断提高，使得人们对产品性能、规格、品种提出了更高的要求，产品的生产周期越来越短，新产品开发时间的长短与性能的好坏直接影响着企业的市澈争力，与此同时计算机技术与计算机图形学的快速发展，使得计算机仿真技术得到了广泛应用。在此背景下虚拟制造技术 (VMT VirtualManufacturing Technology)孕育而生，它可以实现对生产过程 中的产 品设计 、制造到装配 的全程模拟，并对制造与装配过程中可能出现的不利因素进行有效的预测，使设计人员可以在产品生产之前及时地提出修改措施，实现产品从设计到装配过程中的优化，有效的降低产品的次品率、缩短产品的生产周期、减小产品的开发风险从而提高生产效率与产品的市澈争力n 。

虚拟制造技术在机械加工中的重要应用是对加工过程进行仿真。美国国家自然科学研究会以2020年制造挑战与预测”为题 ，成立了 制造技术挑战的展望 ”委员会 ，展望了制造业的发展，提出了两个需要加速发展的突破性技术：亚微米制造技术和企业的建模与仿真技术。其中，加工过程建模和仿真作为虚拟制造技术的基础性研究已经成为虚拟制造技术发展的关键和亟需解决的瓶颈问题。它可以对机床-工件-刀具构成的工艺系统中的加工信息进行有效预测与优化，对实现加工过程的在线控制和智能化生产具有重要意义，同时它也是研究金属切削原理的重要手段。

1 数控加工仿真系统的研究数控加工仿真系统包括两部分内容：几何仿真与物理仿真。

1.1数控加工几何仿真技术早期的加工仿真技术研 究主要针对几何仿真，即通过计算机建模和可视化技术，实现NC代码的自动检验和加工过程的碰撞、干涉检验。其前提条件是假设加工过程是-个纯几何问题，不存在任何物理因素。随着几何仿真技术研究的不断深入，几何仿真已经取得了丰硕的成果。先后出现了-批具有数控加工仿真功能的优秀软件，如具有代表性的Pro，ENGINEER、UG、MasterCAM、CATIA和Delmia等。目前人们在嘲建模方面的研究已经相对成熟，而加工过程中的碰撞干涉检验-直是几何仿真技术亟需解决的难点问题，学者们对加工过程中的碰撞干涉检验开展了许多有意义的研究工作，并提出了-些比较成熟的算法。总体上可以将这些算法分成两大类：基于图形的实时碰撞检测算法和基于图像的实时碰撞检测算法 。

收稿日期：2012-10-18基金项目：吉林省自然科学基金项目(201215129)作者简介：王占礼 (1961-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事虚拟制造nCAD/CAM的研究。

第35卷 第3期 2013-03(上) 41 I 匐 出1.1.1基于图形的实时碰撞检测基于图形的实时碰撞检测是利用物体三维几何特性进行求交计算。其检测算法主要有层次包围盒法和空间分割法。层次包围盒法的基本思想是将待检测的物体分别作包围盒，对包围盒进行求交运算。当包围盒相交时其包围的几何体才有可能相交；包围盒不相交时，其包围的几何体-定不相交。这样可以排除大量不相交的几何体和几何部位，快速找到相交的几何部位 ≌间分割法的基本思想是将整个虚拟空间划分成等体积的规则单元格，以此将嘲中的物体分割成更小的群组，并只对占据同-单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试，此方法通常适应于稀疏环境中分布较均匀的几何对象间的碰撞检验I 。Youn和WohntT]提出了-种类似于层次包围盒的方法 (如图1所示)，用层级模型表达来加速碰撞干涉检查的方法。该层级模型将装配体中所有部件构成的结点以层级模式组成在-起，每个结点与其它结点以及整个装配体都有联系。算法的第-步就是确定-个结点对列表，表中的每-对结点都有可能发生干涉，然后再对每-对可能发生干涉的结点进行精确干涉检查，以确定它们实际上是否发生干涉。但此算法本身受场景复杂程度影响较大，对复杂嘲分析较为困难。

所以在保证仿真精度的前提下，如何进-步提高算法的实时性-直是研究者追求的目标。

图1 Youn和Wohn的层次包围盒算法1.1.2基于图像的实时碰撞检测基于图像的实时碰撞检测是利用物体二维投影的图像及深度信息来进行相交分析。Shinya和Rossignac等人开创性地提出了图形硬件辅助碰撞检验算法。他们在绘制凸体的同时，保存视窗中物体每个像素上的最大和最小深度值，并将它们按大续行排序，然后根据物体上某-像素上的最大深度值是否与最小深度值相邻来检测相交情况 。此算法具有以下优点：1)能有效利用图1421 第35卷 第3期 2013-03(上)形硬件加速技术来减少计算机CPU的计算负荷；2)对同-复杂度的/JnT嘲，碰撞检验所用时间变化不大，具有较高的平稳性；3)算法本身对于嘲的复杂性不敏感，适合于复杂体间的碰撞检验；4)随着硬件技术的不断发展，算法具有良好的发展前景 。但该方法实用性不高，因为它需要占用大量的内存来保存深度序列，且从图形硬件中读取深度值本身就费时，仿真效率不高。

1.2 数控加工物理仿真技术随着制造业的深入发展，人们开始将仿真技术研究的重点转向物理仿真，物理仿真是将切削过程中的各物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，在实际加工之前进行分析与预测各切削参数及干扰因素的变化对加工精度的影响，分析具体工艺参数下的工艺规划质量及加工质量，辅助在线检测与在线控制，并对工艺规程进行优化。目前物理仿真常采用的仿真模型主要有经验模型、理论模型、有限元模型和人工智能预测模型等n n。

在国外存在着工程派和学院派，预测对象由早期的刀具的使用寿命、切削效率、切削力逐渐转向加工质量预测等u 。

1-21工程学派与经验模型工程学派主要依靠长期的工程实践经验建立预测模型，因此工程学派所建立的模型往往是经验模型。Taylor F.W.是工程学派之父，他在ASME上发表了题为 On the art of cuting metals”的文章，被认为是加工过程建模的开始 。模型以工程实践为基础，推导出著名的经验公式：VT"C (1)公式 (1)中：V为切削速度，T为刀具的使用寿命，n和c分别为与工件材料、刀具材料及其几何参数有关的系数。

该公式将刀具的使用寿命与切削速度建立起联系，用于预测刀具的使用寿命，并在后续的研究工作中将该公式扩展到切削力、切削效率及切削温度的预测 。至今人们仍运用Taylor参数选用加工数据库。虽然经验公式简单，然而当加工要素发生变化时，公式中的相关常数需要通过大量实验数据获得，使得生产周期和成本大大提高，因此无法适应柔性化制造。

1。2.2学院派与理论模型学院派主要利用数学、力学及材料学的相关理论通过理论推导建立预测模型。因此学院派所建立的模型往往是理论模型。Merchant被称为 剪 l 訇 化切面之父”，是学院派的代表，他主要集中研究正交车削的准静态切削过程 (如图2所示)，从切屑形成的基本力学关系着手研究刀具与切屑区域内的工件材料的摩擦状态，根据合力最小原理提出了著名的剪切角计算公式：兀 13 。Y” (2)--4 2公式 (2)中：13，Y。分别为摩擦角和刀具前角。

图2 Merchant的金 属切 削模 型著名出版物Oxley P.L.B出版的 《机械学模型--用解析法预测切削性能》-书介绍了以传统正交切削理论为基础的预测模型，涉及剪切角、切削力、应变率、切削厚度、接触温度、刀具--切屑接触长度等内容♀析法建模是在-个更高的理论水准上，借助数学、力学及材料学中的相关理论，寻找出加工过程中各物理量的变化规律。但是由于加工过程中各物理量复杂的弹塑性变化，使得模型无法考虑过多因素，因此至今没有建立起令人满意的预测模型 。

12.3有限元模型有限元法是在连续体上进行近似计算的数值方法。Erpenbeck，S A和 Komvopoulos，K利用有限元方法建立了正交切削过程的平面应力模型(如图3所示)，他们基于工件的刀尖区域的有效塑性应变建立了-种新的切屑分离准则 。但该模型对不同的工件材料的分离准则选择具有任意性以及对切削力缺乏实验验证。华南理工大学的何振威、全燕呜等基于有限元法模拟了高速切削中切削热在工件、刀具和切屑中的分配规律u引。

此模型定量的计算出切削加工过程中工件、刀具和切屑中切削热的分配比例，但是该模型基于如下假设：第-、二变形区剪切变形功全部转化为热量；变形区热源为平面热源；剪切面、刀--屑接触面和刀--工件接触面热源均匀分布；没有热能辐射到外界环境，使得模型不能准确反映实际加工情况。

图3 有限元模型中的切削变形过程由于有限元模型 自身的特点，不适合间断切削加工及铸铁或钢等非均质材料的建模，并且受不完善的材料模型、三维模型的计算载荷以及难以考虑的随机因素等限制，所以大多数有限元模型均无法给出精确的预测结果。

1.2.4人工智能预测模型随着计算机技术的快速发展，人工智能技术得到了跨跃式的发展，出现了许多先进算法，如遗传算法、时间序列分析、神经网络及专家系统等。人们开始寻求利用人工智能技术对物理仿真进行建模。如J.Gradisek，E综合考虑了生产效率、生产成本和被加工工件的表面粗糙度等因素建立了目标函数，通过神经网络技术优化了切削参数 。

但是神经网络建立的预测模型，其预测精度很大程度依赖于所选用的神经网络的类型，不同类型的神经网络其预测精度有很大差别。南京航天航空大学的解放等人采用专家系统对切削参数进行验证 ，但是没有涉及到加工现场的底层优化。天津大学的王太勇和汪文津等人建立基于时间序列的动态车削力数学模型，能够实时的对切削力进行动态预测 ，但是该模型忽略了切削力往往表现出非线性，因此不具有-般性。

1.3机械加工数据库20世纪80年代末出现了机械加工数据库。各个国家的相关机构都旧能多地收集在实际加工过程中已被证明可以得到满意结果的加工数据，利用这些数据建立计算机数据库，通过对各种不同数据进行交叉检验，确认录入数据的可靠性，并致力开发更加精确、通用性更强的预测模型口 。

然而就当前所建立的机械加工数据库存在以下问题：第-，在数据分类时没有充分考虑-致性问题，给使用者带来不必要的麻烦；第二，不清楚如何考虑机床的影响，所提供的关于理想工件精度的信息是不精确的；第三，由于加工过程的复杂性和随机性，使得加工测量技术仍需要借助大量的实验，前人的实验数据并不能完全地代替实际生产中可能出现的情况。

第35卷 第3期 2013-03(上) [431 l lI5 似2 数控加工仿真系统存在的问题及未来发展的方向2.1数控加工仿真系统存在的问题目前数控加工仿真系统的研究尚处于起步阶段，还存在着以下五个问题：1)仿真的加工类型少，研究范围窄。机械加工种类繁多，存在着车、铣、刨、钳、磨、镗等多种加工形式且jn-r机理复杂，不同的切削方式和刀具形状，其切削机理及建模方法有较大的差别，因此现阶段仿真的内容和方法均局限在很窄的范围内，主要集中于车、铣两种。即使在这两种加工方法上，仿真的内容也很有限。如铣fl/jn工中大多数是仿真棒铣刀和端铣刀，而这两类仿真对其它类型的铣刀 (如加工曲面的铣刀)却无能为力，不具有-般性。

2)国 内外 -些优 秀 的仿真软 件(如PrO，ENGINEER、UG、MasterCAM、CATIA等)均利用扩展z缓冲区的Dexel法克服复杂的布尔集合运算，没有任何实体空间描述，因而图形生成质量较差。同时为了保证图形生成速度的实时性，其图形显示生成算法大多没有建立光照模型或只模拟最简单的平行光，致使图形生成方式为区域填充或渐变色，不符合光学原理；仿真嘲中三维实体的视屏投影常采用平行投影，不符合透视学原理，使得仿真环境不能表现粗、精加工时主轴转速的变化及工件表面纹理形态，生成与实际形态不-致的切削模型。其次几何仿真只是笼统的表达刀具与工件运动过程，不能明确表达机床、刀具、夹具和工件装夹等实际工况并且对数字加工环境的可视化、完整性及实时性表达也不够完善。最后长久以来-直没有解决CAD与CAM之间的瓶颈问题，HpCAPP技术-直没有得到很好的解决。

3)物理仿真建模难、通用性差及仿真精度不高。加工过程常常涉及较多的干扰因素，因此在建模的过程中如何处理这些干扰因素，使得所建模型-方面能够正确反映实际的加工情况，另-方面又能反映干扰因素的变化对加工精度的影响成为物理仿真建模的关键。同时，建模过程中，涉及大量参数和数据，这些都加大建模的难度；目前的物理仿真系统大多数是针对某-特定的加工方式或某-特定的因素而建立的，机床类型、加工方式、刀具种类、切削参数及工件材料都事先做好规定，当某-参数发生变化时，模型往往需要进行很大的修改或重新建模，这就使得模型的应用范围受到限制，模型的通用性较差；在建[441 第35卷 第3期 2013-03(上)立物理仿真系统过程中通常引入大量的假设，如设定工艺系统刚性满足要求，工件材料均匀分布，切削参数不发生变化等。这些假设削弱了仿真 系统与实际的拟合程度，不符合实际加工情况。从而导致仿真结果与实际情况不相符，严重时仿真结果失真。

4)几何仿真与物理仿真尚未充分结合。几何造型的常用方式有构造实体几何法 (CSG)、扫略法 (Sweep)和边界表达法 (B-Rep)，这些造型法的基本元素点、线、面、体等均由理想几何形状构成，不含任何物理特性以及基于这种变化所引起物体宏观形状的改变，以致几何仿真与物理仿真的研究几乎是独立进行的，二者之间的信息沟通，数据交互并不能顺畅流动。

5)仿真手段限制仿真系统的发展，计算机技术的发展与仿真技术的发展紧密相连，相辅相承。由于受到计算机软件与硬件的限制使得仿真时间过长、编码工作量大、程序的连续性和可移植性差，这些问题都限制了仿真技术的发展。目前应用C语言和OpenGL开发数控仿真系统已成为时代的潮流。

2.2未来发展的方向由于数控加工仿真系统的研究开展的时间较短，尚未形成成熟的理论体系，还不能用于解决实际生产中的相关问题。因此还有许多理论和实际的问题有待进-步研究。数控加工仿真系统的研究还需重点集中在以下五个方面：1)建立能够精确模拟实际加工情况并为用户提供精确仿真结果的数控加工仿真系统。美国PTC公司制造部经理Paul Giaconia曾提出口 ：未来数控加工仿真应向精细化及逼真化方向发展〃立能够综合反映加工过程中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。其次由于现有的仿真模型只是针对某-具体加工方式，不具有-般性。因此建立通用性较好的仿真模型是虚拟制造技术得以广泛应用的先决条件。

2)实现仿真方法的多样性～人工神经网络、有限元法、遗传算法、信号处理、时间序列分析、非线性理论和混沌理论等新方法用于提高建模能力，以增强仿真模型预测的可靠性和适应性。

3)几何仿真和物理仿真紧密结合，构建完整的数控加工仿真系统。数控加工仿真系统包括几何仿真和物理仿真。几何仿真可以对加工过程中任意时刻的几何信息进行提取 (如切削厚度，切屑几何形状)，为物理仿真提供依据。只有真正实现几何仿真和物理仿真的无缝连接，才能给用户提供完整的仿真结果。

4)实现数控加工仿真 系统的网络化。它可以使仿真系统与上层的计算机进行数据交换与共享，实现CAD/CAM /CAPP/PDM /ERP等系统无缝集成，能够支持基于网络的各种远程数控服务，包括远程在线编程、远程数控加工仿真及远程在线控制等。对数控加工仿真系统的发展具有重大意义 。

5)虚拟检测技术需要利用虚拟加工系统中的相关模型对工件的几何量进行测量。因此需要进- 步研究如何有效地实现虚拟检测系统与虚拟通讯系统接口之间的信息、数据交换及虚拟检测环境与界面的人性化设计，从而开发出针对不同测量目标的虚拟检测器具。

3 结论虚拟制 造技 术是 世界 制造业 的梦 想 ，是二十-世纪制造业发展的方向，是制造业信息化的重要组成部分。数控加工仿真系统是实现虚拟制造的关键，是 CAD/CAM 领域的重要研究方向，对降低成本，提高效率，创造经济效益，有着巨大的价值。它通过几何仿真检验NC代码的正确性、刀位轨迹验证及工件与刀具、机床的干涉检验等。利用物理仿真模拟加工过程，预测加工过程中可能出现的不利因素，预估零件的性能。

但是由于数控加工仿真系统出现的时间较短，至今仍存在着若干问题亟待解决。随着研究的不断深入，数控加工仿真系统将会朝着面向多种加工方式和更加符合实际工况的方向发展。