数控仿真技术论文

计算机仿真技术及其在数控加工中的应用

摘要：近几年，计算机虚拟仿真技术在数控加工中的应用越来越广泛。本文结合计算机仿真技术与数控技术的特点。浅谈数控仿真技术发展状况，包括数控加工过程仿真的研究状况、机械加工过程仿真的现状与存在问题和数控仿真技术的的应用及展望。

关键词：仿真；计算机仿真；数控技术；数控仿真技术；虚拟数控机床

1 计算机仿真

1.1 何为仿真

仿真就是将所研究的对象用其它手段加以模仿的一种活动。如曹冲称象、军事演习、飞行器风洞试验、核爆炸试验等，属于实物仿真的例子。计算机仿真是一种非实物仿真方法，它是利用计算机对一个宏观复杂系统的结构和行为进行动态模仿，从而获得该系统及其变化过程的特性指标，以评价或预测系统的行为效果，为决策提供信息的一种方法。简而言之，对某系统的计算机仿真就是建立该系统的仿真模型并就该模型在计算上进行试验。

计算机仿真通过建立数学模型、编制计算机程序实现对真实系统的模拟,从而了解系统随时间变化的行为或特性。计算机仿真反映出新的科学技术的时代特征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。

1.2 计算机仿真应用

计算机仿真应用的领域有：

航空管理, 公交车的调度,

飞机设计, 动画设计,

三峡的安全、生态, 道路的修建,

医疗保险, 国债的发行,

家居装修, 炼钢的温度估计,

发电厂的操作训练, 飞行员训练，

鼠疫的检测和预报。

1.3 为什么要进行计算机仿真

1.于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。

2.可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中，选择最佳模型。

3.对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。

4.对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。1.4 适用计算机仿真解决的问题

1.难以用数学公式表示的系统，或者没有建立和求解数学模型的有效方法。

2.虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求解方法。

3.希望能在较短的时间内观察到系统发展的全过程，以估计某些参数对系统行为的影响。

4.难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究。

5.需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案。

2 浅谈数控仿真技术发展状况

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，商品化软件已趋于成熟，应用比较广泛。随着我国加入世贸组织,综合国力进一步增强,我国经济全面与国际接轨,并正在成为全球制造业中心,进入了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越迫切，数控仿真系统利用计算机图形显示技术模拟实际加工过程，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。

2.1 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: