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虚拟机床加工系统研究(上)

1概述

虚拟机床加工系统的研究工作最早是由美国提出的。美国伊利诺伊大学主持成立的虚拟机床研究机构同比上涨0.8%(2013年第3季度：13.2亿欧元)和美国NIST都投入了大量的人力、物力开展虚拟机床的研究与开发工作。

前者的工作主要按机床行为建模和过程建模两部分进行。其中虚拟机床的行为建模包括以下六部分：(1)机床拓扑模型；(2)机床运动学模型；(3)机床控制模型；(4)几何误差模型；(5)主轴动态特性模型；(6)热误差模型。过程建模主要是建立系统响应、工件属性与加工过程之间的关系。包括：(1)切削过程模型；(2)工件属性模型；(3)工装夹具模型等三部分。而后者则以为虚拟制造提供支持工具，并为制定下一代基于信息的制造技术标准奠定基础为目标。

我们在跟踪国外研究进展的基础上，完成了一个以车削加工为基础的虚拟机床加韩城工系统的软件系统。本文将对虚拟机床加工系统的部分研究内容进行较深入的讨论(本文研究旋耕机内容得到国家 863计划 资助)。

2虚拟机床加工系统研究的基本内容和关键技术

虚拟机床加工系统的基本要求虚拟机床加工系统是在计算机上建立的一套能够描述真实加工过程和质量检验过程，允许使用者测试和优化加工工艺、预测加工质量的软件工具。它可以根据实际加工机床或加工中心进行初始化，然后由数控代码驱动虚拟的机床进行切削加工。它除可描述刀具真实运动轨迹外，还可根据刀具特征计算工件的形状误差、形位误差、几何尺寸误差和表面粗糙度，进而达到预测加工质量的目的。虚拟机床加工系统所生产的产品是可视的虚拟产品，具有真实产品所必须具备的一切特征，是一个数字化的产品。

虚拟机床加工系统的建模有以下两点最基本的要求：在功能上要与现实机床加工系统有一定的等价性；在组成结构上要与现实制造最注视的就是铁路合作系统中的机金属五金床加工系统有一定的可比性，要可系列化，具有可重用性与可重组性。

此外，由于虚拟机床加工系统是一种估计和验证新产品的可制造性的不可缺少的工具。它所关注的是金属切削加工的描述，它是以真实感为基础的、是依赖于真实系统的。经过虚拟实现的加工最终仍要在真实的环境中实现。因此，虚拟机床加工系统要包含诸如：(1)机床型号；(2)机床的主要结构尺寸、工作台的大小、工作行程等；(3)机床的精度，包括加工时各工作部件的运动精度、HRD导轨精度、定位精度等；(4)机床的使用情况，如故障率、故障原因、维修记录、使用环境等；(5)操作机床的人员状况等的全部信息。

虚拟机床加工系统就是要包含上述所有信息并能自如地与其他虚拟资源及真实系统互通信息的虚拟系统。

虚拟机床系统研究的基本内容

附图所示就是一个能够达到上述目的和要求的虚拟机床加工系统的基本框架以及该系统与其他虚拟制造资源及真实资源的联系。它清楚地展现了虚拟机床加工系统所要研究的基本内容。

虚拟机床加工系统的基本框架和研究内容

图中所示的各种联系都是双向的。整个虚拟生产系统的工作是以虚拟机床加工系统为中心的。CAD/CAM系统为虚拟机床加工系统提供标准化的设计数据。根据这一设计数据，虚拟机床加工系统在对异地加工位置的实际机床系统进行选取使自身初始化后进行产品的加工生产，并将加工后所得到的产品数据交付虚拟检测系统和虚拟装配系统检验产品的质量和性能，同时对加工和设计提出修改建议。这一过程是反复进行的，直至获得合格的虚拟产品。而后，将所形成的加工数据反馈给最终所选定的加工地进行加工。通过上述过程一个新产品便被迅速地加工完成。在正式交付加工数据之前，虚拟的加工不仅不需要任何资源，而且可以随时满足客户的特殊要求，实现敏捷的生产。