[科普中国]-虚拟加工

虚拟加工（Virtual machining）系统是整合虚拟现实及机床的制造系统，在制造和生产上配合不同的电脑以及软件，目的是为了可以在虚拟现实系统的真实环境下仿真其特性、误差，并进行建模。虚拟加工可以在生产线没有实际测试的情形下，让产品可以正常生产。

应用为了介绍虚拟加工系统在加工操作中的应用，这些陈述在要点中给出。

虚拟环境中的模拟加工过程可用于修改机床。

该部件在计算机模拟环境中建模并生成，具有预测误差，以便在生产部件中实现最佳精度。

虚拟检测系统，如表面光洁度，表面测量和波度，也可以应用于虚拟环境中的模拟零件，以提高零件生产的准确性。

该系统可用于加工操作的工艺规划，涉及零件设计的所需公差。

虚拟加工系统还可以通过考虑关于零件制造的时间和成本的最合适的加工操作步骤来用于加工操作的工艺规划。

优化技术可以以增加被施加到模拟加工过程效率零件生产的。

有限元法（FEM）可应用于虚拟环境中的模拟加工过程，以分析机床，工件和刀具的应力和应变。

通过使用虚拟加工系统可以分析数学误差建模在加工表面预测中的准确性。

可以在虚拟环境中分析柔性材料的加工操作，以提高零件制造的精度。

通过在虚拟环境中使用模拟加工操作，可以分析机床的振动以及加工操作中沿切削刀具路径颤动的可能性。

通过将生产过程管理规则应用于虚拟环境中的模拟制造过程，可以减少准确生产的时间和成本。

还可以呈现基于虚拟加工的进给速率调度系统，以便提高零件制造的精度和效率。

可以在虚拟环境中模拟复杂表面的加工操作中的材料去除率，以便进行分析和优化。

效率零件制造的可以通过分析和优化生产的方法来改善。

可以在虚拟环境中模拟实际加工零件的误差，以便进行分析和补偿。

虚拟环境中的模拟加工中心可以通过网络和因特网连接在一起，以便进行分析和修改。

机床的元件和结构，如主轴，旋转轴，移动轴，滚珠丝杠，数控单元，电动机（步进电机和伺服电机），床等。可以在虚拟环境中进行仿真，以便进行分析和修改。因此，机床元件的优化版本可以提高零件制造中的技术水平。

由于虚拟环境中的模拟切削力，可以分析和修改切削刀具的几何形状。因此，由于通过改进的切削工具的几何形状减小切削力，可以最小化加工时间以及表面粗糙度并且可以最大化刀具寿命。此外，关于最小化切削力的切削刀具几何形状的修改版本可以通过为诸如高速钢，碳素工具钢，硬质合金，陶瓷，金属陶瓷等切削工具提供更广泛的可接受材料来降低切削刀具的成本。等。

可以在虚拟环境中模拟切削工具和工件的啮合区域中产生的热量，以便进行分析和减少。因此，由于减少了切削工具和工件的啮合区域中产生的热量，可以最大化刀具寿命。

可以在碰撞检测过程中在虚拟环境中分析和修改加工策略。

在虚拟环境中具有实际加工零件误差和刀具偏转误差的加工操作的3D视图可以帮助设计人员和加工策略师分析和修改零件生产过程。

为了增加新手操作员在加工操作中的经验，可以在虚拟环境中模拟实际加工操作，以便用作虚拟加工训练系统。

为了增加附加值部分生产过程中，能量消耗的机床可以通过呈现模拟和在虚拟环境中进行分析能源的有效利用机床。

可以在虚拟环境中分析和优化自由曲面的加工策略，以提高零件制造的精度。1

未来的研究工作对虚拟加工系统未来研究的一些建议如下：

可以在虚拟环境中模拟新合金的加工操作以进行研究。因此，可以分析新合金的变形，表面性质和残余应力。

可以在虚拟环境中模拟和分析刀具的新材料。因此，可以研究新切削工具沿加工路径的刀具偏转误差，而无需实际的加工操作。

可以在虚拟环境中模拟和分析大型工件的变形和偏转。

可以在虚拟环境中模拟诸如金以及超合金的昂贵材料的加工操作，以预测实际加工条件，而无需车间测试。2

虚拟现实虚拟现实（英语：virtual reality，缩写VR），简称虚拟技术，也称虚拟环境，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界视频传回产生临场感。该技术集成了电脑图形、电脑仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由电脑技术辅助生成的高技术模拟系统。

从技术的角度来说，虚拟现实系统具有下面三个基本特征：即三个“I”immersion-interaction-imagination（沉浸—交互—构想），它强调了在虚拟系统中的人的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测处理的结果，到人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息发生作用，到人能够用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；从过去的人只能以定量计算为主的结果中启发从而加深对事物的认识，到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和萌发新意。总之，在未来的虚拟系统中，人们的目的是使这个由计算机及其它传感器所组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统。

现在的大部分虚拟现实技术都是视觉体验，一般是通过计算机屏幕、特殊显示设备或立体显示设备获得的，不过一些仿真中还包含了其他的感觉处理，比如从音响和耳机中获得声音效果。在一些高级的触觉系统中还包含了触觉信息，也叫作力反馈，在医学和游戏领域有这样的应用。人们与虚拟环境相互要么通过使用标准装置例如一套键盘与鼠标，要么通过仿真装置例如一只有线手套，要么通过情景手臂和/或全方位踏车。虚拟环境是可以是和现实世界类似的，例如，飞行仿真和作战训练，也可以和现实世界有明显差异，如虚拟现实游戏等。就目前的实际情况来说，它还很难形成一个高逼真的虚拟现实环境，这主要是技术上的限制造成的，这些限制来自计算机处理能力，图像分辨率和通信带宽。然而，随着时间的推移，处理器、图象和数据通讯技术变得更加强大，并具有成本效益，这些限制将最终被克服。1

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所