2024年1月11日发(作者：)
浅析数控加工仿真技术的研究现状与展望
摘要：数控技术已经成为了能够有效推动我国工业化进程的基本保证，也是我国现代化工业不可或缺的一项关键技术。为了更好地保证数控加工的科学性和合理性，通常情况下，在完成了数控程序的编制工作之后，就会对其进行正确性的检查，其目的是避免在正式加工的过程中，由于程序失误或操作失误，导致的过切、欠切、碰撞等隐患问题。通常情况下，在机床实际加工前，通过计算机仿真技术，实现数控加工过程中的仿真流程，从而为数控程序的评价精度奠定了坚实的基础，避免了由于实际加工中的工序或者程度失误而导致的重大隐患。
关键词：数据加工仿真技术；研究现状；展望
引言：数控加工是一种自动化的工艺技术，要求技工提前制定好工艺路线。工艺人员在设计时，除了要考虑工艺中的多种影响因素外，还必须考虑外界的干扰。在加工过程中，工艺参数的选择是否合理，零件是否与机床发生碰撞，过切等，都是相关的，并有其自身的变化规律。所以，利用目前的解析和计算方法，对生产过程进行优化是很困难的。为此，技术人员需要具有可分析、可计算的可视环境，可以通过辅助方法来进行流程的设计与优化，以实现对产品品质的提升，以及对生产周期的缩短。所以，为了能够在实际加工之前，利用相对成熟的仿真技术，对产品的数控加工过程进行观察，以便能够及时地发现和解决问题，避免造成不必要的损失。
1数控加工仿真技术的研究现状
在当前的数控加工仿真技术中，几何仿真是其核心。其中，以几何程序为主导的几何仿真将3D造型技术与工艺仿真技术相结合，实现了数控加工仿真的技术流程。首先，在数控机床上完成了对刀位轨迹的数据处理；其次，根据运动轨迹的几何外形，对被加工几何外形进行求交操作；通过对制造出的坐标数据和已
加工工件的有关参数进行计算，得到了最终的计算结果；最终，通过三维建模和动画技术，将过程结果分别呈现到计算机屏幕上，从而达到预期的技术目标。当前，在目前的国际和国内环境中，关于数控加工仿真的研究中，以几何仿真为主，并且正逐渐地从几何仿真转向物理仿真，对于几何仿真的研究，它已经相当的成熟，而对于物理仿真，它还处于发展的初级阶段，以下分别对国内外的具体研究情况展开介绍[1]
1.1数控加工几何仿真
国外学者很早就对几何仿真进行了深入的研究，其初始仿真算法是基于整体布尔减，这种方法具有很大的计算困难，而且不能准确地决定切割面的形状，极大地改善了图形的显示速度。在数控加工仿真中，动态碰撞的探测是数控加工仿真的一个重要方面。通常情况下，在数控加工仿真中，主要采用的是三维空间中的碰撞干涉探测技术。在3D环境下，动态碰撞检测技术的研究必须从图像和目标两个角度对其进行深入的分析。其中，以图像空间的冲突探测为基础，以2D平面为主体，采用深度缓冲等方法对冲突进行理性计算，以判定冲突的真假。以物体空间冲突检测为基础的三维模型，主要使用的是几何特征来进行计算，以最后得到的求交结果为依据，来精确地判断是否存在碰撞干涉[2]。
数控加工几何仿真技术是信息时代的重要产物，该技术由传统的几何模型建立技术演变发展而来，与几何模型建立技术具有密不可分的联系。数据加工几何仿真技术融括离散矢量求交法、曲面仿真法、实体造型法等多个方面。1）实体造型法指的是以直接的形式，对实际物体进行加工，继而得到一系列的具有高度价值几何信息，利用连续法体素造型系统和图像量化法提升零件加工的成功率。2）图像仿真技术通过图像消隐计算方法，实现三维图形的布尔计算（Boolean
calculation），有效防止模拟过程出现空间重叠现象，继而提升工业产品加工的成功率。3）离散矢量求交法指的是将预备加工的带有曲面的实际物体，以一定的精准度要求，转化为代替原本曲面离散的数据节点，利用此类离散数据节点沿着其曲面矢量方向实施求交计算。4）曲面几何仿真技术是以曲面模型建立为核心，模拟曲面加工过程，继而降低工业产品加工的失败率。
1.2三维建模技术
在不同的建模方法下，仿真结果有很大的差异。一般来说，在数控加工仿真的时候，具体的建模过程中，重点是对加工环境的建模以及加工形状的建模。其中，加工环境模型的最大特征是它不会随着仿真过程的变化而发生变化，它对数据结构的需求比较少，通常都是通过直接的实体建模和三维建模软件来构成的。该方法的基本特征是：加工型体模型是随刀具移动而移动的，其状态是一个动态变化的过程[3]
1.3碰撞干涉检测技术
动态碰撞检测技术的研究，则必须在图像和对象两个维度上对其进行深入的研究。其中，以图像空间的冲突探测为基础，以2D平面为主体，采用深度缓存等方法对碰撞进行理性计算，以判定碰撞的发生是否真实。以物体空间冲突检测为基础的三维模型，主要使用的是几何特征来进行计算，以最后得到的求交结果为依据，来精确地判断是否存在碰撞干涉。[4]
1.4数控加工物理仿真
物理仿真的研究是在几何仿真的基础上进行的，是对数控仿真准确性的进一步研究。在进行物理仿真的过程中，要考虑到加工过程中的切削力、切削热、切屑参数、零件变形和刀具磨损状况等物理因素，所以仿真的过程也比较复杂。但当前对其切削机制的认识仍处于探索阶段，多个物理参数之间存在着交互作用，使得精确建模和仿真变得更为困难。当前，大多数的物理仿真都是从某一或少数几个角度来进行，并不能对全部的物理因子进行仿真与分析。在物理仿真领域，国外的研究要远远领先于我国。[5]
数控加工物理仿真技术的关键在于，在操作的实际过程中，必须全方位、多角度充分考虑加工物体的各种物理要素影响，例如各种作用力、外部环境温度等。主要利用物理模型的建立得出相对重要的数值，构建一个精准完善的物理模型是零件加工的核心，同时也是数控加工实际操作开始的重要环节。物理仿真技术方式较多，其中经验模型的建立虽然容易，然而其并不具备变通属性，继而经验模型逐渐演化为理论预测模型，也就是人们熟悉的解析法模型，针对主要剪切区域，利用解析关系的计算，求得各种力学、能量学方面的物理参数，该物理模型建立
方式简单、可操作性强，但是与理论预测模型相关的前提条件挖掘困难；机械模型虽然具备相应的先进条件，同时又具备了较高的精准度。在这些不同种类的模型建立方法当中，有限元法是现阶段应用最为普遍的模型建立方式，能够将繁琐复杂的图形加以简化处理，精准分析零件加工生产过程中的各种物理因素，通过此方法的应用，能够大幅提高零件加工的成功率。
1.5动画仿真技术
在数控加工仿真中，动画仿真是一个比较基础和核心的技术。可以说，动画仿真的效果将直接关系到数控加工仿真的好坏。通常，在进行动画仿真时，通常会将两个过程作为仿真的主要目标，即工具的移动轨迹和材料的移出。动态仿真则是动画技术的核心，除此之外，计算机实现动画的方法有很多，在仿真系统中，通常需要采用帧动画或者双缓存技术等方法，来实现加工过程中的动态仿真技术。[6]
2数控加工仿真技术的发展与展望
首先，通过对整个仿真过程正确性和准确性的检验，这样就可以确保了几何仿真和物理仿真的合理结合，可以更准确地展现数控加工过程。[4]。其次，设计了仿真的流程图，以满足生产的要求。将互联网技术和信息化技术应用到数控加工仿真中，能够让数控仿真系统更好地发挥出数据共享、信息互动等作用，让系统间能够实现无缝对接，并将其与网络技术结合起来，满足了远程在线编程、在线控制的需要。最终，使仿真程序向智能化方向发展。该仿真系统能够主动地与人工智能、云计算等智能技术相融合，实现了智能开发的目的。尽管数控加工仿真技术已经在几何仿真、物理仿真等领域获得了一些进展，但其整体仿真结果与真实的生产过程相比仍有较大的差距，很多理论和实践问题仍需要深入研究。
2.1仿真过程真实化准确化发展
随着仿真技术的发展，将物理仿真技术涉及的切屑、切削力、切削热、零件加工变形预测、刀具磨损等因素集合到仿真系统中，实现几何仿真和物理仿真的完美结合，真正全面准确地揭示数控加工过程本质。[7]
2.2完善仿真结果的评价体系
对仿真后的结果展开尺寸精确测量、表面精度预测等结果的检验，这也是当前预感急需研究和解决的问题。[8]
2.3仿真过程的智能化发展
将仿真系统与并行处理、人工智能、机器人应用、云计算等技术相结合，开发具有高智能的数控仿真系统。[9]
2.4仿真过程网络化发展
在数控加工仿真过程中，充分的运用互联网技术，可以让数控仿真系统与其他互联网技术之间可以充分的融合，激发出彼此的技术优势，实现深度的数据交换和共享，各个系统之间可以进行数据信息的无缝对接，还可以实现远程数控服务的功能，发挥出更好的应用效果。[10]
总结：尽管从某种意义上来讲，数控加工仿真技术已经有了很大的突破和发展前景，并在加工效率和生产效率上有了很大的提升，对工业生产起到了一定的指导作用。但是，由于对数控加工精度和加工效率的要求越来越高，数控程序将会变得越来越繁琐和复杂。面对这种情况，有关的研究者们不能坐以待毙，停滞不前，应当根据数控加工技术的发展方向，对数控加工仿真技术的内容进行进一步的优化和完善，强化有关的标准和需求，从而在本质上推动我国数控加工仿真技术的发展。
参考文献：
[1]李建晓.数控加工仿真技术的研究现状与展望[J].数字通信世界,2018(12):142.
[2]贾晓丽,刘俊,陈开源,刘璇.数控加工仿真技术的研究现状与展望[J].价值工程,2018,37(13):143-145.
[3]张玮，郑力.数控加工仿真系统的研究现状与发展趋势.机械制造，2007，45（9）：7-8.
[4]贾晓丽，刘俊，陈开源，刘璇.数控加工仿真技术的研究现状与展望[J].价值工程，2018，37（13）：143-145.
[5]张和祥.基于智能终端的数控加工仿真技术的研究与开发[D].江南大学，2014.
[6]祁雪沙.数控加工过程中物理仿真的关键技术及其数据库开发[D].天津职业技术师范大学,2016.
[7]张和祥.基于智能终端的数控加工仿真技术的研究与开发[D].江南大学,2014.
[8]王占礼.面向虚拟制造的数控加工仿真技术研究[D].吉林大学,2007.
[9]王磊.混联机床的数控加工仿真与机床精度检测[D].西安理工大学,2005.
[10]秦益.数控系统仿真与优化的技术研究[D].河海大学,2004.
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