虛擬加工仿真軟件在數(shù)控加工技術(shù)中的應(yīng)用和發(fā)展

呼剛義，王蓀馨，楊 鵬

（西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710082）

隨著產(chǎn)品日益多樣化和技術(shù)更新周期的縮短，使得在機(jī)械制造中數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)更加突出，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工設(shè)備中所占的比重逐年遞增。這樣對(duì)于一個(gè)不管是即將從事機(jī)械加工的從業(yè)者，還是操作普通機(jī)床經(jīng)驗(yàn)豐富的師傅，遲早都會(huì)面臨如何使用數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床不同于普通機(jī)床，是凝結(jié)了當(dāng)前先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)即光機(jī)電一體化產(chǎn)品，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，也就是按程序指令描述的軌跡自動(dòng)加工零件。因此如何快速高效、低成本掌握數(shù)控加床操作，以及以最低的成本快速驗(yàn)證數(shù)控程序正確性以及程序的合理性。數(shù)控加工仿真就是為解決這一問題應(yīng)運(yùn)而生。

1 虛擬加工仿真原理

數(shù)控仿真加工是利用當(dāng)前迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上通過軟件模擬加工環(huán)境和刀具對(duì)零件的各種切削加工的過程進(jìn)行三維動(dòng)畫顯示。具體過程是采用了三維實(shí)體仿真技術(shù)，在其支持下并以NC程序?yàn)轵?qū)動(dòng)，數(shù)控指令譯碼器對(duì)輸入的NC程序進(jìn)行語法檢查、解釋翻譯。根據(jù)指令生成相應(yīng)的刀具掃描體，并在指令的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)刀具掃描體與被加工零件的幾何體進(jìn)行求交運(yùn)算、碰撞干涉檢查、材料切除等，生成指令執(zhí)行后的中間結(jié)果，所有這些過程均可在計(jì)算機(jī)屏幕上通過三維動(dòng)畫顯示出來。具體流程如圖1所示。

圖1 虛擬加工仿真流程圖

2 數(shù)控仿真加工的應(yīng)用

傳統(tǒng)上檢驗(yàn)數(shù)控程序的正確性常采用的方法是試切法，這種方法費(fèi)工費(fèi)料、代價(jià)昂貴；隨后采用軌跡線顯示法，即用計(jì)算機(jī)控制鉛筆繪軌跡加工圖，以筆代替刀具紙代替毛坯仿真刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的二維圖形，其運(yùn)動(dòng)僅限平面，局限性大。隨后隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控加工的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。筆者認(rèn)為仿真加工的應(yīng)用可以分為兩種情況。

（1）在數(shù)控編程中，常常利用各種類型的CAD/CAM軟件對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行自動(dòng)編程，其實(shí)絕大多數(shù)的CAD/CAM軟件都提供了數(shù)控加工仿真功能，且仿真功能的好與壞已成為評(píng)價(jià)其軟件CAM部分好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。CAD/CAM軟件屬于圖形交互式自動(dòng)編程系統(tǒng)，其工作過程是首先通過軟件的CAD系統(tǒng)提供的圖形生成和編輯功能繪制零件圖完成零件造型；隨后以人機(jī)交互方式選定加工方法、輸入相應(yīng)的加工工藝參數(shù)和選定要加工的零件部位及方向，軟件自動(dòng)生成刀具加工軌跡數(shù)據(jù)。再通過CAD/CAM中仿真功能按已生成的刀具加工軌跡數(shù)據(jù)三維動(dòng)態(tài)顯示刀具對(duì)毛坯加工過程。進(jìn)而通過對(duì)顯示加工過程觀測(cè)，重復(fù)設(shè)置參數(shù)直至生成正確的合理的刀具軌跡。最后通過軟件的后置處理功能生成數(shù)控程序。其流程圖如圖2所示。刀具加工軌跡生成和仿真加工如圖3所示。常用的CAD/CAM軟件有Pro/Engineer、UG、MasterCAM、CAXA制造工程師等等。

圖2 圖形交互式CAD/CAM工作過程

（2）專用的商品化的數(shù)控加工仿真軟件，比如VNUC數(shù)控仿真系統(tǒng)、上海宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)、VERICUT、NCV等[2]。就以VNUC數(shù)控仿真系統(tǒng)為例，該軟件提供了以三大系統(tǒng)Fanuc、西門子、華中數(shù)控為主，還有其他的一些如廣州數(shù)控、阿貝爾信濃ASINA Series 205-T CNC等數(shù)控系統(tǒng)的車、銑、加工中心共20多種三維虛擬仿真機(jī)床，是真實(shí)機(jī)床的計(jì)算機(jī)上三維顯示再現(xiàn)，在選定好系統(tǒng)和機(jī)床后，其操作和真實(shí)的數(shù)控機(jī)床一樣，上電開機(jī)、面板操作回零、定義并裝夾毛坯、設(shè)定和安裝刀具、基準(zhǔn)測(cè)量、用手輪或步進(jìn)按鈕試切對(duì)刀建立工件坐標(biāo)系、通過面板按鍵輸入程序代碼或文件傳入、自動(dòng)加工、測(cè)量等，最后加工出預(yù)想好的零件模型。如果程序有問題、超程、刀具碰撞干涉等等，也會(huì)出現(xiàn)和實(shí)際機(jī)床相同的動(dòng)作和報(bào)警。這類仿真軟件，對(duì)于初學(xué)者不但可以熟悉機(jī)床的操作，還可以驗(yàn)證熟悉數(shù)控代碼的含義；而對(duì)于熟悉者，通過零件的虛擬仿真加工可以快速驗(yàn)證復(fù)雜程序的正確性，并進(jìn)行軌跡優(yōu)化。VNUC數(shù)控仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 零件的自動(dòng)加工軌跡生成和虛擬仿真加工

圖4 零件的自動(dòng)加工軌跡生成和虛擬仿真加工

3 結(jié)論

在計(jì)算機(jī)上利用數(shù)控加工仿真軟件對(duì)數(shù)控機(jī)床和加工過程進(jìn)行模擬仿真，不但可以熟悉不同系統(tǒng)的機(jī)床操作，而且可以快速、安全和有效地對(duì)NC程序的正確性進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)估，并可根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)NC程序迅速地進(jìn)行修改，免除在實(shí)際機(jī)床上適切加工的反復(fù)過程，節(jié)約材料消耗和生產(chǎn)成本，提高學(xué)習(xí)工作效率。因此，數(shù)控加工過程的計(jì)算機(jī)仿真是低成本快速熟悉數(shù)控機(jī)床有效的工具和NC程序高效、安全和有效的檢驗(yàn)方法。但是當(dāng)前的數(shù)控加工仿真的作用主要體現(xiàn)在幾何仿真方面，也就是僅仿真刀具-工件幾何體的運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證NC程序的正確性、有無刀具與工裝的干涉碰撞以其合理的刀具加工軌跡等等。而對(duì)于物理仿真方面例如切削參數(shù)、切削力及其他物理因素的模擬，來實(shí)現(xiàn)切削用量的優(yōu)化和加工誤差的預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)壬婕昂苌賉3]。這是由于這方面的加工過程的機(jī)理特性十分復(fù)雜，需要更多的研究才能體現(xiàn)在數(shù)控加工仿真上面，當(dāng)然這也是數(shù)控仿真下一步發(fā)展的方向。

［1］關(guān)雄飛.CAXA制造工程師應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］袁宗杰.數(shù)控仿真技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］王愛玲.數(shù)控加工理論與實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.