虚拟制造技术在新型机电产品开发中的应用(下)

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虚拟数控技术 通过C......




虚拟数控技术
通过CAM软件对已生成的刀具轨迹进行加工机床设置和後置处理，即按机床规定的格式进行定制，从而生成和特定机床相匹配的NC代码。虚拟

数控技术就是借助数控加工仿真CNC软件，采用完全模拟真实机床的虚拟数控机床对NC代码的切削状态进行检验，用户可以生动地看到实时的

加工过程仿真，以检验加工过程中刀具轨迹的正确性，以及刀具有否过切、刀具与夹具及机床有否碰撞等问题。较先进的虚拟CNC系统还可以

进行力学仿真，通过切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。采用虚拟数控加工

，用户不仅可以迅速地掌握CNC机床的操作过程，在调试过程还能减少和避免在真实加工环境中出现的各种错误，特别是用虚拟机床代替真实

机床进行培训，在降低费用的同时，还可获得更佳的培训效果。
产品数据管理
产品数据管理(PDM)是虚拟产品开发的重要使能条件之一，是虚拟产品开发得以实现的核心功能。由於整个产品开发过程会形成大量的信息，

包括产品、过程的数字模型、模型的连续循环以及相关的过程信息等。设计参与者不仅包括生产厂家的设计、工艺、制造、装配等人员，还包

括供应商、合作夥伴和客户等。这些人员在地理位置上往往是分散的，且各自使用不同的计算机系统和不同的软件工具来产生整个产品生命周

期所需要的各种数据，而且这些计算机系统和软件可能建立在不同的网络体系上。在这种情况下，如何使数据保持最新的和正确的，并且在整

个虚拟企业的範围内得到充分的共享和有效的传输，同时保证数据免遭有意或无意的破坏。这些都是PDM需要解决的问题。
并行工程
虚拟产品开发是产品开发的方法，是一种制造策略，而并行工程是贯穿全个虚拟产品开发过程的哲学方法，它应被看作是管理策略，而不是制

造策略。对虚拟产品进行需求分析、零件造型设计、虚拟装配、有限元分析、工艺规划、仿真加工及测试的同时，考虑产品整个生命周期内活

动的过程是并行工程；虚拟产品开发中以顾客为第一驱动，产品的设计、制造、分析、测试、装配、销售、维护等专业人员，以及供应商、合

作夥伴和用户同时参与产品开发的过程是并行工程；虚拟产品开发通过计算机网络在不同地点、不同单位和部门、不同专业人员之间进行协同

也可以认为是并行工程。总之，虚拟产品开发以并行工程为开发机制的主要目标是：提高产品质量、缩短产品开发时间和降低开发成本等。
虚拟产品开发系统的软硬件平台
虚拟产品开发系统得以实现硬件平台和软件平台的有机结合。其硬件平台包括：计算机(图形工作站)、网络、虚拟现实设备(如3D传感器、头

套、眼镜等)、图形扫描仪、三座标测量仪、绘图仪、打印机、快速成型机、投影仪等。虚拟机电产品的拟实原型就是通过这些设备能够感知

的方式表现出来。虚拟产品开发系统的软件平台包括：市场需求分析软件、三维CAD软件(含装配、渲染模块)、产品创新设计工具、优化设计

软件、图形数据处理软件、工程数据库管理软件、规划OA软件、CAPP软件、CAM软件(含仿真模块)、CAE软件、虚拟CNC软件、过程监控软件、

PDM软件、成本分析软件、CRM、SCM、ERP等生产供应链管理软件，计算机网络操作系统软件等。
应用实例
应用面向产品全生命周期的虚拟开发系统，已经成功地开发了洗衣机、投影仪、电视机、电讯产品、灯具、锅炉、空调、燃气热水器、电气控

制柜、发动机、减速器等众多新型机电产品。现以发动机开发为例，说明虚拟制造技术在全生命周期机电产品开发中的主要应用过程。主要步

骤如下：
步骤1：对发动机产品进行需求分析，明确产品设计的技术要求，进行产品概念设计；
步骤2：应用CAXA实体设计V2软件，或Pro-Engineer、UG等三维CAD软件进行零件造型设计。发动机零件大多外形复杂，一般采用基於参数化设

计和特征设计的实体曲面混合造型。零件造型完成後，利用三维CAD软件的渲染模块对零件进行材质、色彩、环境、光泽等真实感显示；
步骤3：先对已造型的零件进行相邻各相关件色彩搭配的渲染，再通过约束关系或无约束的精确定位方式进行部件装配及发动机整机装配，并

对装配件进行干涉检查。若有干涉，可以修改步骤2的零件尺寸和形状，直至干涉检查至合格为止。装配後，可对已虚拟装配的发动机进行机

构运动模拟（如应用CAXA实体设计V2软件的智能动画模块或Pro-Engineer软件的Mechanism模块），显示机构运动的效果；
步骤4：通过将三维几何模型转换为有限元分析模型，利用ANSYS软件或其它CAE软件(如美国MSC软件)对发动机中的运动机构进行静力分析、动

力分析(如汽车发动振动特性分析、排气管的动力响应分析等)、屈曲分析、强度分析、疲劳寿命分析、热传导分析、设计灵敏度及优化分析等

。若对初步设计的虚拟发动机进行有限元分析时不合要求，则重新转入步骤1，直至合格为止；
步骤5：对经过CAE软件分析合格的零件进行CAM加工工艺分析，根据零件加工面的形状特征确定工艺方案，选择机床、工艺装备及切削用量，

确定加工工艺路线及工艺规程；
步骤6：设定零件毛坯、工艺参数、选择设定刀具和走刀方式，借助CAM软件(如Pro-Engineer、UG、CAXA制造工程师等)，生成加工刀具轨迹，
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并对轨迹进行实时或快速仿真校验。若仿真过程中出现刀具过切或干涉等错误，CAM仿真系统可以编辑修改已生成的刀具轨迹，直至仿真刀具

轨迹正确；
步骤7：借助CAM软件对选定的数控设备进行後置处理，即按要实际加工的数控机床规定的格式进行定制，可将步骤6经过仿真校验正确的刀具

轨迹，方便地生成和特定机床相匹配的数控G代码；
步骤8：借助虚拟CNC软件(如国外的Deneb系统、国内的金银花V-cnc系统等)的虚拟数控机床对步骤7生成的数控G代码进行虚拟实时加工。有些
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虚拟CNC系统借助虚拟照相机等动态视点实时监控机床加工状态，输出加工参数便於实现加工过程的实时优化与控制。最後生成优化的数控G代

码，以便进行进一步的真实数控加工；