楔横轧是一种高效、低耗、清洁的轴类零件成形新工艺、新技术，是当今先进制造技术的组成部分< 1>.随着采用楔横轧工艺加工零件的种类越来越多，结构越来越复杂，楔横轧模具的制造渐渐成为零件是否能精确轧制成形的瓶颈之一。
虚拟加工（Virtual M achining，VM）一直是国内外CAD/ CAM技术的一个研究热点< 2>.利用VM技术，工程技术人员可以在计算机上组织和实现楔横轧模具加工过程，在实际加工前对模具的可加工性进行评估，保证模具的一次生产成功率，这不仅缩短模具开发周期、减少了模具生产成本，而且保证了模具的质量。
2 VMS的优点及体系结构传统楔横轧模具加工首先由工程设计人员根据设计要求设计模具，然后由工艺人员编制数控程序，最后通过试切来检验设计及数控代码的正确性。这种方法不仅延长了模具的开发周期，而且提高了模具的成本。而在虚拟加工环境中，楔横轧模具的试切、评估都是在真实的加工制造前通过在虚拟环境下对模具的数字化模型进行模拟仿真来实现的，从而实现了楔横轧模具加工技术走出仅仅依赖经验的天地。
楔横轧模具虚拟加工系统V MS的体系结构如图3所示。其中底层支撑层主要指计算机硬件环境、操作系统、数据库、CAD、CAM软件等支撑环境。
应用层主要有加工环境建模M EM、自动编程A P、数控代码识别INCC、加工过程仿真SM P等模块构成。实施理念层是指先进制造理念CE（并行工程）、虚拟制造（VM）等。VM S的实施离不开先进制造理念的指导，只有将模具的加工与这些先进制造理念完美的结合起来，才能体现V MS的真正价值。
传统楔横轧模具制造流程图Fig 1 Flowt of traditional manufacturing of DCWR图2楔横轧模具虚拟制造流程图Fig 2 Flowt of virtual m anufacturing of DCWR 3加工环境建模模块（MEMM）加工环境建模模块的主要任务就是要建立与实际加工环境相对应的虚拟加工环境，即对加工系统中的各个实体进行数字化的虚拟描述。
虚拟加工环境中的实体模型主要包括虚拟加工机床模型、夹具模型、刀具模型以及其他制造资源图3楔横轧模具虚拟加工的体系结构示意图Fig 3 Schem atic diagram of framewk of VMS of DCWR模型。由于本系统主要是几何仿真，为了尽可能简化建模过程，我们这里建立的模型只要能表达出加工设备的形状特征和功能特征即可，一些与仿真模拟无关的部件可以不予考虑。
4自动编程模块APM自动编程模块A PM的主要功能包括：提取楔横轧模具有关的几何和工艺信息；然后由工艺决策系统根据这些信息生成加工工艺文件；再由这些工艺文件生成驱动机床的NC程序。图4所示为自动编程模块APM实现的示意图。
自动编程模块APM实现示意图Fig 4 Schem atic diagram of im plem ent of APM模具信息的获取首要任务就是要把设计领域的设计特征转换为加工领域的加工特征。由于CAD和CAM是两个不同的研究领域，这导致了特征有了不同的含义和表达形式。在设计领域，设计特征表示为一组面和一组诸如尺寸和材料的属性。而在加工领域，加工特征则表示为一组面和那些对加工操作有意义的面之间的关系。提出了用特征匹配处理的数学描述，并用集合操作从设计特征推导出加工特征。
由于从CAD模型中不能直接导出和实际加工有关的工艺信息，因此还需从零件信息库中提取相应的工艺信息附加到各加工特征上，这样便形成了加工领域所需的楔横轧模具加工信息模型。
模具信息模型生成后，工艺决策就按照预先规定的决策逻辑，调用相关的知识和数据，进行必要的比较、推理和决策，生成所需的零件加工工艺规程。然后通过刀位文件生成器这一接口将工艺文件转换为刀位数据文件。最后后置处理模块根据所使用数控系统的指令代码及格式生成N C加工文件。
5数控代码识别模块INCCM数控代码识别模块INCCM主要有：对NC程序进行有效、合理的分析；从NC程序中提取与加工的运动和状态有关的信息，并生成中间仿真加工文件。所示为虚拟加工模块实现的示意图。
虚拟加工模块实现示意图Fig 5 Schematic diagram of implement of INCCM前置处理的任务主要是去掉不必要的注释及空格，形成仅含功能字的标准程序段。词法检查的主要功能就是判断NC程序中是否有机床不能识别的指令。为此首先要建立机床可以识别的字符集，然后逐个读入NC程序的字符，判断它是否在机床字符集中，如果不在，则说明程序使用了机床不能识别的指令，这时显示错误发生的位置和错误类型，并给出错误信息，返回到程序+++++++++编辑++++++++++状态< 4>.语法错误相对于词法错误内容更加丰富，主要有：书写错误，如无效的刀号；指令使用不当，如在同一组中使用两条G或M指令；逻辑错误，如倒角的长度大于较短边的长度。图6所示为词法和语法分析的流程图。
图6词法和语法分析的流程图Fig 6 Flow of lex ical syntax analysis代码翻译的主要功能就是从处理后的数控程序中提取那些影响机床运动的NC数据信息。G代码是数控代码中最重要的代码，几乎控制了数控机床的所有功能和动作< 5>.对众多的G代码进行合理、有效的分析并结合楔横轧模具加工的特点发现和仿真有关的G指令有：G00快速定位，G01直线差补，G02/ G03圆弧差补；G33螺纹切削；G4主轴暂停；G90/ G91绝对/相对坐标设置。同时为了使得仿真系统能真实地反映加工过程，还必须增加M辅助功能字、T刀具功能字，F进给速度功能字、S主轴转速功能字。同时定义差补信息的X、Y、Z（或Z、J、K）功能字也必不可少。这样就可以用以下的数据结构来记录每一个程序段的信息。
Struct N C _ Data { int G _ Code；/ *准备功能G指令* / int M _ Code；/ *辅助功能M指令* / int F _ Code；/ *进给速度F指令* / int S _ Code；/ *主轴转速S指令* / int T _ Code；/ *刀具F指令* / float X _ code；/ * X轴坐标值* / float Y _ code；/ * Y轴坐标值* / float Z _ code；/ * Z轴坐标值* / } 6加工过程仿真模块（SMPM）加工过程仿真模块的主要功能包括：首先由中间仿真文件生成刀具扫描体，然后将刀具扫描体与工件进行布尔减运算来模拟模具加工的材料切除过程，并在此过程中检测干涉、碰撞的情况和提供精度检验、加工周期等信息。图7所示为加工过程仿真模块实现的示意图。
图7加工过程仿真模块实现示意图Fig 7 Schematic diagram of implement of SMPM材料切除过程仿真实际就是毛坯与刀具扫描体作布尔减运算来模拟加工仿真过程的。其具体过程可以描述如下：在一个时间步长d t内，由数控程序控制刀具的运动过程，并在此运动过程中生成一个刀具扫描体，然后再将此刀具扫描体与工件作布尔减运算，从而得到该时间步长d t内工件的变形。如此反复直到NC程序结束。
数控加工中的干涉通常分为两大类：局部刨削（local gouging）和全局干涉（global interfer ence）< 6>.前者是指刀具切削部分与工件工作表面的干涉，它会引起过切从而导致工件的报废。后者指刀具非切削部分与工件、夹具、机床部件之间的碰撞，它不仅导致工件的报废，严重的还会引起刀具、夹具甚至机床的损坏，因此后果更加严重。
由于干涉碰撞检验是在两个物体对之间进行的，因此，需要将样本空间的所有实体进行配对< 7>.数控加工仿真系统的干涉检验始终在刀具和工件加工曲面间进行，而碰撞检验则在刀具与工件、夹具和工作台之间进行，所以，实体对仅有刀具！工件、刀具（汽车行业刀具国产化初现成效）！夹具、刀具！工作台3对< 7>.碰撞多发生在刀具的快进、快退过程中，干涉则发生加工过程。
因此我们只在刀具的快进、快退中检测全局干涉，而在刀具切削加工过程中检测局部刨削。
判断加工过程中是否发生碰撞的算法和材料切除有点类似，它首先计算时间步长内刀具扫描体是否与夹具、机床相交，若相交则发生碰撞。局部刨削是因为刀具的曲率小于被加工表面的曲率，因此我们这里就是比较二者的曲率大小即可，若刀具曲率在检测时间点处小于被加工表面的曲率则发生局部刨削。当发生干涉碰撞时，系统则暂停仿真并将干涉碰撞的物体对变红示警。
楔横轧模具加工过程仿真的一个重要目的就是检验被加工零件表面是否在期望的公差带内。通过对N C程序加工结果在几何尺寸上和理想的零件模型进行校验，可以获取欠切、过切以及详细精度信息情况。
结论与展望楔横轧模具虚拟加工技术作为实际加工在虚拟世界的映像，有着重要的实际意义和研究价值。本文在比较传统的楔横轧模具加工和虚拟加工后，给出了楔横轧模具虚拟加工的体系结构，并阐述了各模块的具体实现，为楔横轧模具虚拟加工系统的开发和应用打下了基础。
但本系统还没有考虑到加工过程中实际切削力的变化规律、刀具磨损、工艺参数对加工质量的影响及切削振颤等方面内容。因此下一步的目标是考虑机床性能、振动等因素，使得该系统更加真实的反映实际的加工过程。
