数控仿真技术文献综述

文献综述摘要：现代制造技术正朝着提高效率、高速度、高精度、高集成和高智能方向发展，加工智能化和虚拟制造已成为现代制造业中最重要的组成和发展方向，并成为提高产品国际竞争力的关键技术。

而机械加工过程仿真在虚拟制造中占有重要地位，它通过对机床—刀具—工件构成的工艺系统中的各种加工信息的有效预测与优化，为实际加工过程的智能化实现创造了有利条件，同时它也是研究加工过程的重要手段。

本文主要概述了数控仿真技术的发展过程以及国内外运用这一新技术的综合概况。

关键词：数控技术、数控仿真、虚拟、制造1 对所述研究方向阅读文献的概述数控技术是先进制造技术的核心，世界各国制造业广泛采用数控仿真技术，以提高制造能力、适应市场能力和竞争能力。

虚拟制造技术就是根据企业的竞争需求，在强调柔性和快速的前提下，于20世纪80年代提出来的，并随着计算机，特别是信息技术产业的发展，在90年代得到人们的极大重视，获得迅速的发展。

在不长的时间里，已成为企业界、学术界的研究热点之一，是当今国际上科技领域的前沿课题，目前在美、英、日、西欧诸国已经形成了相当规模的新兴产业部门，商品化软件已经日趋成熟，应用比较广泛。

随着我国加入世界贸易组织，综合国力进一步增强，我国经济全面与世界接轨，并正在成为全球制造的中心，进入一个空前蓬勃发展的新时期，随着机械零件制造复杂程度的提高，对数控代码正确性验证的需求越来迫切，数控仿真系统利用计算机图形显示技术模型实际加工过程，是验证数控加工程序正确性的有力工具之一，这必然对掌握现代化制造技术的人才，特别对一线数控技术工人形成了巨大的需求。

2 国内外研究现状与发展趋势2.1国内外研究现状综述计算机辅助仿真技术是美国在曼哈顿计划中首先发展起来的，在科学家们为了军事上的需要开发先进技术时仿真技术的发展成为进行预测气候变化和武器生产试验的关键技术。

当这项技术逐渐发展成熟时，仿真技术被推广到其他军事和民用工业生产和应用中。

早期的计算机仿真技术完全依赖于个人的努力，仿真的有效性在很大程度上取决于仿真者在仿真过程的各个环节所具有的经验，这就要求仿真者拥有很多方面的知识，而这种要求阻碍了仿真技术的普遍应用。

因此，80年代起，仿真领域普遍开始重视建模技术，并将图形技术、人工智能技术、知识工程技术引入到仿真建模过程中。

缩小用户描述问题的方式与仿真模型的最终表现形式之间的差距，产生直观、简练而有效的输入方式，满足仿真输入形式的多样性和复杂性的要求。

随着仿真技术和计算机技术的发展，一方面仿真系统的规模增大、结构复杂化并向分布式仿真发展，另一方面在复杂系统的设计与分析过程中、在管理决策过程中，仿真系统起着越来越重要的作用，导致对仿真置信度要求的提高。

因此，仿真系统功能的智能化、集成化；仿真软件设计和自动化，是仿真软件开发的主要趋势。

2.2数控加工过程仿真的研究状况目前，仿真和建模技术已成为制造系统设计、分析和运行的重要工具，同时作为生产计划、作业调度和辅助决策工具也得到越来越广泛的应用。

目前在许多商品化CAD/CAM软件系统如：IDEAS,UG,PRO/E,等系统中，开发了以二维图形和三维图形为基础的图形数控编程工具和刀具轨迹生成工具，具备零件加工过程的计算机仿真功能。

例如，UG1.4以上版本提供了强大的刀具轨迹模拟功能，检验走刀路径，发现加工中的不合理，如少切或过切等。

这类软件开发成本高，不易推广使用。

国内在这一领域的研究工作开展的较晚，目前有华中理工大学开发的应用于CAD 中心曲面造型系统中的数控铣削加工切削仿真系统，哈尔滨工业大学开发的三轴数控铣削仿真系统，天津大学的回转类零件的CAD/CAM集成系统等。

对数控车削加工仿真的研究还不多见，且多为二维图形显示，具有较大的局限性。

2.3机械加工过程仿真的现状与存在问题目前进行的机械加工过程仿真，主要有两种情况：一种是从研究金属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机理，供生产实际与研究应用；另一种则是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于构造完整的虚拟制造系统。

这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对机加工艺系统建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为离散点，通过分析这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。

由于机加过程仿真还处于起步阶段，目前尚存在以下问题:(1)仿真的加工形式少，研究范围窄在众多的切削加工种类与形式中，目前的仿真主要集中于铣、磨两种。

即使在这两种加工方法上，仿真也局限在很窄的范围内。

如铣削中多是仿真棒铣刀和端铣刀，而这种仿真系统对其他种类的铣刀(如加工成形表面用铣刀)却无能为力。

其原因是机械加工种类繁多，存在着车、铣、刨、磨、镗等多种加工形式；另一方面加工理论复杂，不同的加工方法、刀具形状的加工模型有较大差别。

同时，目前的仿真系统大多进行几何仿真，即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉校验等，有称之为NC校验(NC Verification)。

但在机加过程中，几何校验只是前提条件，更为重要的是切削力、刀具振动及刀具磨损等在切削过程中起决定因素的各物理量。

(2)物理仿真过程都是考虑理想切削状态，与实际切削过程有较大差距在目前的仿真系统中预先设定了大量假设因素，如设定工艺系统刚性满足要求，无振动；加工材料结构统一，无硬点等缺陷；刀具无磨损；切削要素不发生变化等。

这种假定的理想状态不能将切削过程中的随机干扰如工件硬点造成的材质变化、振动造成的切深变化等因素考虑进去，使仿真系统不能真实地反映实际切削过程。

(3)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紧密相连，过去由于计算机软硬件的限制，仿真时间很长。

编码工作量大，程序可读性、维护性差，这些都为仿真工作带来困难。

目前应用C＋＋语言及面向对象的方法开发仿真系统已成为发展潮流。

以上问题已引起研究人员的重视，今后的机加工仿真系统将朝着快速运行、面向多种加工形式、更加符合实际状况的方向发展。

2.4数控仿真技术的的应用及展望虚拟数控机床的应用将给制造业带来革命性的飞跃。

由于虚拟数控机床是数字模型，所以容易实现对数字模型进行显示、分析、传递和迭代更新，为设计提供并行作业的可能，用经济快捷的方式提高产品设计品质，缩短产品开发周期。

采用虚拟数控机床技术，可以为产品设计过程中的可制造性分析提供关键数据，能够迅速完成在机床上不方便操作的各项任务，如完成数控程序的调试、测量产品加工误差、评定加工效率和检验干涉碰撞情况等。

还可以利用虚拟机床优化切削参数，优化刀具路径，提高机床设备的生产效率。

利用机床加工的全过程与用户的交互功能，可以为企业、学校的数控人才培训提供快速、安全且不消耗资源的有效手段，并帮助机床制造商向远程客户逼真地演示其产品。

为制造业提供最佳的发展以及为加工过程的优化提供决策依据。

虚拟数控机床的网络功能为真正实现远程合作提供保证。

虚拟数控技术是由许多先进学科、先进知识形成的综合技术系统，是一个极具潜力的前沿研究领域。

由于多媒体技术和网络技术以及仿真技术的迅速发展，虚拟数控技术将获得更快的发展。

虚拟机床是虚拟加工技术的核心，网络化、智能化、集成化是虚拟制造技术的发展方向。

虚拟机床软件的发展目标应该是根据国内的现实情况和国外软件的发展趋势，针对具体的机床开发面向工程的实用化小型软件。

把某一类型的虚拟机床作为该类型数控机床的附件，提高数控机床的市场竞争力、增加机床产品的附加值。

虚拟数控机床的应用，将为制造技术带来勃勃生机，并将虚拟数控机床的研究开发推向一个更加崭新的阶段。

计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域（航空、航天、化工等方面）继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。

2.5数控仿真的实际应用举例—数控机床数控机床是由机床数控系统（Numerical Control Systems of machine tools）、机械、电压控制、液压、气动、润滑、冷却等子系统（部件）构成的机电一体化产品，机床数控系统是数控机床的控制核心。

机床数控由控制装置（Computer Numerical Controler 简称CNC）、伺服（或步进）电机驱动单元、伺服（或步进）电机等构成。

数控机床的工作原理：根据加工工艺要求编写加工程序（以下简称程序）并输入CNC，CNC按加工程序向伺服（或步进）电机驱动单元发出运动控制代码，伺服（或步进）电机通过机械传动机构完成机床的寄给运动；程序中的主轴起停、刀具选择、冷却、润滑等逻辑控制代码由CNC传送给机床电气控制系统，由机床电气控制系统按钮、开关、指示灯、继电器、接触器等输入输出器件的控制。

目前，机床电气控制系统通常采用可编程控制器（Programable Logic Controler 简称PLC），PLC具有体积小、应用方便、可靠性高等优点。

由此可见，运动控制和逻辑控制是数控机床的主要控制任务。

例如，GSK980TDb 车床CNC同时具备运动控制和逻辑控制功能，可完成数控车床的二轴运动控制，还具有内置式PLC功能。

根据机床的输入、输出控制要求编写PLC程序（梯形图）并下载到GSK980TDb，就能实现所需的机床电气控制要求，方便机床电气设计，也降低了数控机床成本。

实现GSK980TDb车床CNC控制功能的软件分为系统软件（以下简称NC）和PLC软件（以下简称PLC）二个模块，NC模块完成显示、通信、编辑、译码、插补、加减速等控制，PLC模块完成梯形图解释、执行和输入输出处理。

数控编程就是把零件的外形尺寸、加工工艺过程、工艺参数、刀具参数等信息，按照CNC专用的编程代码编写加工程序的过程。

数控加工就是CNC按加工程序的要求，控制机床完成件加工的过程。

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