4.1 數(shù)字化工藝的概念

    對(duì)切削加工而言，早在本世紀(jì)初切削的工藝模型就引起研究者的關(guān)注，但一直到本世紀(jì)40 60年代，在切削機(jī)理方面的幾項(xiàng)突破使切削研究有可能建立在材料的物理層面上，到本世紀(jì)80年代以后，隨著計(jì)算技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)展，大量的工作集中在工藝過(guò)程的分析、建模與仿真，他們對(duì)不同的工藝過(guò)程（車(chē)、銑、鉆、鑄、沖壓等）的不同方面（力模型、熱模型、誤差模型、材料變形模型等）及不同的加工材料（金屬、復(fù)合材料等）做了大量的工作，取得了豐碩的成果，一些結(jié)果已應(yīng)用于工業(yè)界，獲得了滿(mǎn)意的效果。然而，這些研究成果仍未大面積的推廣應(yīng)用，原因在于研究的不系統(tǒng)性。也就是說(shuō)，各自獨(dú)立的研究只是針對(duì)工藝過(guò)程的一個(gè)側(cè)面的，而且各自采用了不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及不同的分析處理方法，當(dāng)人們想解決一個(gè)稍微不同的問(wèn)題時(shí)，人們既不可能聯(lián)合不同的模型，也不可能簡(jiǎn)單地修改模型本身。虛擬制造概念的提出使我們能夠總結(jié)以往的研究成果，以系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)處理工藝過(guò)程模型，而不是將工藝看成是分離的不同側(cè)面。

    傳統(tǒng)上，工藝的設(shè)計(jì)與校驗(yàn)典型地通過(guò)制造一個(gè)實(shí)物原型來(lái)完成，而基于工藝的可制造性評(píng)估則根據(jù)加工的成本和時(shí)間來(lái)確定加工的難度，加工時(shí)間和成本由零件材料、加工特征和加工參數(shù)的手冊(cè)值決定，虛擬制造技術(shù)在多方面改進(jìn)了傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和校驗(yàn)：

    通過(guò)“數(shù)字化加工過(guò)程”，不需要制造昂貴的實(shí)物原型就可在計(jì)算機(jī)上校驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)；

    通過(guò)“數(shù)字化加工過(guò)程”不僅可精確地估計(jì)制造時(shí)間和成本，還可估計(jì)其它重要參數(shù)，如：零件質(zhì)量；

    通過(guò)“數(shù)字化加工過(guò)程”可以更直觀(guān)地“觀(guān)察”加工過(guò)程，如磨削過(guò)程中單個(gè)磨粒的微觀(guān)表現(xiàn),切削中的應(yīng)力與熱流,
卡具的變形。這些有助于我們更精確和更有創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)加工過(guò)程。

    “數(shù)字化加工過(guò)程”包含二層含義：一是刀具路徑仿真，即建立工件/工具/機(jī)床的實(shí)體模型，刀具沿著由工藝確定的軌跡切削，一些不適當(dāng)?shù)牡毒哕壽E(刀具/夾具干涉)很容易地被發(fā)現(xiàn)；二是評(píng)估是否在加工工藝中說(shuō)明的工藝參數(shù)是合適的，如大的切深會(huì)產(chǎn)生顫震，毀壞刀具、工件，高的進(jìn)給率導(dǎo)致不可接受的表面粗糙度，研究者已經(jīng)在刀具路徑校驗(yàn)方面做了大量工作，也有大量工作是有關(guān)加工過(guò)程的物理效應(yīng)模型，在虛擬加工過(guò)程中將表達(dá)切削的物理效應(yīng)的模型和表達(dá)切削幾何的實(shí)體模形結(jié)合起來(lái)，完整地表達(dá)切削。在虛擬制造環(huán)境下，物理模型與實(shí)體模型的規(guī)范描述和系統(tǒng)集成將不僅能評(píng)估現(xiàn)有的工藝過(guò)程，而且能為新工藝的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)提供有力手段。

 4.2 數(shù)字化加工過(guò)程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    工藝過(guò)程數(shù)字原型是真實(shí)工藝過(guò)程在虛擬世界（計(jì)算機(jī)）的影射，模型反映的是工藝過(guò)程一個(gè)側(cè)面的特性，因此工藝過(guò)程數(shù)字原型是反映工藝過(guò)程各個(gè)側(cè)面特性的模型及其相互關(guān)系的集合。

    一般基本工藝過(guò)程可抽象地表達(dá)如圖2。
        
                  圖2: 單元工藝

    在上圖，基本的加工過(guò)程可表達(dá)為：輸入為毛坯，利用設(shè)備在工藝信息的指揮下加工出產(chǎn)品和產(chǎn)生廢棄物；在右圖，與加工過(guò)程相關(guān)的物理實(shí)體是工具（刀具與卡具，有時(shí)也包括機(jī)床）和工件，而所有與工藝過(guò)程相關(guān)的物理效應(yīng)主要都發(fā)生在這些實(shí)體上，因此，我們可以基于工件、刀具和卡具產(chǎn)品模型來(lái)構(gòu)造規(guī)范化的數(shù)字化加工過(guò)程結(jié)構(gòu)，即將加工過(guò)程處理作為一個(gè)四維的過(guò)程，即：空間三維和時(shí)間維。任意一個(gè)工藝過(guò)程效應(yīng)都發(fā)生在特定的位置和時(shí)間，因此任意一個(gè)工藝過(guò)程效應(yīng)都可看作一個(gè)四維空間點(diǎn)上的屬性，這樣的處理使不同的模型之間建立了一種統(tǒng)一、規(guī)范而直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而有利于較好描述具有多種物理效應(yīng)和復(fù)雜耦合關(guān)系的工藝過(guò)程，建立結(jié)構(gòu)化的加工過(guò)程數(shù)字原型，加工過(guò)程數(shù)字原型的結(jié)構(gòu)如下圖所示，分四層：
                
                        圖3: 數(shù)字化加工過(guò)程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    第一層為幾何實(shí)體層，建立與工藝過(guò)程相關(guān)的物理實(shí)體的幾何模型；第二層為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型層，基于第一層模型和運(yùn)動(dòng)軌跡信息，建立幾個(gè)幾何實(shí)體之間相互運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；第三層為物理模型層；基于第二層中幾何實(shí)體之間的相互關(guān)系（時(shí)間軸上和位置上的）和工藝信息（材料、加工條件）建立物理效應(yīng)模型（斷裂、變形、力），這些物理效應(yīng)彼此相互作用，構(gòu)成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系；在輸出層，按特定的順序搜集、排列第三層的輸出，獲得完整的工藝特性結(jié)果，如：按空間搜集所有留在毛坯上的材料，即為加工后工件形狀。

 4.3 工件表面誤差的分析實(shí)驗(yàn)

    圖4為棒銑刀加工表面的一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，圖中比較了加工表面誤差，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很一致。
               
                   圖4: 棒銑刀加工表面誤差比較

 主要參考文獻(xiàn)
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