數(shù)控機床加工仿真技術(shù)及應(yīng)用

樓杰

摘要：數(shù)控機床加工仿真技術(shù)的使用不僅能行之有效地避免實際加工中出現(xiàn)干涉、碰撞等現(xiàn)象，而且，能提高實際加工中的精確度，以及在保證加工質(zhì)量的情況下提高加工效率。本文主要介紹數(shù)控機床加工仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、常用仿真系統(tǒng)，以及數(shù)控機床加工仿真技術(shù)的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;加工;仿真技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0048-02

0? 引言

近幾年來，我國的制造業(yè)發(fā)展迅速，對促進我國經(jīng)濟增長發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而制造業(yè)的發(fā)展與數(shù)控機床加工技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。傳統(tǒng)的數(shù)控機床加工不僅所需費用高，而且還存在操作困難、加工效率低等問題。為了適應(yīng)制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床加工技術(shù)不斷革新，現(xiàn)有的數(shù)控機床加工仿真技術(shù)，能很好地解決傳統(tǒng)加工技術(shù)的局限，有效地加快制造業(yè)發(fā)展的步伐，進一步提高經(jīng)濟效益。

1? 數(shù)控機床加工仿真技術(shù)概述

數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)介紹數(shù)控機床加工仿真技術(shù)是將人為加工轉(zhuǎn)換為自動化、信息化、數(shù)字化的計算機仿真加工，主要運用物理模型、數(shù)學(xué)模型等模型，實現(xiàn)在可視化、圖形模擬化、人機交互的虛擬環(huán)境下進行加工處理，有效地代替實際的加工過程，進而實現(xiàn)對加工步驟和流程的優(yōu)化，促進數(shù)控機床加工技術(shù)的發(fā)展。技術(shù)人員通過對現(xiàn)實中的數(shù)控機床工作環(huán)境和狀態(tài)進行建模仿真，能夠有效地掌握零件加工過程中的實際情況，從而及時發(fā)現(xiàn)零件加工過程中存在的問題和其他不利因素。除此之外，還能實現(xiàn)對故障進行預(yù)測，通過數(shù)控機床加工仿真技術(shù)還能對加工運作是否正常進行區(qū)分，自動處理部分異常的信息，例如，及時反映出加工過程中產(chǎn)生零件間的干涉或碰撞等現(xiàn)象，進而提醒技術(shù)人員作出相應(yīng)的處理，盡可能的減小機床加工過程中發(fā)生故障的概率，有效地提高機床的工作效率。

2? 數(shù)控加工仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在生產(chǎn)加工中，為了提高數(shù)控程序的正確率，檢驗加工指令和試切時多用容易切割的材料代替工件，也可用采用劃針或筆代替刀具的軌跡顯示法。但是，上述幾種方法需要耗費較多的材料，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且還增長了生產(chǎn)的周期。為了解決這些問題，研究出了計算機仿真方法，該方法實現(xiàn)了試切環(huán)境的模擬、圖形顯示以及仿真計算，并不斷向著提高模擬的精度、圖形的真實度方向發(fā)展。

從環(huán)境模型上來看，NC切割仿真包括力學(xué)上的仿真和幾何上的仿真。其中，力學(xué)仿真又囊括在物理仿真的范疇，在仿真切削的過程中，利用其動態(tài)力學(xué)的特性進一步實現(xiàn)對刀具振動和刀具破損進行預(yù)測，以及控制切削參數(shù)，從而達到切削的目的;而幾何仿真不需要考慮切削力、切割參數(shù)或者其他物理因素帶來的影響，因為，其檢驗NC程序正確與否，只需要仿真刀具-工件幾何體的運動。幾何仿真不僅能減少甚至消除因程序錯誤造成的夾具破壞、機床損傷、刀具折損、零件報廢等問題，還能減少產(chǎn)品的制作時間，大大降低投入成本。

另外，數(shù)據(jù)加工仿真可以分為兩種：一種是基于NC程序的數(shù)控加工過程仿真，其主要是利用后置處理所產(chǎn)生的NC程序來進行仿真;另一種是基于刀位數(shù)據(jù)的數(shù)控加工過程仿真，其主要是在后置處理前的基礎(chǔ)上，將刀位數(shù)據(jù)進行仿真。其中，基于NC程序的仿真可用于三方面：檢驗碰撞、用于檢驗和優(yōu)化NC程序的正確性、培訓(xùn)操作工。并且，在實際運用中，基于NC程序的加工比刀位數(shù)據(jù)的加工仿真過更加實用，因為，用于驅(qū)動數(shù)控機床運動的指令是NC指令。而基于刀位數(shù)據(jù)的仿真很早就已投入使用，現(xiàn)今已形成一些比較成熟的商品化軟件，其主要作用是檢測刀位軌跡是否正確、保證零件的加工質(zhì)量。

3? 數(shù)控機床仿真系統(tǒng)

3.1 VERICUT系統(tǒng)

該系統(tǒng)是數(shù)控加工仿真軟件中使用最為廣泛的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能在很大程度上提高切削效率，還能進行數(shù)控代碼查驗步驟的模擬。

VERICUT系統(tǒng)主要是利用交互的模擬數(shù)控加工軌跡代碼來實現(xiàn)去料切削控制。為了更好地提高刀具軌跡的精確度，確保切削部分能達到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)能將可見部分顯示在電腦屏幕上。另外，VERICUT系統(tǒng)還能及時發(fā)現(xiàn)加工過程中存在的問題，并及時確定加工軌跡的序列號，方便技術(shù)人員進行修改。

VERICUT系統(tǒng)的輸入程序可以兼容各種形式的刀具軌跡代碼。無論是APT形式的CL文件，還是M&G代碼，VERICUT系統(tǒng)都能直接運行。除此之外，VERICUT系統(tǒng)需要有走刀軌跡代碼，以及對切削刀具和被加工原材料進行描述。經(jīng)過系統(tǒng)驗證后，可得到所需的產(chǎn)品模型和仿真加工過程中監(jiān)測到的所有錯誤記錄文件。

VERICUT系統(tǒng)的使用能提高生產(chǎn)效率。因為該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)自動化設(shè)置，還能根據(jù)用戶的選擇去設(shè)置相應(yīng)的切削深度、寬度和切削的角度，將每個刀具軌跡的給進速度和切割速度調(diào)整到最佳狀態(tài)，并根據(jù)用戶需求改變切削的效率。另外，該系統(tǒng)不但能模擬五軸鉆孔、銑削或線框的EDM操作，還可進行銑車和車削的組合加工。除此之外，并且該系統(tǒng)還增設(shè)了系列專用模塊，對提高數(shù)控機床加工效率有非常重要的作用。

3.2 VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)

該系統(tǒng)更容易實現(xiàn)對機床的模擬使用和模擬控制，也是目前數(shù)控加工仿真軟件中功能最齊全的系統(tǒng)。VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)的主要功能是解釋可識別的數(shù)控代碼文件，并根據(jù)數(shù)控代碼進行模擬機床加工，并使這一加工過程可視化。Machine Simulation能發(fā)現(xiàn)工件和機床之間存在的可能性碰撞，盡可能地降低碰撞造成的經(jīng)濟損失。另外，還可以識別出最為可靠的高速模式加工軌跡，有利于技術(shù)人員進行調(diào)整。并且，Machine Simulation中的數(shù)控代碼模塊能查找出存在的錯誤，并將之一一羅列出來，以供技術(shù)人員參考。（圖1）

該系統(tǒng)本身還為用戶提供了機床和文件控制庫，用戶可根據(jù)自身的需求進行相應(yīng)的組合或者用戶自定義機床、編寫控制文件，從而得到所需的仿真環(huán)境和加工過程。該系統(tǒng)的主要模塊和功能如下：

3.2.1 機床構(gòu)建器

機床構(gòu)建器主要是為數(shù)控機床和控制指令的修改提供工具，也可利用其添加新的設(shè)備。另外，機床構(gòu)建器可以實現(xiàn)ASCII數(shù)控代碼與其他形式代碼的轉(zhuǎn)換，通過轉(zhuǎn)換能夠?qū)⒁延械臄?shù)控程序重新利用起來，并用于相應(yīng)的機床上，能很大程度上節(jié)約程序員編碼的時間和機床的耗費。

3.2.2 機床開發(fā)工具箱

機床開發(fā)工具箱的應(yīng)用能提高VERICUT系統(tǒng)處理特殊、復(fù)雜的數(shù)控代碼的能力，因此，機床開發(fā)工具箱的存在主要是為了滿足特殊的加工和模擬需求。機床開發(fā)工具箱為編程提供工具和方法，通過定義VERICUT解讀數(shù)控代碼所需的宏，緊接著宏會被編譯到與標(biāo)準(zhǔn)文件庫相連的目標(biāo)文件中，這樣就能夠得到一個可執(zhí)行宏的CME文件。

3.2.3 AUTO-DIFF

AUTO-DIFF的主要作用是比較VERICUT組件和設(shè)計模型的數(shù)據(jù)之間是否存在差異，并得出設(shè)計和模型切割部分存在的差別，該模塊的使用，很大程度上減少了數(shù)控加工過程中投入的成本。另外，AUTO-DIFF還能實現(xiàn)對仿真模型和IGES數(shù)學(xué)描述模型的對比，從而提高VERICUT系統(tǒng)對錯誤檢測的精確度，而在加工過程中存在的過切或切削不足的情況就能被及時識別出來，不僅能節(jié)約生產(chǎn)成本和時間，還能提高加工的質(zhì)量。

3.2.4 幾何工具包

幾何工具包能有效地將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件，同時，還能根據(jù)表面模型生成實體模型，甚至解決模型文件中存在的問題。該模塊的使用，能將有限或沒用的模型轉(zhuǎn)換成可利用的夾具、實體、組件等，提高模型的利用率。

4? 數(shù)控機床加工仿真步驟及應(yīng)用

利用VERICUT系統(tǒng)進行機床加工仿真的步驟為：首先通過Machine Simulation軟件建立機床運動學(xué)模型，這一步驟可通過直接調(diào)用系統(tǒng)提供的控制文件庫或者對文件進行修改后使用，從而滿足設(shè)計需求。并利用建模模塊完成機床的幾何模型建設(shè)，并根據(jù)圖紙完成初始位置的確定并形成相應(yīng)的工作文件、機床文件以及控制文件;其次，利用VERICUT系統(tǒng)對毛胚和夾具進行定義，調(diào)入走道軌跡后，再對文件和刀具形狀進行定義，并設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)就可以進行刀具軌跡的仿真;另外，當(dāng)系統(tǒng)進入到Machine Simulation中，要根據(jù)機床模型添加相應(yīng)的機床實體、毛胚實體、夾具，再次設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，這樣就可以同時進行機床運動和刀具軌跡的仿真。并根據(jù)系統(tǒng)提供的LOG文件和仿真的情況對刀具軌跡文件和參數(shù)進行修改，直到仿真出完全符合要求的產(chǎn)品。

以下是利用VERICUT系統(tǒng)仿真Mikronwf72數(shù)控加工中心加工一個瓶子模型的例子，其中所采用的控制器型號是Heidenhain415b型。通過仿真軟件對刀具軌跡文件和機床設(shè)置參數(shù)進行不斷地優(yōu)化，在實際的產(chǎn)品加工過程中，大約可以節(jié)省30%的加工時間，大大地降低成本的投入，提高經(jīng)濟效益。

除此之外，系統(tǒng)所帶有的AUTO-DIFF模塊也可實現(xiàn)設(shè)計模型和經(jīng)加工后模型的對比，從而得出理論設(shè)計的零件和模擬加工出的零件兩者間存在的區(qū)別，也可通過顯示方式和設(shè)定誤差進一步得出仿真中存在的問題。系統(tǒng)所帶的OptiPath模塊也能實現(xiàn)刀具軌跡的優(yōu)化，提高機床的利用率。

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