數(shù)控機床加工仿真技術(shù)及應(yīng)用探究

陳華偉

摘 要：社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，使消費者對產(chǎn)品的要求也在不斷提高。為滿足消費者提出的需求，迎合時代的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)要不斷降低產(chǎn)品的研發(fā)時間，但是，產(chǎn)品零部件要求逐漸復(fù)雜，促使企業(yè)在數(shù)控機床加工中合理利用仿真技術(shù)，提高加工效率和加工質(zhì)量，提高企業(yè)的競爭能力。文章希望通過研究數(shù)控機床加工仿真技術(shù)及應(yīng)用，規(guī)避各種意外現(xiàn)象，提高數(shù)控機床的安全使用率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;加工;仿真

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-065-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.022

目前，在數(shù)控機床加工中，仿真技術(shù)的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注，其主要模擬實際工作中的機床加工狀況，并利用計算機模擬技術(shù)實現(xiàn)。在企業(yè)加工生產(chǎn)過程中，合理應(yīng)用仿真技術(shù)可以保障數(shù)控加工產(chǎn)品的精度要求，大幅縮短產(chǎn)品研制周期，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時提高企業(yè)綜合競爭力。

1 數(shù)控機床仿真技術(shù)概述

隨著中高檔自動化數(shù)控機床應(yīng)用的不斷發(fā)展，機械制造技術(shù)的質(zhì)量和生產(chǎn)技術(shù)水平也得到了極大提高。目前，數(shù)控機床不斷提高制造工藝質(zhì)量，在實現(xiàn)科學(xué)化生產(chǎn)的同時持續(xù)增強數(shù)控機床設(shè)備本身的實用功能，部分重要性能指標(biāo)已經(jīng)達到國際先進技術(shù)水平。

中高檔大型工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)在長時間的開發(fā)應(yīng)用中取得了理想成效。在諸多科研人員自主創(chuàng)新研發(fā)、實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)協(xié)同的基礎(chǔ)上，數(shù)控控制系統(tǒng)讓其產(chǎn)品設(shè)計與技術(shù)開發(fā)等各方面功能更加先進，通過這樣的方式，解決各個方面存在的問題[1]。

數(shù)控仿真技術(shù)主要是通過物理模型、數(shù)字模型等技術(shù)，替代系統(tǒng)功能的實際運行，實現(xiàn)相對復(fù)雜的機床系統(tǒng)的設(shè)計與研究升級，其應(yīng)用效果也變得更優(yōu)越。數(shù)控加工機床仿真技術(shù)的合理應(yīng)用，讓傳統(tǒng)人工操作機床加工方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊?、?shù)字化、計算機化的計算機仿真處理形式，其主要基于一種人機交互的方式，通過可視化操作與圖形仿真的虛擬性，為真實的數(shù)控機床的流程與加工步驟優(yōu)化其實際加工環(huán)境，在技術(shù)方面獲取一定優(yōu)勢。建模仿真主要是模擬分析數(shù)控機床實際的工作狀態(tài)和相應(yīng)的工作環(huán)境，讓技術(shù)人員了解零件加工過程中的具體情況，掌握零件加工質(zhì)量受到影響的原因。

數(shù)控加工模擬技術(shù)能夠有效區(qū)分異常加工操作與正常操作之間的差異性，實現(xiàn)不穩(wěn)定信息的自動化處理，反映干涉、碰撞等信息，滿足故障預(yù)測的效果，制定有針對性的加工計劃，減少加工故障發(fā)生的可能性，提高數(shù)控機床的實際運行效率。基于對數(shù)控機床加工仿真技術(shù)的合理研究與對實踐經(jīng)驗分析，近年來，數(shù)控機床加工仿真技術(shù)在我國已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，對零件加工企業(yè)的具體發(fā)展提供了技術(shù)方面的巨大支持。所以，在實際教學(xué)環(huán)節(jié)，要重點關(guān)注數(shù)控機床的加工仿真技術(shù)[2]。

2 數(shù)控機床加工仿真技術(shù)的主要特征及現(xiàn)狀

2.1 主要特征

2.1.1 仿真技術(shù)

在數(shù)控機床的加工過程之中，仿真技術(shù)的應(yīng)用主要是能夠滿足對于零件加工程序以及加工工藝的全面分析，由此可以確保機床的加工質(zhì)量，從而提高生產(chǎn)效率，其本身具有生產(chǎn)效率高的基本特點。在仿真技術(shù)之中應(yīng)用數(shù)控仿真程序，其本身主要是利用檢查、優(yōu)化以及操作培訓(xùn)。在數(shù)控機床實際加工之中，數(shù)控指令直接控制機床的運動，這樣就可以滿足對于碰撞問題的檢測與控制。

相比CL數(shù)據(jù)處理，NC仿真程序的實際操作更加結(jié)合具體情況。但是在這一個進程之中還需要重點考慮到數(shù)控機床的加工仿真操作，合理分析加工環(huán)境，分析其實際的影響因素，進而研究開發(fā)有效的解決措施，全面提高數(shù)控機床加工效率。

2.1.2 幾何模擬功能

針對數(shù)控切削仿真，其主要包含了機械仿真與幾何仿真兩個模塊。幾何模擬并不要求對于切削力和切削參數(shù)等物理因素加以分析，但是其本身需要考慮到研究工件本身的幾何形狀以及對應(yīng)的刀具路徑運動。在這一進程之中，合理的應(yīng)用仿真技術(shù)，就可以將產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品制造之中的中間粘合時間縮短，以此降低生產(chǎn)成本。針對數(shù)控機床的切削過程開展物理模擬，其本身基于動態(tài)機械特性加以分析，通過預(yù)計振動與工具損壞，以此滿足整個切削過程的合理優(yōu)化。在合計的開展之中應(yīng)用幾何仿真技術(shù)，一般使用的方法主要是在檢測與分析特征建模之中加以應(yīng)用，能夠執(zhí)行定量干擾驗證以及對應(yīng)的定性圖形顯示的需求。

2.1.3 顯示功能

數(shù)控機床本身帶有極高的自動化程度，在數(shù)控機床之中應(yīng)用仿真技術(shù)就是為了能夠集中的控制數(shù)控程序，保障程序執(zhí)行的準確性。在生產(chǎn)環(huán)境之中，一般會要求通過容易切削的材料實現(xiàn)工件的替代，從而完成測試切削。在這一種模式之下，就可以先查看加工說明，能夠了解其使用路徑的顯示方法，通過針頭、鋼筆加以應(yīng)用，而不是考慮到利用工具實現(xiàn)二維圖形之中工件加工路徑的模擬。但是，這一類型的操作方法會導(dǎo)致使用成本的增加。通過仿真技術(shù)的合理應(yīng)用，在實際的計算機系統(tǒng)程序窨井蓋用之中，就可以直觀仿真處理數(shù)控機床的程序環(huán)境以及處理流程。通過對于虛擬環(huán)境的觀察分析，這樣就能夠及時了解數(shù)控機床加工之中面臨的問題，并合理調(diào)整計劃，最終滿足工件加工工藝水平的要求。

2.2 現(xiàn)狀分析

針對實際的生產(chǎn)加工，為了提高數(shù)控程序的正確率，在進行加工指令與試切檢驗的時候，可以選擇利用容易切割的材料加以替代，然后選擇用筆替代刀具軌跡顯示法。但是，上述幾種方式會出現(xiàn)材料的耗費，這樣不僅會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加，同時也會增加生產(chǎn)周期。為了能夠滿足這一部分問題的解決，研究出了計算機仿真方法，這樣就可以滿足試切環(huán)境的模擬、仿真計算以及圖形顯示，并且能夠不斷朝著圖形真實度以及模擬高精度的方向發(fā)展。

基于環(huán)境模型加以分析，NC切割仿真主要是包含了幾何與力學(xué)方面的仿真。其中，力學(xué)包含了物理仿真范疇，在仿真切削過程中，就可以選擇利用其動態(tài)力學(xué)的特點，從而滿足對于刀具破損以及刀具振動的預(yù)測處理，同時能夠?qū)崿F(xiàn)切削參數(shù)的有效控制，以此達到切削的目的。

針對幾何仿真，其本身也不需要考慮到切割參數(shù)、切削力以及其余物理因素的影響，這主要是因為其檢驗NC程序的正確與否，只需要通過仿真刀具—工件幾何體的運動。幾何仿真不僅能夠?qū)⒁驗槌绦蝈e誤導(dǎo)致的機床損傷、夾具破壞、零件報廢等問題加以消除，同時能夠減少產(chǎn)品的實際制作時間，降低成本的投入。

此外，針對數(shù)據(jù)加工仿真，其主要包含以下幾方面：第一，基于NC程序的數(shù)控加工過程的仿真，其本身主要是通過后置處理產(chǎn)生的NC程序進行對應(yīng)的仿真處理。第二，基于刀位數(shù)據(jù)的數(shù)控加工過程進行仿真，其主要是在后置處理前的基礎(chǔ)上，仿真處理刀位數(shù)據(jù)。其中，基于NC程序的仿真，一般是在檢驗碰撞、培訓(xùn)操作工以及對于NC程序正確性進行檢驗與優(yōu)化處理之中加以應(yīng)用。

同時，在實際的運用環(huán)節(jié)，基于NC程序的實際加工相比刀位數(shù)據(jù)的仿真更加的實用，這主要是因為用于驅(qū)動數(shù)控機床的指令屬于NC指令。但是基于刀位數(shù)據(jù)仿真已經(jīng)投入使用很長一段時間，目前已經(jīng)形成了比較成熟的軟件，其本身主要是檢測刀位軌跡是否正確，保障零件本身的加工質(zhì)量。

3 數(shù)控機床教學(xué)中仿真技術(shù)的應(yīng)用

3.1 合作學(xué)習(xí)中融入仿真教學(xué)

考慮到仿真教學(xué)的重要性，在實際教學(xué)中要打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，利用學(xué)生之間的合作開展教學(xué)。例如，針對某一零件的數(shù)控車削加工，可以通過學(xué)生的相互合作，選擇不同的加工指令。因為學(xué)生的思考存在局限性，需要利用相互補充，進行數(shù)控加工的仿真分析。

3.2 強化教師仿真指導(dǎo)

開展數(shù)控仿真教學(xué)的進程中，學(xué)生對于部分仿真現(xiàn)象無法理解，例如，編輯完成指令后開始啟動，但是仿真系統(tǒng)并不執(zhí)行，這樣會影響學(xué)生的積極性。所以，教師可以通過適當(dāng)?shù)墓膭睿M行情感交流，針對學(xué)生的編輯進行合理分析，例如，坐標(biāo)系的建立是否合理，對刀有無問題等，實現(xiàn)仿真加工。

3.3 尊重學(xué)生提問積極性

在數(shù)控教學(xué)中應(yīng)用仿真加工，解決問題時要充分調(diào)動學(xué)生的積極性。學(xué)習(xí)數(shù)控加工的學(xué)生可能會面臨各種問題，教師要給予合理引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生提出數(shù)控仿真加工方面面臨的學(xué)習(xí)問題，這是學(xué)生對于教師的一份信任，也是對于數(shù)控加工學(xué)習(xí)興趣的體現(xiàn)。這種情況下，教師不能認為學(xué)生提出的問題太過簡單，或是上課時已經(jīng)講述的知識，需要耐心回答問題，循循善誘，引導(dǎo)學(xué)生掌握相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.4 分層式教學(xué)

數(shù)控仿真學(xué)習(xí)過程中，考慮到學(xué)生接受能力、學(xué)習(xí)能力的差異，要注重進行不同層次的多元化教學(xué)。由于仿真操作涉及具體的加工任務(wù)，需要結(jié)合學(xué)生的實際特點，有針對性地設(shè)置具有差異性的加工任務(wù)，讓每一位學(xué)生都能根據(jù)自己的能力水平進行有針對性的練習(xí)，由此，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性，在其能力范圍內(nèi)循序漸進地學(xué)習(xí)。

4 數(shù)控機床加工仿真步驟及應(yīng)用

具體分析數(shù)控機床加工仿真步驟與應(yīng)用的過程中，文章選擇研究VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)，配合具體分析，滿足數(shù)控機床加工的需求。

4.1 VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)

VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)是目前數(shù)控加工軟件中功能最為齊全的一個系統(tǒng)，可以滿足對于機床的模擬使用和模擬控制處理，主要通過可識別數(shù)控代碼文件的解釋，基于數(shù)控代碼實現(xiàn)機床加工模擬，并讓這一加工過程實現(xiàn)可視化處理[3]?；谙到y(tǒng)分析，進而了解工件與機床之間碰撞的可能性，避免由于碰撞導(dǎo)致經(jīng)濟出現(xiàn)損失。此外，可以有效識別加工軌跡，讓技術(shù)人員做好有針對性的調(diào)整。同時，Machine Simulation內(nèi)部蘊涵的數(shù)控代碼模塊還可以快速查詢可能存在的錯誤，并將其逐一羅列出現(xiàn)，以便技術(shù)人員參考，如圖1所示。

同時，VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)的應(yīng)用，可以為用戶提供文件控制庫和機床，讓用戶按照自身實際需求，實現(xiàn)對應(yīng)的組合或者是用戶自定義機床、編寫相應(yīng)的控制文件，獲取對應(yīng)的仿真環(huán)境和具體的加工過程。

4.2 加工仿真步驟與實際的應(yīng)用

使用VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)進行機床加工仿真時，其主要步驟包括：

第一，基于Machine Simulation軟件實現(xiàn)機床運動學(xué)模型的建立，這一步驟主要通過系統(tǒng)之中控制文件庫的直接調(diào)用，或者是針對文件進行修改之后使用，這樣可以滿足具體的設(shè)計需求。通過建模模塊實現(xiàn)對于機床幾何模型的建設(shè)，基于圖紙確定初始位置，從而形成工作、機床和控制等對應(yīng)的文件。

第二，基于VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)的使用，可以滿足毛坯與夾具的定義，在走道軌跡調(diào)入之后，可以針對其具體的文件和相關(guān)的刀具形狀加以明確，再結(jié)合參數(shù)的適當(dāng)設(shè)置，滿足刀具軌跡的合理仿真處理。

此外，在Machine Simulation中，可以按照機床模型實現(xiàn)機床實體、毛坯實體、夾具相對應(yīng)的添加，然后做好參數(shù)設(shè)定，這樣就可以同時開展機床運動以及刀具軌跡的仿真?；谙到y(tǒng)提供的LOG文件和仿真情況，合理修改刀具的軌跡文件和參數(shù)，直至仿真出來的產(chǎn)品完全符合具體要求[4]。

通過VERICUT Machine Simulation系統(tǒng)的使用，仿真Mikronwf72數(shù)控加工中心加工對于一個瓶子模型，其中，其控制器型號為Heidenhain415b型。通過仿真軟件的模擬，就可以不斷優(yōu)化刀具軌跡文件和機床設(shè)施參數(shù)，在實際產(chǎn)品加工過程中，可以節(jié)約30%左右的加工時間，在滿足成本投入降低的同時，進一步提高經(jīng)濟效益。

另外，針對AUTO-DIFF模塊，可以對比設(shè)計模型與加工模型之間的相互差異，明確理論設(shè)計零件與實際已經(jīng)完成加工零件之間的區(qū)別，然后利用顯示方式和實際的誤差設(shè)定，找到仿真過程中可能出現(xiàn)的問題。針對系統(tǒng)中的Opti Path模塊，可以優(yōu)化對應(yīng)刀具軌跡，提高機床的實際利用率。

5 結(jié)語

隨著生產(chǎn)自動化、智能化以及數(shù)字化等水平的不斷提高，數(shù)控機床在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)控機床技術(shù)也在不斷更新?lián)Q代中。其中，數(shù)控機床加工中的仿真技術(shù)應(yīng)用就是一個突出的方面，主要是模擬數(shù)控機床加工的工作狀態(tài)以及具體的環(huán)境變化等，仿真技術(shù)以及軟件等在實際應(yīng)用過程中，能夠統(tǒng)一管控數(shù)控機床加工接基本的操作狀態(tài)等，避免碰撞干涉等一系列安全問題出現(xiàn)，滿足數(shù)控機床安全使用效率的全面提高，進一步促進制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 顧剛.數(shù)控機床加工效率提升策略探討[J].中國新通信，2020，22（14）：232.

[2] 楊南.數(shù)控機床加工的虛擬仿真技術(shù)探討[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（4）：179，187.

[3] 文德林.數(shù)控機床車削加工技術(shù)應(yīng)用[J].金屬加工（冷加工），2019（7）：64-67.

[4] 張明辰，王坤.數(shù)控機床加工中心技術(shù)研究[J].河南科技，2019（14）：66-68.