1 .前言
虛擬加工過(guò)程仿真主要包括幾何仿真和物理仿真攒发，如圖1 所示。幾何仿真不考慮切削參數(shù)墅失、切削力及其他物理因素的影響串题，只仿真刀具-工件幾何體的運(yùn)動(dòng)失傍。通過(guò)翻譯數(shù)控代碼以模擬車削加工能夠完成的各種工作如加工外圓、端面宽舱、倒角民沈、螺紋、曲線等來(lái)驗(yàn)證NC代碼的合理性和正確性并檢查是否有碰撞荸脂、干涉浸速，從而減少或者消除因程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷、夾具破壞及刀具損壞等現(xiàn)象奕辖。目前的仿真系統(tǒng)大多只進(jìn)行幾何仿真就灸， 即對(duì)刀位軌跡、工件與刀具的干涉進(jìn)行校驗(yàn)等鲫肿，將幾何仿真與物理仿真相結(jié)合的仿真還比較少泡嘴。
切削過(guò)程的力學(xué)仿真屬于物理仿真的一種。切削力是計(jì)算切削功率逆济、選擇刀具酌予、設(shè)計(jì)夾具和制定工藝等環(huán)節(jié)中不可少的數(shù)據(jù),對(duì)確定合理的金屬切削用量，優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)奖慌，都具有非常重要的意義抛虫；它直接影響著切削熱的產(chǎn)生,并進(jìn)一步影響著刀具磨損、刀具耐用度和已加工表面質(zhì)量。將工件的受力分析實(shí)時(shí)應(yīng)用在虛擬加工過(guò)程當(dāng)中莱褒，不僅能模擬演示由于工件击困、刀具等的參數(shù)改變所帶來(lái)的受力改變，還能進(jìn)行及時(shí)調(diào)整广凸，幫助選擇最合適的加工參數(shù)阅茶。
2.幾何仿真
（1）模型的建立
當(dāng)前主要的三維建模方法主要是有CSG（構(gòu)造的實(shí)體幾何法）方法，Brep（邊界表示）方法等谅海，它們各有自己的特點(diǎn)脸哀。
CSG 法主要是將某些簡(jiǎn)單的實(shí)體通過(guò)集合運(yùn)算組合成所需要的物體，還可以通過(guò)掃描表示法產(chǎn)生一些實(shí)體扭吁，它的主要特點(diǎn)就是覆蓋域比較寬摧垄， 但是它能實(shí)現(xiàn)的形體有限， 可用于產(chǎn)生和修改實(shí)體的算法有限袱黎， 構(gòu)成圖形的計(jì)算量很大匕蚁， 比較費(fèi)時(shí)， 所以在切削過(guò)程中需要進(jìn)行大量的計(jì)算道夭。
Brep方法根據(jù)頂點(diǎn)渊唁、邊和面構(gòu)成的表面來(lái)精確地描述三維模型實(shí)體， 按照體-面-環(huán)-邊-點(diǎn)的層次倾断， 詳細(xì)記錄了構(gòu)成形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接的拓?fù)潢P(guān)系仆玖。在各種運(yùn)算和操作中， 可以直接取得這些信息守皆。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是歪低，能快速地繪制立體或線框模型。此方法的缺點(diǎn)是它的數(shù)據(jù)空間占用量大砸镀， 修改設(shè)計(jì)不如CGS法簡(jiǎn)單盔曼。
將CGS 和Brep方法相結(jié)合， 可以實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)中建模上的互補(bǔ)鹿响，可以實(shí)現(xiàn)普通的切削外圓羡微、端面、切槽及切斷等功能惶我，而對(duì)于比較復(fù)雜的實(shí)體如螺紋等妈倔，可用三角片逼近的方法實(shí)現(xiàn)仿真。
（2）刀具建模
刀具主要包含有刀具種類绸贡、刀具材料盯蝴、刀具的幾何角度等信息。在車削過(guò)程當(dāng)中听怕， 主要用到了外圓刀捧挺， 切斷刀虑绵， 螺紋刀等幾種刀具， 刀具的材料主要有高速鋼和硬質(zhì)合金等闽烙， 而刀具的角度則包含了主偏角翅睛、前角、刃傾角等眾多角度黑竞。根據(jù)實(shí)際需要建立刀具的使用數(shù)據(jù)庫(kù)捕发，數(shù)據(jù)庫(kù)中包含影響刀具使用性能和切削力大小的各種參數(shù)，在切削仿真加工以前根據(jù)實(shí)際需要可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)定拘能，如圖2所示刷寨。
（3）NC代碼編譯
NC代碼是由定義了一定功能的大寫字母附上數(shù)據(jù)后組合而成的，一般每條指令完成一個(gè)動(dòng)作侣沐，若干條指令按一定結(jié)構(gòu)構(gòu)成一段程序铭懂。主要包括準(zhǔn)備功能G代碼、輔助功能M代碼及F（速度）笆低、S（主軸轉(zhuǎn)速）肉诚、T（刀具號(hào)指令）等。
基于數(shù)控仿真的目的辩芦， 需要從數(shù)控程序中提取出仿真系統(tǒng)中工件和刀具有關(guān)的運(yùn)動(dòng)與狀態(tài)信息嘀拂， 并轉(zhuǎn)化成演示過(guò)程中工件與刀具的相應(yīng)狀態(tài)。模塊主要完成以下功能：
1 NC程序的屏幕編輯或輸入遥加，或者調(diào)入txt文件打開；
2 對(duì)NC代碼進(jìn)行語(yǔ)法分析竣伍，主要檢查是否存在指令搭配錯(cuò)誤观复、指令順序錯(cuò)誤或者書寫格式錯(cuò)誤；
3 對(duì)NC程序的刀具選擇進(jìn)行核實(shí)页畦；
4運(yùn)行中的NC代碼程序行高亮度顯示胖替，如遇到錯(cuò)誤信息則自動(dòng)報(bào)警,為修改NC程序提供幫助。
（4）仿真動(dòng)畫顯示
在加工仿真過(guò)程中豫缨，刀具根據(jù)NC代碼相應(yīng)程序中的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)独令。在刀具和工件相交的時(shí)候， 程序通過(guò)計(jì)算重新編輯工件實(shí)體的模型數(shù)據(jù)好芭， 工件的交互部分被切削掉并在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重繪燃箭、記錄當(dāng)前位置柑营。同時(shí)運(yùn)用OPENGL的雙緩沖技術(shù)吱抚， 在前臺(tái)緩存顯示動(dòng)畫中的一幀畫面時(shí)蚪库， 后臺(tái)緩存正在繪制下一幅畫面止骨， 這樣可以使加工過(guò)程連貫進(jìn)行现岗， 從而使不連續(xù)的刀具加工軌跡顯示出近似連續(xù)的仿真效果鲁压， 執(zhí)行實(shí)體顯示的時(shí)間也大大地縮短了凸主。
3.切削力鸥拧、切削功率仿真
（1）切削力仿真在切削力仿真的過(guò)程中， 主要是應(yīng)用切削力的經(jīng)驗(yàn)公式累榜。經(jīng)驗(yàn)公式主要可分為兩類： 一類是指數(shù)公式营勤， 另一類是按照單位切削力進(jìn)行計(jì)算。在金屬切削中癣辉， 用指數(shù)公式計(jì)算切削力得到了廣泛的應(yīng)用模鹿。常用的指數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)公式如下：
式中： 
為切削力， 
為背向力忌舔， 
為進(jìn)給力挟酗。 
、 
同肆、 
決定于被加工金屬和切削條件的系數(shù)虏斤。 
、 
分別為當(dāng)實(shí)際加工條件與所求得經(jīng)驗(yàn)公式不符合時(shí)末尤， 各種因素對(duì)切削力的修正系數(shù)的積脊距。
切削螺紋時(shí)背吃刀量需遵循遞減原則，即后一刀背吃刀量需小于前一刀非阿， 切削力計(jì)算公式為：
其中种诫， 
為螺距，N為走刀的次數(shù)湾关。
√瘫（2）切削功率仿真
切削功率主要是 
和 
消耗的功率， 
方向并沒(méi)有位移试读，所以不消耗功率杠纵。
切削功率 
是工件的轉(zhuǎn)速。
在切削過(guò)程當(dāng)中钩骇，根據(jù)預(yù)先選擇的工件材料比藻、刀具材料、刀具幾何參數(shù)倘屹，通過(guò)NC代碼银亲，程序自動(dòng)查詢主軸轉(zhuǎn)速、刀具的切削用量纽匙、進(jìn)給速度及數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的系數(shù)和指數(shù)务蝠，并代入切削力、切削功率經(jīng)驗(yàn)公式中哄辣，在刀具切削工件的同時(shí)请梢，同步演示切削力、切削功率情況力穗。
4.模擬切削加工實(shí)例
以硬質(zhì)合金刀具加工強(qiáng)度為0.65GMPa結(jié)構(gòu)鋼工件為例笋棵，工件的長(zhǎng)度為300mm次翩，直徑為81mm，車刀的幾何角度分別為：主偏角 蛾岳，前角 鹿吴，刃傾角 。經(jīng)過(guò)粗加工和精加工并最終獲得如下工件（圖5）簿睦，切削力和切削功率示意圖分別見(jiàn)圖6 和圖7干策。
在模擬切削過(guò)程中，在切削同時(shí)派暴，程序自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找各相關(guān)系數(shù)并代入公式彩淮，參數(shù) 通過(guò)NC代碼中刀具的切入點(diǎn)、主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度來(lái)獲得咏逛。在模擬切削的過(guò)程當(dāng)中懊潜，系統(tǒng)界面良好， 使用方便预隆，通過(guò)平移乔蜀、縮放、旋轉(zhuǎn)等功能膳灶，可以清楚的看到加工的過(guò)程咱士，起到了良好的演示加工作用。切削力和切削功率曲線始終與加工過(guò)程同步轧钓，通過(guò)右上角的數(shù)字可以清楚的看到當(dāng)前的受力和功率情況序厉。這樣，就可以在保證質(zhì)量的前提下毕箍，通過(guò)對(duì)切削力和切削功率曲線的研究來(lái)獲得高生產(chǎn)率和低加工成本的切削用量脂矫。
5.結(jié)論
數(shù)控車床切削仿真系統(tǒng)的研究，主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能：
（1）驗(yàn)證了NC代碼的合理性霉晕，對(duì)加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的干涉、過(guò)切捞奕、碰撞等情況進(jìn)行了檢驗(yàn)牺堰，減小了數(shù)控機(jī)床的試切風(fēng)險(xiǎn)；
（2）初步建立了關(guān)于一些刀具和工件材料的數(shù)據(jù)庫(kù)颅围，能夠模仿切削加工過(guò)程中的各種狀態(tài)并實(shí)時(shí)顯示各種切削參數(shù)伟葫。
（3）在對(duì)切削力、切削功率進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上院促，可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要從經(jīng)濟(jì)角度酒旷、生產(chǎn)效率等方面對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳車削加工過(guò)程的目的满傍。
