1、前言

　　制造業(yè)的發(fā)展對產(chǎn)品性能、規(guī)格、品種不斷提出新的要求，產(chǎn)品的生命周期越來越短，新產(chǎn)品的開發(fā)時間是決定性因素。虛擬制造技術(shù)(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模擬由產(chǎn)品設(shè)計、制造到裝配的全過程，對設(shè)計與制造過程中可能出現(xiàn)的問題進行分析與預(yù)測，提出改進措施，實現(xiàn)產(chǎn)品從開發(fā)到制造整個過程的優(yōu)化，達(dá)到降低產(chǎn)品生命周期、減小開發(fā)風(fēng)險、提高經(jīng)濟效益的目的。而機械加工過程仿真在虛擬制造中占有重要地位，它通過對機床—工件—刀具構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種加工信息的有效預(yù)測與優(yōu)化，為實際加工過程的智能化實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，同時它也是研究加工過程的重要手段。

2、虛擬制造技術(shù)

2.1　虛擬制造系統(tǒng)的構(gòu)成
　　從產(chǎn)品的開發(fā)角度講，虛擬制造實際上就是在計算機上全面仿真產(chǎn)品從設(shè)計到制造、裝配的全過程，貫穿著產(chǎn)品的整個生命周期。虛擬制造主要由以下五個階段組成：
　　●概念設(shè)計階段　包括產(chǎn)品的運動學(xué)分析與運動學(xué)仿真。
　　●詳細(xì)設(shè)計階段　指的是對產(chǎn)品整個加工過程的仿真模擬，包括對工件幾何參數(shù)及干涉進行校驗的幾何仿真過程、對加工過程中各項物理參數(shù)進行預(yù)測與分析的物理仿真過程及產(chǎn)品的裝配過程仿真。
　　●加工制造階段　包括工廠設(shè)計、制造車間設(shè)計、生產(chǎn)計劃與作業(yè)計劃調(diào)度及各級控制器的設(shè)計。
　　●測試階段　測試仿真器的真實程度。
　　●培訓(xùn)與維護階段　訓(xùn)練用仿真器，包括對操作員的培訓(xùn)過程及產(chǎn)品的二維維護。
　　虛擬制造可分為以下幾個工作層次：工廠級、車間級、調(diào)度級、具體的加工過程及各制造單元等層次。因此虛擬制造技術(shù)可仿真現(xiàn)有企業(yè)的全部生產(chǎn)活動，并能夠?qū)ξ磥砥髽I(yè)的設(shè)備布置、物流系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，從生產(chǎn)制造的各個層次進行工作，達(dá)到縮短產(chǎn)品生命周期與提高設(shè)計、制造效率的最佳目的。
2.2　虛擬制造技術(shù)的發(fā)展情況
　　VMT作為一門面向21世紀(jì)的制造技術(shù)，從一開始出現(xiàn)就引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。當(dāng)前的研究重點主要集中于對該項技術(shù)的理論研究與各級仿真環(huán)境的構(gòu)造與實踐的嘗試。理論研究包括對VMT/VMS概念的探討、虛擬制造系統(tǒng)構(gòu)成、整個系統(tǒng)中模型的構(gòu)成、建模方法及模型的集成等。而在實踐嘗試方面則從實驗室角度實現(xiàn)虛擬工廠、虛擬車間的設(shè)計及工廠級、車間級各種設(shè)備的調(diào)度與信息的集成處理，各具體加工過程、加工單元的仿真等。同時一些企業(yè)已經(jīng)開展了VMT工作并取得了成效。
　　在國內(nèi)，VMT技術(shù)也得到極大重視。模型的建模方法、生產(chǎn)過程模擬、控制等方面做了大量的研究工作，同時將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)引入到VMS過程當(dāng)中去，建立了虛擬工廠級、車間級的設(shè)計與調(diào)度系統(tǒng)，如清華大學(xué)的用于制造車間調(diào)度問題的“工廠調(diào)度仿真環(huán)境FASE”，用于制造車間設(shè)計、分析建模與仿真的“一體化制造系統(tǒng)軟件IMSS”及“加工過程仿真器MPS”等［8］。

3、機械加工過程仿真

3.1　機械加工過程仿真的現(xiàn)狀與存在問題
　　目前進行的機械加工過程仿真，主要有兩種情況：一種是從研究金屬切削的角度出發(fā)，仿真某具體切削過程內(nèi)部各因素的變化過程，研究其切削機理，供生產(chǎn)實際與研究應(yīng)用；另一種則是將加工過程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點在于構(gòu)造完整的虛擬制造系統(tǒng)。這兩種方式的仿真方法是相同的，即首先對機加工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化模型，然后用數(shù)學(xué)離散方法將連續(xù)模型離散為離散點，通過分析這些離散點的物理因素變化情況來仿真加工過程。
　　由于機加過程仿真還處于起步階段，目前尚存在以下問題：
　　(1)仿真的加工形式少，研究范圍窄
　　在眾多的切削加工種類與形式中，目前的仿真主要集中于銑、磨兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真也局限在很窄的范圍內(nèi)。如銑削中多是仿真棒銑刀和端銑刀，而這種仿真系統(tǒng)對其他種類的銑刀(如加工成形表面用銑刀)卻無能為力。其原因是機械加工種類繁多，存在著車、銑、刨、磨、鏜等多種加工形式；另一方面加工理論復(fù)雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別。同時，目前的仿真系統(tǒng)大多進行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗等，有稱之為NC校驗(NC Verification)。但在機加過程中，幾何校驗只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動及刀具磨損等在切削過程中起決定因素的各物理量。