目前CAD/CAM 集成化系统受软件模型封闭性及刚性化限制，难于解决数控机床的高效、高功能与用户使用的低效、低功能的矛盾，更不适应虚拟制造系统高度拟实要求。主要表现为①几何仿真的“仿”而难“真”——数控加工图形仿真实体去除由布尔减运算实现，由于运算量大，仿真环境只能对单个工件进行操作，无法实现含整个工艺系统的数控加工全景仿真，因此不能正确断定刀轨干涉与碰撞，更不能对用户产生虚拟现实(VR)所需的沉浸感; ②加工过程仿真的不“仿”不“真”——数控加工仿真忽略(或淡化) 了“过程”,没有考虑工艺系统中物体相互作用时各种几何现象与物理现象(如切屑生成等) ，即对加工过程不进行实质性仿真; ③加工质量仿真的“真”而难“仿”——几何造型系统基本元素均由理想形状几何形体构成，不包含任何物理性质，不可能由工件切削机理出发获得工件实际形状，因此仿真结果失真。误差对加工精度影响的研究工作尚处于定性、离散状况，研究成果难以在实际生产中推广应用。为解决上述问题，我们选择量大面广的数控车床作为研究对象，围绕虚拟制造基础——数控加工过程仿真开展研究工作，使虚拟制造这一学科前沿研究与我国数控机床技术问题结合起来,为数控加工过程仿真开辟一条新途径。
一、数控车削几何仿真
1、数控车削特征体参数化造型方法
目前数控加工仿真图形一般由CSG (构造实体图形) 体素、B-rep(边界表示) 及特征造型等方法表示。由于CSG体素的形体边界几何元素(点、线、面) 隐含在体素中，故显示与绘制体素需很长时间，而B-rep表示法数据结构复杂，需大量数据存储空间，因此本文以特征造型表现3维实体。为此基于车削性质对回转体构型特征进行几何形状细分，将其抽象为由4个基本几何体素——圆柱面、圆锥面、球面(含组成复杂回转曲面的球冠)及螺纹面组成(无孔零件可视为孔类零件内孔为零时的特例)。为实现任意形状数控车削加工几何仿真，提出特征体参数化造型方法，该方法核心内容如下： 将加工工件抽象成系列单件实体特征，参数化驱动实体特征尺寸以形成相关图形特征，仿真时对工件相关特征按加工序列依次组合，即可完成整个工件加工过程仿真。图
2、数控车削全景仿真实现
特征体参数化造型技术显著提高了数控车削仿真图形生成速度，使含整体数控车床(包括卡盘、转塔刀盘、导轨及床身等) 的全景仿真成为可能。本文以沈阳新阳机器制造公司数控车床为对象，制作出虚拟数控车床，见图
二、数控车削切屑仿真
1、切屑的形态
切削加工过程中，切屑经刀具卷屑槽卷曲变形后流出，形成一个等螺距螺旋体，其形态由螺旋外径2r、螺距p、螺旋面与轴的夹角q确定。设切屑上卷曲率为1/rx，横卷曲率为1/rz，流出方向与切削刃法向夹角(即流屑角)为h，则上述3 个参数可表示为
（1）
由切屑流出后的受阻及折断情况，可将其分为如下4种基本类型：
（1）连续螺旋屑 切屑沿刀具卷屑槽流出时，没有碰到阻碍，形成不同形态连续螺旋屑，根据螺旋外径及螺距的大小可将其分为松散螺旋屑和螺管屑。
（2）发条屑 流屑角h较小时，切屑上卷碰到工件，由于工件旋转使切屑向下弯曲，曲率半径变小，随着切屑的继续流出，后续切屑包在外面,其直径不断加大，到一定程度使切屑折断，形成发条状切屑。
（3）C形屑或弧片屑 流屑角h较大时，切屑卷曲后让过工件并向下流动碰到后刀面，继续流出的切屑使其卷曲半径加大，最终折断形成C 形切屑或弧片形切屑。
（4）垫圈形切屑 切屑以横向变形为主时,切屑流出后伸向工件待加工表面，由于工件旋转将切屑顶端向下推动，使切屑扭转变形，继续流出的切屑又使前切屑进一步向下移动，最终被扭断,形成垫圈形切屑。
上述切屑特征造型见图4。
2、屑型判断条件
切屑折断应变条件为
（2）
式中，ach为切屑厚度; eb为切屑断裂应变值; kmax为切屑受阻变形后的半径与其初始卷曲半径之比，一般kmax=4。
用可转位车刀切削加工时，形成的切屑若不满足式(2)，切屑流出后受到阻碍将不能折断，易变成缠乱屑; 若满足式(2)，则可被折断，形成不同类型的短切屑。
图5为据切削机理所形成刀具与工件之间的空间位置关系。由图5可得
（
据式(3) 得屑型判断过程，见图6。图6 中，s0 为切屑碰到工件切削表面变形时，其端部发生宽度方向位移。当s0 较大时，切屑在折断之前便脱离了工件，经对s0进行实验分析(切削45钢及常用合金钢) 得
s0=0.08p+0.7rsinq
由图6及特征实体参数化造型法得图7所示各种切屑仿真实例。
三、数控车削加工质量仿真
1、“三瞬心”成形法
理想切削加工中，工件所在工艺基准与主轴轴心线重合，不存在主轴轴心与工艺基准漂移，此时刀具也处于理想状态，因此加工出的工件为理想形态。实际加工过程中，主轴受运动误差影响将发生漂移，在工件所在的任意横截面上形成“主轴瞬心”; 工艺基准受工艺系统各种误差影响也偏离理想位置，在工件横截面上形成“工艺瞬心”; 刀尖点受装夹误差、导轨误差和刀具磨损的影响也偏离理想位置形成“刀尖瞬心”。上述因素共同作用使工件形成各种形态加工误差，因此可认为工件任意时刻的廓形是刀尖瞬心、工艺瞬心及主轴瞬心相互作用的结果。设工艺瞬心为O1，主轴瞬心为O2，刀尖瞬心为M，由图8 可得工件任意时刻廓形半径
O
由式(4)知，工件任意时刻廓形半径是工件工艺基准和刀具切削点的相对位移。
图8 工件横截面廓形实际形成过程
2、误差集聚法
为推导出加工工件实际成形数学模型，应对工艺尺寸链的每一环节建立坐标系。由式(4)知,加工工件任意时刻实际尺寸是尺寸链的封闭环,即刀尖点相对于工件工艺基准的位移。
为此提出“误差集聚法”，即对每项误差按其成因建立坐标系，以此将误差分解，然后通过坐标变换将刀尖点链入工艺坐标系中，求出刀尖点在工艺坐标系下的位置坐标。图9为理想条件下各坐标系的具体取向。图10为加工时，由误差造成的坐标系实际偏移。为画图、计算方便，我们将加工误差也集中起来，形成矢量otpc。图中Smi为车床主轴理想位置坐标系(本系统作为基系) ; Sg为车床导轨坐标系; Sti为车刀刀尖理想位置坐标系; Stp为存在安装偏差时，刀尖所在位置坐标系,点c为此坐标系下由于工艺系统弹性变形、切削热及刀具磨损等误差因素的影响，刀尖所处的实际位置; Smp表示主轴实际位置坐标系; Ste表示工艺坐标系。图中虚线所示坐标系表示各环节误差的旋转坐标系。
图9 理想条件下各坐标系取向
图10 实际坐标系对理想坐标系偏移
由图10 显见，为获得工件实际尺寸(含误差) ，只需将Stp坐标系下的矢量otpc (简记为rtp)变换至Ste(简记为rte) 坐标系下，即
(5)
式中，aij (i，j ∈ [1，4])为齐次坐标变换矩阵中的元素。
图11 车削加工物理仿真图形显示
图11 为基于式(5) 所得动态车削加工图形及计算结果显示，表明所建模型可模拟加工工件的实际成形过程，可预测工件的直径、圆度、直线度及表面粗糙度等。
四、结论
1、基于特征体参数化造型方法可模拟任意形状的工件车削加工，显著提高仿真图形生成速度。
2、切屑仿真可有效地解决切屑控制问题，是制造环境具有沉浸感的重要体现。
3、“三瞬心”成形法及“误差集聚法”所建数学模型可描述工件实际加工成形过程，确定多误差因素同工件加工精度之间的函数关系，预测加工误差趋势，校正工艺过程。
4、数控切削整体制造环境虚拟化对用户具有沉浸感，是未来切削加工仿真趋势。
5、集几何仿真、加工过程仿真及加工质量仿真为一体的虚拟数控车削加工环境，可与现实加工环境相拟合，当其创建的仿真模型被实践证实后，即可从本质上形成一个真正意义的拟实制造系统。（编辑：张立明）