浅谈虚拟加工技术与高效加工技术的结合

黄玮

摘 要：随着近年精益生产、柔性制造等技术在机械加工行业的发展，对加工中心利用效率的要求也日益提高。本文将主要讨论虚拟现实技术与高效加工技术结合的优劣，并举例分析。

关键词：虚拟现实；虚拟加工；高效加工；HEM

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）14-0012-03

虚拟现实技术正日益深入地渗透到机械加工行业的方方面面。车削、铣削，冲切，折弯等等，现代最新的加工设备正在提供着越来越多的虚拟加工验证技术。现代技术已经允许一个设计在草稿阶段就开始对其整个零件生命周期进行验证分析。例如通过物联网技术寻求最合适材料，利用有限元技术分析零件使用寿命等等。虚拟加工技术，恰恰解决的是零件加工过程的验证和优化。

1 技术背景

1.1 虚拟现实技术

引用Larijani在1994年的描述，虚拟现实（Virtual Reality，VR）是“一种由计算机合成的，允许人们通过适当的接口互动，对模拟出来的物理元素进行操纵的环境”。虚拟现实，具有4大关键特征：

多感知性：指除视觉感知外，还应具有如听觉触觉等一切必要的感知功能。

存在感：指用户感受自身存在模拟环境中的真实程度。

自主性：指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

交互性：指用户对模拟环境内物体（对象）的可操作可沟通程度。

1.2 虚拟制造加工技术

脱胎自VR，虚拟制造技术（Virtual Manufacturing，VM）是一种基于计算机系统的，利用CAD模型，对目标对象进行模拟现实加工制造的技术。作为生产加工系统的延伸，VM主要被用于在设计研发阶段，对产品的某些性能（如可靠性，工序工艺可行性等）进行验证和优化。VM技术提供了一个虚拟测试平台，在相当程度程度上节约了传统模式下可能耗费的大量时间和资源。

虚拟加工（Virtual Machining）是虚拟制造技术的其中一个重要分支。在虚拟加工系统中，操作员通过操作界面与系统互动。系统将模拟生成作为中间介质的虚拟原材料，并使用对虚拟刀具（Virtual Machine Tool，VMT）依据准备好的NC加工程序对虚拟原料进行虚拟加工。整个虚拟加工过程中，虚拟原料的物理形状将发生改变（布尔运算原理），并实时反映出理想状态下当前CNC程序执行时被加工件的形态和状态。同一时间，系统将检查诸如加工工件、刀具、夹具等部件之间可能产生的碰撞和干涉等失误，记录到日志中，并生成干涉检查报告。系统也将會把经虚拟加工完成的虚拟成品呈现给操作完检查。

1.3 高效加工技术

有别于传统高速加工技术（HSM）把精力集中在机床的进给速率和主轴转速，高效加工技术（HEM）侧重于优化切削效率，以获得最大的材料切除率，进而达到全过程的循环时间最小化。在虚拟加工系统的辅助下，可以精确获得出每个单位时间下刀具对原料的切削量。利用这些数据，HEM将精确计算出切除这些材料所需的最优切削力矩，进而计算出最优的进给速率和主轴转速（图1a）。于此同时，HEM还可以一定程度上降低加工过程对刀具的磨损。下图（图1b）是CGTech公司2007年在相同测试环境下HSM和HEM对刀具磨损影响的分析对比。

2 虚拟加工验证与高效加工技术结合

为进一步了解VM与HEM结合对现实加工行业带来的影响，此处搭建一个仿真对比试验。本试验所选用的工具、软件平台信息如表1。

依据机床相关数据，在PTC Pro/ENGINEER上建立机床简易模型，导入虚拟加工平台VERICUT，并建立输入对应的坐标系信息（图2）。

本例选用了PTC Pro/ENGINEER 样例零件库中的某曲轴连杆模型作为对象，使用建议开模功能制作了如下图示的工件作为虚拟加工成品零件（图3）。

虚拟零件导入Pro/TOOLMAKER，新建如下所示刀具清单（表2），查手册计算出相应的进给和转速（表3），并根据软件建议自动生成CNC加工程序（图4）。

建立虚拟原料和夹具，把所有相关信息导入虚拟加工系统，进行虚拟加工验证，如图5。

进行OptiPath分析（CGTech VERICUT平台上的一种HEM优化技术），再次进行虚拟加工验证，如图6。

根据此模拟结果，经传统自动加工编程并手动优化的程序，与经OptiPath技术优化的程序相比较，在本试验平台上，获得了39%的整体加工时间缩短。考虑到本试验所选用的工件可能并不具备普遍代表性，引用CG Tech公司的官方研究数据，此种HEM衍生技术一般可提高10-30%的加工能效。

3 结论

综上描述分析和试验结果，虚拟加工VM与高效加工HEM技术的结合应用在实践上具有相当广阔的前景，具备显著提高机械加工行业生产效率的潜力。

参考文献

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