虚拟数控机床技术的发展与应用
面向虚拟制造的数控加工仿真技术研究
面向虚拟制造的数控加工仿真技术研究一、本文概述随着信息技术的飞速发展和制造业的数字化转型，虚拟制造技术作为一种前沿的制造模式，正在逐渐改变传统的生产方式。
数控加工仿真技术作为虚拟制造技术的核心组成部分，其在产品设计、工艺规划、生产流程优化等方面具有广泛的应用前景。
本文旨在探讨面向虚拟制造的数控加工仿真技术的研究现状与发展趋势，分析其在提高制造效率、降低生产成本、保证产品质量等方面的重要作用，并展望未来的研究方向和应用前景。
本文将首先介绍虚拟制造技术和数控加工仿真技术的基本概念、原理和特点，阐述其在制造业中的应用价值和意义。
然后，重点分析当前数控加工仿真技术的研究热点和难点问题，包括仿真模型的建立、仿真精度的提高、仿真效率的优化等方面。
接着，探讨数控加工仿真技术在产品设计、工艺规划、生产流程优化等具体应用场景中的实践应用，分析其在实际生产中的效果和影响。
展望数控加工仿真技术的未来发展趋势，提出相应的研究建议和发展方向，以期为推动虚拟制造技术的发展提供有益的参考和借鉴。
二、数控加工仿真技术基础数控加工仿真技术是以计算机图形学、虚拟现实技术、数控编程技术和机械加工技术为基础，通过软件模拟数控机床的实际加工过程，对数控编程进行验证和优化的一种技术手段。
数控加工仿真技术能够模拟机床的运动、切削过程、材料去除以及工件的最终形状等，为数控编程人员提供一个直观、高效的验证环境。
计算机图形学：计算机图形学是数控加工仿真的重要基础，它负责将机床、工件、刀具等三维模型进行渲染和显示，以及模拟切削过程中材料的去除和工件的形状变化。
通过高精度的图形渲染，可以为用户提供逼真的虚拟加工场景。
虚拟现实技术：虚拟现实技术使得用户能够沉浸于数控加工的仿真环境中，通过头戴式显示器、手柄等交互设备，用户可以模拟真实的机床操作，包括工件的装夹、刀具的选择和更换、加工参数的调整等。
虚拟现实技术增强了用户与仿真环境的交互性，提高了仿真的沉浸感和真实性。
数控机床的发展历史及其技术的发展趋势
3、在关键技术的应用方面，伺服驱动技术、数控系统技术和机械结构技术 都在不断发展，其中伺服驱动技术和数控系统技术的数字化、高频化、集成化， 以及机械结构技术的高刚度、高精度、高可靠性都是当前发展的主要方向。
综上所述，数控机床的关键技术和发展趋势对制造业的发展至关重要。未来， 随着科学技术的不断进步和创新，我们有理由相信，数控机床的关键技术和发展 趋势将会有更大的突破和创新。
2、虚拟现实/增强现实技术在数 控机床上的应用
虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的引入，为数控机床的操作和维护提 供了全新的视角。通过VR技术，可以将加工过程进行模拟仿真，帮助操作人员提 前发现潜在的错误和问题，提高实际加工过程中的安全性。而AR技术则可以将加 工信息实时叠加到实际场景中，使操作人员能够更加直观地了解设备状态和加工 进度，提高生产效率。
高速化指的是数控机床的加工速度不断提高，高精度化则是指数控机床的加 工精度不断提高。复合化是指数控机床具备多种加工功能，能够实现一机多能。 智能化则是指数控机床具备智能化的加工能力和自我诊断修复功能。
三、数控机床关键技术分析
1、伺服驱动技术：伺服驱动技术是数控机床的重要组成部分，其性能直接 影响到数控机床的加工精度和速度。目前，伺服驱动技术正朝着数字化、高频化、 集成化方向发展，其中数字化伺服驱动技术通过提高脉冲频率和采样率，能够大 幅度提高伺服系统的性能。
四、结论
数控机床作为现代制造业的核心设备，其性能和使用寿命直接影响到生产效 率和产品质量。本次演示通过对数控机床的关键技术和发展趋势进行分析，得出 以下结论：
1、数控机床的关键技术包括伺服驱动技术、数控系统技术、机械结构技术 等，这些技术的发展程度直接决定了数控机床的性能和使用寿命。
试论数控加工动态仿真系统的研发及应用
Ｙｏ ｋ １ ６ ２ ２ ７ Ｇｌａｏ ｏ ｐ ｒ ｔ ｎ ２ ０ ． ｒ ４ ９ — ９ ０： ｅ ｓ ｎ Ｃ ｒ ｏ ａｉ ０ ０ ｏ
（ 稿 日期 ： ０ ２ ３ ４ 收 ２ １ —０ 一Ｏ ）
１ 数 控 加 工 动 态 仿 真 系 统 的 研 发
（ ） 体 设 计 结 构 。如 图 １ 示 ， 先 通 过 蓝 天 数 控 １整 所 首 系统 解 释 器进 行 工 件 程 序 的 读 取 ， 进 行 语 法 、 法 等 检 再 词 查 分 析 工 作 ， 提 取 数 控 程序 过 程 的 同时 对 刀 具 和 工 艺 信 在
数 控 系 统 一 般 作 为 独 立 于 其 他 操 作 过 程 的 控 制 单 元 ， 用 于 各 个 对 象 的控 制 中 ， 制 和 管 理 是 系统 软 件 需 作 控 要 完 成 的 工 作 。控 制 软 件 包 括 刀 具 补 偿 、 补 计 算 、 插 译 码 、 置 控 制 以及 速 度 预 处 理 等 密 切 联 系 机 床 加 工 的 功 位 能 。管 理 软 件 包 括 ＩＯ 处 理 、 断 、 示 、 入 等 。 控 制 ／ 诊 显 输
优的加工方案 。
（ ） 示 。 主 要 提 供 操 作 上 的 方 便 ， 般 用 在 零 件 程 ２显 一 序 的 显 示 、 床 状 态 显 示 、 数 显 示 、 警 显 示 及 道 具 位 车 参 报
置显示等 。
（） 型 的 建 立 。 首 先 处 理 ＮＣ 文 件 ， 含 检 查 语 ３模 包 法 ， 译 可 识 别 中 间 数 据 。程 序 采 用 的 解 释 原 则 是 编 译 编 指令一条 ， 执行一条 ， 则 同时 显 示 执 行 完 的成 果 。
数控仿真技术在职业教育中的发展与应用
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。 数控仿真技术， 可以模拟机床加 工环境及其工作状态 ， 是一个应用虚 拟现实技术于数 控加工操作技 能培训的仿真软件。 目前， 国内已经 出现 了 多种数控加工仿真 软件 ， 并且也运用于数控操作人员培训 的教学之 中。特 别是现在的职业类和技工类学校是培养高素质职业工人的摇篮， 利用计算 机仿真软件来学 习和培 训数控技术 ， 不仅 可以迅速提高学生 的理论、 操作
科学进步
数控仿
摘
（ 东营市技师学院） 要： 数控仿真软件 的核心是虚拟数控机床， 不仅在数控 加工过程 中为产品设计提供了可制造性 的分析 ， 而且在数控系统的学 习和培训 中， 能为学
生提供完善 的学 习方法和学习环境 数控仿真软件模拟零件 的加工过程， 可以检验各种数控指令是否正确 ， 能提供与真实机床完全相 同的操作 面板 ， 其 调试 、 编辑 、 修改和跟踪执行等功能也 一应俱全 ， 它能在职业院校 的数控技术教学方面发挥事半功倍 的作用 ， 大幅度提高教学效率和质量 。 关键词 ： 数控加工 仿真技术 软件 职业教育
水平， 而且安全、 可靠 ， 培训费用低。 数控仿真技术的研究状况
一
、
数控机床加工零件是靠数控程序控制 完成 的， 为了防止加工过程 中发 生干涉或者碰撞 ， 必须确保数控程序的正确性 。 在实际生产 中， 常采用试切 的方 法 进 行 检 验 。 但 这 种 方 法 费工 费料 ， 同时 增 加 了 产 品 加 工 时 间 。 后 来 又 采用轨迹显示法 ， 也有很大的局限性。 为此， 人们 研 究 能代 替 试 切 的计 算 机
数控仿真技术的教学应用
数控仿真技术的教学应用数控仿真技术的教学应用引言：随着科技的不断进步和发展，数控(Computer Numerical Control， CNC)技术在制造领域得到广泛应用。
在数控机床的操作过程中，严格的数据控制是每个操作人员必备的技能。
然而，实际操作数控机床需要很高的成本和风险。
为了提高学生的操作技能，提供一个安全、经济、高效的学习环境，数控仿真技术应运而生。
本文将探讨数控仿真技术在教学中的应用及其优势。
一、数控仿真技术概述数控仿真技术是通过计算机模拟数控机床的操作过程，对不同工艺进行虚拟仿真，以达到培训和教学的目的。
它可以模拟数控系统界面、机床操作流程、刀具路径、工件轨迹等。
采用数控仿真技术可以有效提高学生对数控系统的理解和操作能力。
二、数控仿真技术在教学中的应用1. 实验教学数控仿真技术可以模拟实际数控机床上的操作过程，学生可以通过虚拟界面进行仿真实验。
在实验中，学生可以自由地调整参数、设置加工路径，并观察机床的运行情况和加工结果。
这种自主探索的学习方式可以有效提高学生的思维能力和动手能力。
2. 故障排除数控机床在运行过程中可能会出现各种故障，如刀具磨损、夹具紧固不良等。
通过数控仿真技术，学生可以模拟故障情况，并学习解决故障的方法。
故障排除过程中，学生需要对机床进行全面的检查分析，找出问题所在，并采取相应的措施进行修复，从而培养学生的问题解决能力和应急反应能力。
3. 虚拟实训传统的数控实训通常需要大量的物质和人力资源，而且成本较高。
而数控仿真技术的实训环境是虚拟的，不受时间、地点等限制，可以随时随地进行操作和学习。
学生可以在虚拟环境中进行多次实训，反复熟悉和掌握操作流程。
这种灵活性和便捷性为学生提供了更多的学习机会。
4. 误操作模拟数控机床误操作可能导致严重的后果，甚至危及生命安全。
通过数控仿真技术，可以模拟各种误操作情况，例如误启动、操作错误等。
学生可以在虚拟环境中学习如何正确操作和避免误操作，提高操作的准确性和安全性。
浅谈虚拟技术在数控机床设计中的应用
赫
？
浅谈虚拟技术在数控机床设计中的应用
胡 巍
（ 齐重数控装备股份有限公 司 黑龙 江齐齐哈 尔 １ ６ １ ０ ０ ５ ）
摘要： 本 文针对我 国数控技机 床设计 的现状和 相关的 目标入手， 进 一步的 分析 了数控机 床设 计和发展 的趋势 。 通过对 于虚拟技 术的介 绍和分析， 详细的分 析 了虚 拟技 术在数控 机床设 计 中的应用 。 对于提 高数控机 床本 身的文 化概念 和人性 化理念 ， 确 立数控 机床本 身 的文化 内涵和 品牌 内涵， 提
出 了笔者 的观 点 。 关键 词： 数 控机床 机床设 计虚拟技 术 中 图分类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９ 文献标 识码 ： Ａ
文 章编号 ： １ ０ ０ ７ — ９ ４ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ － ０ ０ ７ ０ 一 叭
在２ ０ １ １ 年的年初 ， 我国的相关专家和 院士就做 出了关于实施 数控一代机械产品创新应用示范工程 的建议。 这一建议 也受到 了 国家的相 关部 门的高度重视 。 在２ ０ １ ２ 年， 我 国发布了《 数控一代机械 产品创新应用示范工程》 。 在这样 的背景下， 数控一代装备的制造和 发展 脉络 已经明显的很清晰。 在这个 过程 中， 人机操作界面 的开发 、 控制软件 的开 发、 节能 电机的开发等将被 作为开发技术 的重点 ， 将 再次的受到政策的优惠。 本文针对数控技术的发展方 向 ， 结合 笔者 对于数控机床技术发展 的了解， 将针对虚 拟技术在数控机床设计中 的 应 用 进 行 一 定 的分 析 。
２ ． ２虚拟技 术 能 够树 立机 床设 计 的新 理念
பைடு நூலகம்
在数控机床 的设计过程 中， 树立一个新 的， 相对长远 的设计 目 标和理念 ， 同时树立 自己的品牌意识将对企业的发展产生很大的影 响。 对于一个行 业或者是一个 单纯的企业来讲 ， 缺乏一定的品牌概 念和新的设计理念 ， 对于 一个 产品来讲将 会产 生很大 的影响。 缺乏 品牌意识和设计理念是现阶段很多企业的通病 ， 尤其是行业 内部的 很多 中小企业 ， 由于大环境和本身实力的影响 ， 中小企业本身不能 够设计出一 些具备品牌概念和设计意识先进的产品。 在数控车床 的 设计过程 中， 利用虚拟技术， 可以有效的解决这样的问题 ， 首先就可 以有效 的节省成本 ， 保证 中小企业的设计理念得到有效的展示 。 同 １ 虚 拟技 术及 其特 征分 析 时， 也能够实现设计 理念 的多方论 证 ， 将数控机床 的设计理 念进 一 虚拟技术指的是利用三维声场就似乎 以及多传感交互技术 、 高 步的完善。 这样的话 也就能够保证企业逐渐的在设计 中树立 自己的 分辨率现实技术等先进的技术 ， 生成一定的三维立体画面 ， 使得客 品 牌 。 户也能够成为三维虚拟环境的一个部分 ， 实现实时的交互技术 ， 并 ２ ． ３虚拟技 术 能够 有 效的展 示数 控技 术 的 文化特 色 且能够实现感知和操作虚拟世界中的各种对象 ， 最终实现身临其境 产 品的语义学告诉我们 ， 对于产品来讲 ， 其不仅仅具备 了一定 的感受 和用户体验 。 的物质功能 ， 还 需要体现一 定的文化功 能和特征 。 机床的造 型设 计 虚拟技术本身最基本的特征就是沉浸性 、 交互性和空间的想象 本身就是一个创意和设计理念的体现 。 需要的是不仅仅要体现出其 性。 我们所说的沉浸性指的是由计算机生产的相对逼真的三维立体 本身设计的物理功能 ， 还要能够体现出民族 特征和文化的内涵 。 在 画面， 这样 就能够使得用户产生一定 的身临其境 的感受 ， 并且最终 追求科学价值的机床设计领域 ， 我们不仅仅要将机床本身的功能做 获得和客观世界一样的体验 。 交互性就是客户能够 自然而然 的实现 出科学的设计 ， 还要追求机床本身的文化内涵和艺术 内涵 ， 甚至要 与虚拟环境中的各个对象的交互操作感受， 从而能够进一步的感受 将 民族 的东西加入到机床设计过程 中。 机床的造型将在一定的程度 和相应虚拟环境 。 空 间的想象性指的是虚拟环境中 ， 环境 中的各个 上体现出一个 国家或者是一个行业的设计水平。 而将虚 拟技术应用 对象可 以对客户提供发挥想象力 的各种机制， 并且 能够启发用户本 在机床的设计 中， 将能够有效的保证机床的设计能够体现出科学价 身的思维创造性 ， 提 高对 产品的感性认识和理性 的理解 。 值与艺术价值的融合 ， 并且能够做到不断的改进和展示。 实现机 床 由于虚拟技术本身有可操作性 、 真实性和可重复性的有点 ， 在 设 计 的 飞 跃 。 数控机床的设计 中， 其作为一个平台， 有巨大 的发展潜力， 现在 已经 在数控车床设计的教学 中有很大的作用 ， 也是未来数控车床设计和 ３结语 虚拟技术在 机床的设计过程 中主要包含 了实体建模和仿真两 开 发 的 一个 重 要 的 技 术 依 托 。 个 方面的过程 。 整体上通过 利用计算机技术 来完成整个产 品的开 ２虚拟技术在数控车床设计中的应用 发， 以数字化的形式虚拟并且可视的完成产品的开 发， 并且在制造 ２ ． １ 虚 拟技 术 能够补 充现 代 工业 设计 理 念的 不足 实体物 品之前可以对产品的结构 以及性能做 出有效的分析和仿真 ， 针对工业设计 来讲 ， 由于工业 的机械设计是工业革命的产物 ， 实现制造过程 的早期反馈 ， 并且 能够及时 的发现和解决 问题 。 与传 也是科学技术与文化艺术等多个学科之间相互交叉 的学科。 其核心 统的设计方法相 比， 产品的虚拟技术可以减少甚至可以取消物理样 的问题就是针对产品进行产 品造型的设计 。 如果对于工业设计本身 机的研制次数， 尽 可能的降低开 发的周 期和成本 ， 提高 产品的设计 的重要性认识 不够充分的话 ， 最直接 的就是导致所设计的产品造型 质量。 虚拟技术可 以支持数控机床在开 发的过程 中所有的实体建模 相对粗放 ， 产品缺少设计的美感和设计感。 缺乏一定的时代性 ， 这样 都采取真是 的尺寸， 基于该项技术 的产品设计模型可以方便 的针对 就使得产品的界 面相对 比较混 乱， 缺乏一定 的人文关怀 。 我 们中国 虚拟样机进 行设计和开 发工作。 这样就 能够满足开 发和设计的要 的机床设计 以及相关 的制造与国外 同行业相 比的话 ， 是有很大的优 求 ， 实现产品的进一步优化 。
虚拟加工仿真软件在数控加工技术中的应用和发展
摘要 ：论述了数控加 — ｒ ＝ 虚拟仿真软件的运行机理 ，并 以仿真效果角度 阐述 ，介绍 了仿真加 ＿ Ｔ 的二 ｔ 维 动态仿 真特点 、功能及应用 范围 ，并 以实例加 以说明 。随后指出当前虚拟加工仿 真软件技 术的现状 以及 未来发展方 向。 关键词 ：计算机图形技术 ；Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｍ软件 ；数控加工仿 真
上通过三维动画显示出来 。具体流程如图 １ 所示 。
程 序的合理性 。数控加工仿真就 是
为解决这一 问题应运而生 。
１ 虚拟加工仿真原理
数 控仿真加 工是利用 当前 迅速
发展 的计算 机图形技术 ，实现了在 计算机上通 过软件模拟加 工环境和
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ —０ ７ —２ ７
技 术
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ９ ４ ９ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ０ ４
虚拟加工仿真软件在数控加工技术中的应用和发展
呼刚义 ，王荪馨 ，杨 鹏
（ 西安理工大学 高等技术 学院 ， 陕西西安 ７ １ ０ ０ ８ ２ ）
中图分类号 ：Ｔ Ｐ ３ ９１ ． ９ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９—９ ４ ９ ２（ ２ ０ １ ３ ） ０ １ —０ ０ １ ６一ｏ ３
Ｄｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｖｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ Ｉ ｔ ｓ
Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ＮＣ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ
ＨＵ Ｇａ ｎ ｇ － ｙ ｉ ， Ｗ ＡＮＧ Ｓ ｕｎ －ｘ ｉ ｎ， ＹＡＮＧ Ｐ ｅ ｎ ｇ （ Ｔ ｈ ｅ Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ Ｖｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｅｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，Ｘｉ ＂ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｘｉ ＇ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ８ ２，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
数控虚拟加工系统及应用
本数控虚拟加工系统为满足实际培训 、实训中接触的多类数控机 床， 在上面框架结构的基础上 ， 运用下面图 ３所示的系统拓展结构 。其
中系统 ｘ指的是不 同类 型的数控 系统 ， 型 Ｉ类型 Ⅱ 等指的是具体数 类 、 控机床的型号或类 型。此虚拟系统的拓展结构可以实现数控机床的不 同类型或型号和不同生产 厂家， 使用者则可以根据 实际情况来选择与 自 己现实培训相似的设备 。
科技信息．
计 算机 与 网络
数控 虚 拟 力 工 系 统 及 应 用 口
陕西工 业职 业技 术 学院 梁晓哲
［ 摘 要］ 本文分析数控虚拟加工 系统 系统总框 架和拓展结构 ， 说明 实现功能要 求及 实现 方法。 ［ 关键词 ］ 数控 虚拟加工 虚拟数控机床
０ 引 言 ．
１ ． 展 结 构 ３拓
１ ． 能 框 架 ４功 ｐ Ｅ、 Ｇ、 ｅ Ａ ｍ— Ｕ ｍ￣ｔｒ Ｍ等常用 Ｃ Ｄ Ｃ Ｃ Ａ ／ ＡＭ软件都 具备 数控仿真 的 功能， 美中不足的是这些软件体现不 了实际当中机床 的操作也不能直观 的验证程序合理性 。为使 数控 虚拟加工系统满足学生在虚拟环境下 亲 自上机操作等方 面的需求 ， 应具备 以下几方面 ： ｆ） 件 基 础 １硬 虚拟 机床操作应最大 限度地接近真实机床操作， 虚拟的机床具有 与 接 近实际机 床机械结构和外观。具有工作 台和床身等硬件基础 ， 具有真 实的坐标轴的移动过程 ， 具有真实数控系统相 同的操 作面板， 数据输入 键、 功能键 、 机床控制键 、 模式选择旋钮等都在虚拟环境 下可操作； 工件 的装 夹能形象体现 出生产 中的应用， 有工件毛坯 的定义和夹具选择， 以 便在操作虚拟机床时， 感觉就是 在操作真正 的数控机床。 ｆ操作 方式 ２ ） 虚拟数控机床在操作上要体现出开机 回参考点 ， 能实现 自动运行 、 手动操作 、 Ａ方式 、 ＭＤ 增量进 给等操作模式 ， 并且根据 实际操 作者的需 求， 按照生产厂家不同进行模 式切换 ， 比如在倍率调整方面可 以做成旋 钮或按键两种形式互相切换 。 （） ３软件功能 虚拟数控系统应具备较为完善 的软件功能操作， 比如： 文件 的新建 、 复制 、 编辑 、 删除 、 出 、 导 导入 等 ， 有各类 参数的设 置 ， 还 比如刀具半径补 偿值 、 长度补偿 值、 零点偏 置等 。这些参 数的设 置都 应尽量 与实际数控 加工系统接近。 ｆ） 环 指 令 ４循 实际的数控 系统不 同， 么对应 的操作 系统也 就多种 多样 ， 在 那 当然 循环指令方 面各有不 同。车削 、 钻削 、 铣削等循环指令都是 ＩＯ标准规 Ｓ 定之外的指令。这些循环指令在 实际手工编程 时非常方便 实用 ，比如 Ｓｅ ｎ ｉ ｓ系统的 Ｃ Ｃ ８ 、２循环 指令 、 Ａ Ｕ ｍｅ Ｙ ￣ １８ Ｆ Ｎ Ｃ系统的 Ｇ ３循 环指令 ７ 等 ， 以在培训 中也是一个重要内容。在虚拟数控系统 中因此虚拟数控 所 加工 系统 中根据不 同的系统需设计出不 同的循环指令， 并能在虚拟 的操
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虚拟数控机床技术的发展与应用吴修彬,曹西京(陕西科技大学,陕西咸阳712081)摘要:介绍了虚拟数控机床的发展状况及其在虚拟制造中的应用,对虚拟数控机床的功能特点作了较为详尽的分析,并在此基础上给出了虚拟数控机床系统的体系结构,最后讨论了虚拟数控机床的应用和发展趋势。
关键词:虚拟制造;虚拟数控机床;体系结构中图分类号:TG659;TP39119文献标识码:A文章编号:1671-5276(2006)01-0007-02VMT Technology and Its Development and ApplicationWU Xiu-bin,CAO X-i jing(Shan x i University of Scince and T echnolog y,SX Xianyang712081,China)Abstract:T his paper describes the development of VMT(virtual NC machine tool)and its application in the v irtual manufacturing,gives full analysis of the function and characteristic of VMT,and the system architec-ture is brought forw ard according to the function and characteristic.Finally,the application and the develop-ment tendency of VMT are discussed.Key words:v irtual manufacturing;virtual NC machine tool;architecture0引言现代制造技术正朝着高效率、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部分和发展方向,并成为提高产品国际竞争力的关键技术。
目前,全球制造业之间的竞争日趋激烈,企业要赢得竞争,就需要以市场和用户为中心,快速响应市场的需求,以最短的产品开发时间(time)、最优的产品品质(quality)、最低的成本(cost)、最好的服务(service),即以TQCS去赢得用户和市场。
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。
虚拟机床(virtual machine tool)是随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的研究领域,虚拟数控机床是虚拟制造的执行单元,是虚拟制造的关键基础技术之一。
它的最终目的是为虚拟制造建立一个真实的加工环境,在计算机屏幕上实现加工过程的仿真,以增强制造过程的各级决策与控制能力,优化制造过程。
1虚拟数控机床的特点及功能1.1虚拟数控机床应具备的特点a)良好的结构:包括三个方面:1)与真实机床相似的结构。
具有与真实机床相似的结构使虚拟机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似代替而导致某种结构的失真或丢失;2)机床各模块的颗粒性。
虚拟机床各模块的颗粒性使每个模块能彼此独立的被开发和工作,从而增强了虚拟机床的可操作性和可管理性;3)各模块合适的颗粒度。
虚拟机床各模块颗粒度的合适与否取决于每个模块的抽象度是否定义合适,以便使虚拟机床既是一个能概括各种类型数控机床的抽象框架,又能方便的挂接具体的模块来仿真某种特定类型的数控机床;b)完善的图形接口:完善的图形接口使用户既能像在真实环境中那样完全操作数控机床,又能完全真实地以图像的形式观察机床运行的各种状态和各种机床运行参数,从而最大限度的提高人机融合度;c)完全的符号数据接口:完全的符号数据接口能使虚拟机床的各种静止和运行状态以符号数据的形式被外界感知,从而提供了与其他制造软件的无缝链接。
外界也能通过输入符号数据对虚拟机床进行控制;d)强大的网络支持功能:强大的网络支持功能能使虚拟机床为各种真正的制造资源服务,从而在连接意义上提供与外界制造资源的相互操作性;e)标准数据格式:虚拟机床由于采用标准数据格式存储、传输和处理数据因而能够在语义意义上提高与外界制造资源的相互操作性。
1.2虚拟数控机床的功能虚拟数控机床应该能够仿真不同的加工方法和不同的加工材料,能够完成数控机床的各项操作,逼真地显示数控机床的各种动作,并且能够显示和评估加工结果。
因此系统要求具有如下功能:a)模拟加工过程:显示和仿真CNC控制功能、动画加工过程,检查刀具轨迹和干涉、过切、碰撞等并给予警告;b)评估工件品质:显示工件3D实体表面的拓扑关系、尺寸、公差和表面品质;c)估算加工成本:通过仿真加工过程,能进行加工成本的估算;d)加工过程的监控:监控加工过程的各个方面。
2虚拟数控机床的体系结构虚拟机床与实际机床一样,可以认为是一组相互连接的活动部件的集合,它们完成要求的相对运动,提供工件和工件刀具系统上相关点的瞬间空间位置关系。
因为机床的类型各式各样,品种千变万化,要想能够表达各种机床,就需要采用模块化的原理,定制各种标准的模块,这样经过少量的修改就可以建立各种机床的模型。
各模块应该标准化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化、并具有互换性、相容性和相关性,使系统具有开放性和适应性。
根据虚拟数控机床的特点与功能,可以将虚拟数控机床系统的功能模块作如下划分(图1):a)NC编译模块:为了使虚拟数控机床能够识别NC程序,开发了NC编译模块,它的功能是接受数控代码并将其翻译为机床部件、刀具等运动的信息;b)运动控制模块:运动控制模块根据NC程序决定机床刀具和各个轴的运动状态,向各个运动部件发送运动指令并采集各轴的反馈信息;c)操作面板模块:操作面板模块包括真实数图1虚拟数控机床体系结构控机床的操作面板按钮功能和虚拟数控机床的菜单;d)切削计算模块:根据工件与刀具的相对位置,进行干涉判断,对发生干涉的工件进行切削计算并重新生成工件模型;e)机床场景模块:建立虚拟机床的工作环境。
虚拟机床不能脱离实际机床而独立存在,它是真实机床在计算机内的模拟,虚拟机床与真实机床是密不可分的。
虚拟机床的结论是需要由真实机床来检验的,只有与真实机床相一致的结论才是正确的结论。
3虚拟数控机床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(下转第12页)无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削,进而对工件的加工品质造成破坏性影响,而五轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单,并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。
因此,各大系统开发商不遗余力地开发五轴、六轴联动数控系统,随着五轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及,五轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。
从1999年开始,在CIM T、CCMT等国际、国内机床展览会上,首先是国内的五轴数控机床产品纷纷亮相,国内五轴数控机床的市场逐渐打开,随后国际机床巨头纷至沓来,五轴数控机床的品种和数量逐年上升:CIM T99、CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床;CIMT2001国际机床展览会上,北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000r/min的五轴高速龙门加工中心,北京市机电院的主轴转速15000r/m in的五轴高速立式加工中心;清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63,采用标准Stew art平台结构,可实现六自由度联动;大连机床厂自行研制的串并联机床DCB)510,其数控系统由清华大学开发,该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动,由串联机构实现A、C轴旋转运动,从而实现五轴联动,其直线快速进给速度可达80m/m in。
这些机床均已达到国际先进水平,体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力,又有突破性提高。
中国机床工业的发展,利用自己研制的高精尖产品参与国际竞争,打破了国际技术垄断,国际机床巨头们不愿失去中国这个大有潜力可挖的市场,于是蜂拥而来,把他们的产品/送上门来0:国外展团共展出五轴加工中心8台、五轴车铣加工中心1台、五轴数控刀具磨床5台。
3结论综上所述,数控系统发展的主要目标是:进一步降低价格,增加可靠性,拓宽功能,提高操作舒适性、集成性、系统的柔性和开放性,减小体积,提高数控机床的生产能力。
为此应以科技创新为先导,以商品化为主干,以管理和营销为重点,以技术支持和服务为后盾,坚持可持续发展道路的总体发展战略,研究和发展新型数控系统和数控机床。
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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。