浅析数控铣床仿真系统

现今，随着加工制造行业的不断发展壮大，各类高精尖装备技术不断增多对于零部件的精度要求也不断提高。数控机床己经成为先进制造技术中的一项核心组成。从技术方面上讲，加速推进机床研发技术将是解决机床制造业持续发展的关键。但由于当今逐渐向功能强、速度高、精度高、刚度高的发展，而且结构越来越复杂，因此需要引用仿真系统技术来解决数控机床发展所面临的问题，这也将是今后机床制造的趋势。21世纪被称为计算机时代或信息时代。计算机作为这个时代的显著标志，正深层次地影响着人们的工作和生活，将成为人们改造自然和控制自然的一种强大工具。计算机在各个领域中的运用，促进了各个领域的飞速发展，孕育了许多新兴技术，仿真系统技术就是这样一项新兴技术。

当今先进技术引领着各行各业，电子技术也因此得到了大力的发展，有了本质的提升，而受到电子行业发展的带动，机床产业也进入到了更高的层次，数控机床应运而生。随着数控机床在各大制造行业的不断推广应用，其己经成为加工和制造业的基础，为国民经济提供强大的支撑，也为社会的发展提供了强有力的保证。

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基礎上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。

数控加工仿真是指数控机床在虚拟环境中的映射，它集制造技术、机床数控理论，计算机辅助设计、计算机辅助制造和建模与仿真技术于一体。人能够凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案或更改方案时能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从而最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率的目的。

计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模仿实际系统的运行状态及其随时间的变化过程。通过对仿真试验过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。由此可见，计算机仿真是一种有效的试验手段，它为一些复杂系统创造了一种计算机试验环境，使系统的性能和长期的动态特性能在极短的时间内由计算机得到全面的实现。利用计算机进行数字仿真一般需要经过下列几个阶段：确定对系统仿真的目的和基本要求，即弄清楚仿真所需要解决的问题，并给出明确的说明；建立系统的数学模型，将被仿真的系统表示成微分方程组、差分方程组、传递函数、结构图、信号流图或其它的数学表示式，这一过程称为一次建模过程，它是数学仿真的重要依据；将原始的数学模型通过一定的方式变换成能在计算机上实现和运行的数学模型，即仿真模型。通常把仿真模型称作二次化模型，它通常是离散系统方框图或差分方程（离散方程）的形式；编制仿真模型的程序并进行调试；仿真模型的校验和确认。仿真模型校验是指仿真模型与数学或物理模型的一致性校验，而仿真模型的确认是指仿真模型与实际系统一致性的校验，检验它是否真实地反映了实际系统运行过程的特性；进行仿真试验系统仿真的过程就是建立系统模型并通过模型在计算机上的运行来对模型进行检验和修正，使模型不断趋于完善的过程。所有仿真研究如同开发计算机应用软件一样，都分为若干阶段。

目前所谓的加工仿真系统，大多数是指理想几何图形的仿真。而对被控对象特性及其变化特征的物理仿真，一般很少考虑。但是由于物理仿真可揭示加工过程的物理本质，可避免在机床上进行既浪费时间又耗成本的实际切削实验。对于机床、夹具、刀具及工件组成的工艺系统，目前物理仿真主要有以下几种形式：切削力及其振动的影响主要表现为在切削过程中切削力的振动（变动），在加工表面上以切削力场的形式存在，从而影响表面轮廓；切削温度的影响：因为切削温度在加工表面上以温度场的形式存在，不同的温度会在加工表面冷却后产生热胀冷缩，这也会影响表面轮廓；刀具的切削性能影响：由于刀具刀面在切削过程中会出现磨损等原因，也会对加工精度产生影响；机床及材料本身的性能：机床的刚性、工件的热变形、工件的弹性变形和塑性变形等因素都会对加工精度产生影响；由切削加工引起的塑流的影响；切削表面的撕裂、皱纹和积屑瘤碎片等影响；相变、再结晶影响。

对于以上的各种影响因素，如果能在一个仿真系统中尽量的表现出来那是最好的，但是客观事物都是有主要因素和次要因素的，再加上具体实现上的难度比较大，所以目前的各种仿真系统都还不是考虑得很周全。实际的加工过程是由机床一工件一刀具等构成的，是一个涉及到多种影响因素的综合系统。其中由于铣削力对刀具设计、机床工具设计以及刀具磨损和破损影响很大，由切削力引起的工件的变形将直接影响到零件的质量，对材料成本高、精度要求高的零件尤其如此。因此，有必要从揭示切削内在机理，建立加工过程模型入手，通过在计算机上仿真演示，来控制切削参数，以达到优化切削过程的目的，从而对实际切削加工中切削参数的选择、工时的确定和提高加工质量等有所指导和帮助。

使用仿真系统技术进行产品设计开发过程是将分散的零部件设计和分析技术有机融合，在计算机上建造出产品的整体模型，并按照产品的可能使用工况进行仿真，根据仿真结果来分析和预测产品的整体性能，找出产品设计缺陷并加以修改和完善，以提高产品的性能。数控机床以其卓越的柔性自动化性能、优异稳定的精度表现以及敏捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电液一体化发展的先河，因此数控机床已经成为先进制造技术中的一项核心组成。