數(shù)控加工仿真技術(shù)簡(jiǎn)述

摘 要：數(shù)控加工仿真技術(shù)目前已成為數(shù)控加工切削過(guò)程必不可少的環(huán)節(jié)，尤其對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件來(lái)說(shuō)，其材料昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大量采用多軸加工或高速切削，相關(guān)設(shè)備極為昂貴，因此，確保加工過(guò)程中刀具軌跡、切削參數(shù)的正確性、合理性，杜絕過(guò)大余量切削、碰撞干涉、超程等意外錯(cuò)誤至關(guān)重要，對(duì)提高數(shù)控編程及加工工作質(zhì)量、避免失誤、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期、降低成本等方面具有重要現(xiàn)實(shí)意義。簡(jiǎn)要介紹了數(shù)控加工仿真技術(shù)的作用、分類、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。希望通過(guò)文章的介紹，對(duì)相關(guān)工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工仿真技術(shù)；幾何仿真；物理仿真

以往編程基本流程為數(shù)控編程→檢查程序→機(jī)床上調(diào)試安裝→試切泡沫或軟材料→試件加工→正式產(chǎn)品加工。數(shù)控程序需要在機(jī)床上調(diào)試，以驗(yàn)證其正確性。調(diào)試時(shí)，必須中斷正常的加工生產(chǎn)，從而產(chǎn)生大量的機(jī)床非切削占機(jī)時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率。試切過(guò)程中可能發(fā)生意外，可能導(dǎo)致刀具損壞、機(jī)床碰撞等問(wèn)題，從而產(chǎn)生高額的維修費(fèi)用和長(zhǎng)時(shí)間的維修停機(jī)。程序調(diào)試可能導(dǎo)致試切件報(bào)廢，對(duì)于昂貴的工件將會(huì)大幅度增加產(chǎn)品試制成本。

引入仿真后，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真加工，大幅度縮短程序調(diào)試時(shí)間，不需要進(jìn)行刀具準(zhǔn)備、夾具等工作，不需要進(jìn)行工件裝夾定位和找正，且仿真切削的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際的切削，能更快、更好的掌握整個(gè)加工過(guò)程。

總之，數(shù)控仿真代替了機(jī)床切削調(diào)試程序，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，縮短了產(chǎn)品試制周期，減低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本；從技術(shù)角度來(lái)看，檢驗(yàn)程序方法簡(jiǎn)單，不涉及多部門協(xié)調(diào)，避免現(xiàn)場(chǎng)試切打亂現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)計(jì)劃，避免機(jī)床碰撞、刀具干涉、刀具折斷等問(wèn)題，對(duì)數(shù)控技術(shù)更深一步研究有很大的價(jià)值。

1 數(shù)控加工仿真的類型

1.1 幾何仿真

幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力等物理因素，只考慮刀具與工件的運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證數(shù)控加工代碼的正確性與合理性，以減少或者消除因?yàn)槌绦蝈e(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床碰撞、刀具折斷及零件報(bào)廢等問(wèn)題。目前幾何仿真方面的研究比較全面深入，出現(xiàn)了許多成熟的仿真軟件與仿真模塊。國(guó)外的仿真軟件與系統(tǒng)相對(duì)比較成熟，商業(yè)化程度比較高。例如美國(guó)CGTECH公司開(kāi)發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)VERICUT軟件，是由NC程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級(jí)機(jī)床特征模塊、實(shí)體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真數(shù)控車床、銑床、加工中心、線切割機(jī)床和多軸機(jī)床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過(guò)程，也能進(jìn)行NC程序優(yōu)化，縮短加工時(shí)間、延長(zhǎng)刀具壽命、改進(jìn)表面質(zhì)量，檢查過(guò)切、欠切，防止機(jī)床碰撞、超行程等錯(cuò)誤；具有真實(shí)的三維實(shí)體顯示效果，可以對(duì)切削模型進(jìn)行尺寸測(cè)量，并能保存切削模型供檢驗(yàn)、后續(xù)工序切削加工；具有CAD/CAM接口，能實(shí)現(xiàn)與UG. CATIA及MasterCAM等軟件的嵌套運(yùn)行。VERICUT軟件目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)，其最大特點(diǎn)是可仿真各種CNC系統(tǒng)，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個(gè)仿真過(guò)程包含程序驗(yàn)證、分析、機(jī)床仿真、優(yōu)化和模型輸出等。在國(guó)內(nèi)，數(shù)控幾何仿真系統(tǒng)相對(duì)不夠成熟，商業(yè)化程度也不高，但是也獨(dú)立研制了一些數(shù)控幾何仿真系統(tǒng)。清華大學(xué)與華中科技大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的HMPS系統(tǒng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的NCMPS系統(tǒng)、南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)的Superman2000CAD/CAM系統(tǒng)。

1.2 物理仿真

物理仿真使用物理規(guī)律模擬整個(gè)切削加工過(guò)程，考慮受力、速度、加速度、質(zhì)量、密度、能量等物理因素，模擬加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行刀具破損預(yù)測(cè)、刀具震振動(dòng)計(jì)算以及切削參數(shù)控制，從而達(dá)到優(yōu)化切削過(guò)程的目的。由于切削機(jī)理復(fù)雜，建模難度大，研究還不夠深入。目前國(guó)外較為成熟的美國(guó)Third wave AdvantEdge FEM，是一個(gè)基于材料物理性的有限元金屬切削仿真軟件，作為切削條件輸入的內(nèi)容包括：工件材料特性，刀具幾何，刀具材料特性，切削速度、冷卻液參數(shù)、刀具振動(dòng)參數(shù)、切削參數(shù)等。軟件通過(guò)有限元分析后，獲得切削加工過(guò)程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑斷裂、熱流、刀具工件和切屑上的溫度分布、應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、殘余應(yīng)力分布等物理特性輸出結(jié)果，為實(shí)際加工提供理論依據(jù)，避免傳統(tǒng)加工中單方面憑借經(jīng)驗(yàn)而導(dǎo)致技術(shù)的不可復(fù)制性、零件質(zhì)量不可控性。在軟件分析的基礎(chǔ)上，就能選擇出最佳的刀具和切削參數(shù)；通過(guò)仿真分析提高材料的去除率、優(yōu)化切削力及溫度、優(yōu)化切屑形成、減少金屬切削中工件扭曲變形、降低殘余應(yīng)力、提高零件質(zhì)量、提高刀具性能，減少現(xiàn)場(chǎng)試切的試驗(yàn)次數(shù)和成本，從而幫助企業(yè)通過(guò)仿真技術(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命、完善加工工藝，顯著地降低產(chǎn)品制造成本。在國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)張大衛(wèi)教授等人建立了圓錐螺旋銑刀的三維銑削力模型，哈爾濱工業(yè)大學(xué)姚英學(xué)等提出了面向加工質(zhì)量預(yù)測(cè)的虛擬加工檢測(cè)單元的概念，綜合了虛擬加工及虛擬檢測(cè)尺寸誤差、形狀誤差、表面粗糙度誤差等技術(shù)指標(biāo)。

2 機(jī)械加工過(guò)程仿真的現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

2.1 現(xiàn)狀

目前進(jìn)行的機(jī)械加工過(guò)程仿真，主要有兩種情況：一種是從研究金屬切削的角度出發(fā)，仿真某具體切削過(guò)程內(nèi)部各因素的變化過(guò)程，研究其切削機(jī)理，供生產(chǎn)實(shí)際與研究應(yīng)用；另一種則是將加工過(guò)程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點(diǎn)在于構(gòu)造完整的虛擬制造系統(tǒng)。這兩種方式的仿真方法是相同的，即首先對(duì)機(jī)加工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化模型，然后用數(shù)學(xué)離散方法將連續(xù)模型離散為離散點(diǎn)，通過(guò)分析這些離散點(diǎn)的物理因素變化情況來(lái)仿真加工過(guò)程。

2.2 存在的問(wèn)題

（1）仿真的加工形式少，研究范圍窄。在眾多的切削加工種類與形式中，目前的仿真主要集中于銑、磨兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真也局限在很窄的范圍內(nèi)。如銑削中多是仿真棒銑刀和端銑刀，而這種仿真系統(tǒng)對(duì)其他種類的銑刀（如加工成形表面用銑刀）卻無(wú)能為力。其原因是機(jī)械加工種類繁多，存在著車、銑、刨、磨、鏜等多種加工形式；另一方面加工理論復(fù)雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別。同時(shí)，目前的仿真系統(tǒng)大多進(jìn)行幾何仿真，即對(duì)刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗(yàn)等，有稱之為NC校驗(yàn)（NC Verification）。但在機(jī)加過(guò)程中，幾何校驗(yàn)只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動(dòng)及刀具磨損等在切削過(guò)程中起決定因素的各物理量。（2）物理仿真過(guò)程都是考慮理想切削狀態(tài)，與實(shí)際切削過(guò)程有較大差距。在目前的仿真系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定了大量假設(shè)因素，如設(shè)定工藝系統(tǒng)剛性滿足要求，無(wú)振動(dòng)；加工材料結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，無(wú)硬點(diǎn)等缺陷；刀具無(wú)磨損；切削要素不發(fā)生變化等。這種假定的理想狀態(tài)不能將切削過(guò)程中的隨機(jī)干擾如工件硬點(diǎn)造成的材質(zhì)變化、振動(dòng)造成的切深變化等因素考慮進(jìn)去，使仿真系統(tǒng)不能真實(shí)地反映實(shí)際切削過(guò)程。（3）仿真手段限制仿真系統(tǒng)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與仿真技術(shù)緊密相連，過(guò)去由于計(jì)算機(jī)軟硬件的限制，仿真時(shí)間很長(zhǎng)。編碼工作量大，程序可讀性、維護(hù)性差，這些都為仿真工作帶來(lái)困難。目前應(yīng)用C++語(yǔ)言及面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_(kāi)發(fā)仿真系統(tǒng)已成為發(fā)展潮流。

以上問(wèn)題已引起研究人員的重視，今后的機(jī)加工仿真系統(tǒng)將朝著快速運(yùn)行、面向多種加工形式、更加符合實(shí)際狀況的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]明建全，等.科學(xué)使用數(shù)控仿真 提高數(shù)控教學(xué)水平[J].西北職教，2008（3）.

[2]John Vesterayer.Simulation Used in CIMS Development[M].A Publication of the Society for Computer Simulation，1989：95-106.

[3]孟曉風(fēng)，王行仁，等.建模與仿真的智能化、集成化發(fā)展綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1996（4）：1-5.

[4]李陽(yáng)，趙永成，魏蘭.數(shù)控加工仿真技術(shù)研究綜述[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2008，4（02）.

作者簡(jiǎn)介：成遠(yuǎn)清（1980-），男，在中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，工藝室主任，工程師，主要從事鋁鎂機(jī)匣殼體工藝研究和數(shù)控編程。