虛擬仿真技術在數(shù)控加工中的應用研究

王麗君，楊承濤

（西安工程大學 機電工程學院，西安 710048）

0 引言

在紡織機械加工領域，數(shù)控機床正逐步取代傳統(tǒng)的加工設備，其普及率日益提高。盡管數(shù)控機床的自動化程度高、加工精度高，但也存在對操作人員技術水平要求高、設備昂貴、投資成本高等問題。為此，如何提高數(shù)控機床的利用率、減少設備的故障和停機時間，已是我國工程技術關注的課題之一，而虛擬制造技術和仿真技術正是解決這類問題的有效途徑。筆者在此撰文簡單介紹已開發(fā)利用的數(shù)控鏜銑床虛擬仿真技術，希望能有助于從事國內(nèi)相關專業(yè)的同行參考。

1 虛擬仿真數(shù)控機床的建模

依據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的三坐標數(shù)控鏜銑床用CATIA軟件進行機床部件的三維實體造型建模，如主軸、床身、導軌、刀庫等；接著以STL格式輸入到VERICUT軟件系統(tǒng)中進行組裝，組裝時應把握其裝配約束關系（即幾何約束關系、運動約束關系和排斥約束關系）設定機床坐標系、部件坐標系和它們之間的關系，然后根據(jù)機床的拓撲關系進行裝配。

虛擬仿真數(shù)控機床建模完成后，要設置各運動部件的運動參數(shù)，如工作行程范圍、刀具補償?shù)?，其中主軸中心到主軸端面的距離和主軸線的偏移距離參數(shù)較為重要，應正確設置，以免影響仿真結果的正確性。圖1為應用VERICUT軟件建立的虛擬仿真數(shù)控機床模型。

圖1 虛擬仿真數(shù)控機床模型

2 虛擬仿真數(shù)控鏜銑床應用研究

通過虛擬仿真數(shù)控機床的建立，除對機床的運動進行論證和虛擬設計好所應用的機床夾具外，主要是對數(shù)控加工過程進行仿真論證，以解決刀具運動軌跡錯誤、刀具干擾選擇錯誤等問題，圖2為虛擬仿真數(shù)控鏜銑床仿真加工的流程示意圖。同時，利

圖2 虛擬仿真數(shù)控鏜銑床仿真加工流程

用虛擬仿真技術可以進行加工過程的優(yōu)化，以充分利用機床和提高生產(chǎn)率。

2.1 驗證數(shù)控加工過程的錯誤

進行仿真驗證時，通過CAD／CAM系統(tǒng)應用MasterCAM、Keller等軟件將零件的加工信息轉換為STL格式輸入到仿真加工系統(tǒng)生成數(shù)控加工程序，最后進行仿真加工，驗證程序軌跡是否存在錯誤。在實際工作中，由于輸入數(shù)據(jù)有誤造成仿真加工時零件形狀錯誤與輸入圖形信息不符，如刀具未進行補償、未抬刀、啃刀等，此時可返回原圖形信息輸入模擬數(shù)據(jù)，進行檢驗校正干涉碰撞錯誤，這是數(shù)控加工經(jīng)常產(chǎn)生的錯誤之一。驗證時觀察刀具對非加工部件，如對工作臺、夾具等的干涉、碰撞及對工件非加工表面的碰撞，也可對經(jīng)常發(fā)生的干涉現(xiàn)象進行專門的驗證。

2.2 優(yōu)化數(shù)控加工程序

應用VERICUT軟件時，其帶有在知識庫基礎上建立的優(yōu)化模塊（OPITPATH），根據(jù)所加工小樣的類型選擇加工機床參數(shù)、應用刀具參數(shù)、金屬切削數(shù)據(jù)庫等知識進行加工過程的優(yōu)化，其優(yōu)化內(nèi)容主要為粗加工、精加工及高速切削加工時的優(yōu)化。

2.2.1 粗加工優(yōu)化

為提高生產(chǎn)效率、達到盡快去除粗加工余量的目的，根據(jù)已給出的進給量對刀具走刀路徑上應去除的金屬材料進行速度優(yōu)化，實現(xiàn)粗加工安全、穩(wěn)定、高效率。

2.2.2 精加工優(yōu)化

切削力的變化是影響加工尺寸精度和表面粗糙度的主要因素，為此在刀具切入、切出時應調節(jié)進給率，使其切削力產(chǎn)生較小的變化，減少振動，從而提高加工質量、延長刀具的使用壽命。值得注意的是，在用球狀銑刀加工傾斜面或曲面時進給量會有較大影響，加以適當調節(jié)則可使切削平滑、順利地進行。

2.2.3 高速切削加工優(yōu)化

在工件刀具不產(chǎn)生振動的前提下，高速切削是切削加工的發(fā)展方向，通過高速切削不僅可提高生產(chǎn)效率，同時會降低工件的表面粗糙度值。減少切削力的優(yōu)化方法主要是控制進給量，保持較為穩(wěn)定的切削力和切屑去除率，通過實際應用對球狀銑刀加大進給率，提高主軸轉速進行精加工的效果較好。當然也可采用優(yōu)化切削速度，即對主軸轉速進行精加工優(yōu)化，達到提高表面質量的目的。

3 應用特點

利用虛擬仿真技術對數(shù)控加工進行仿真試驗，通過一段時間應用獲得較為顯著的效益，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 提高生產(chǎn)效率

通過仿真切削加工的優(yōu)化，提高了加工過程的合理性，針對不同加工對象優(yōu)化切削速度和進給量，使其達到最優(yōu)切削狀態(tài)，減少刀具的非正常損壞，從而減少輔助時間，提高加工效率。

3.2 提高加工質量

據(jù)統(tǒng)計，飛機制造業(yè)新機研制過程中加工廢品的30%是由于工人操作不當造成，60%是由于數(shù)控程序錯誤造成，10%是其他原因而形成；為此，利用該仿真系統(tǒng)可模擬加工過程，提高了數(shù)控編程的正確性，可以大大減少廢品的產(chǎn)生。

3.3 減少數(shù)控機床事故

數(shù)控加工時，刀具的碰撞、干涉會導致較大的損失，采用虛擬仿真技術可以避免并減少機床和刀具在加工時不必要的損失。

3.4 縮短新產(chǎn)品的研制周期

新產(chǎn)品研發(fā)時，加工出合格的關鍵零、部件是其中重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)方法試制單一零件耗時費力，容易出現(xiàn)廢品，而通過虛擬仿真技術則可基本上驗證了所編數(shù)控程序的正確性和可靠性，為新品試制節(jié)省了大量時間，降低了新品試制的成本和研發(fā)周期。

4 結語

隨著自動化制造技術的不斷發(fā)展，數(shù)控加工已成為機械加工的主流加工手段之一，數(shù)控機床的應用已日益普及，在數(shù)控加工中開發(fā)和應用虛擬仿真技術，提高了價值昂貴的數(shù)控機床利用率，減少了機床故障及輔助時間，提高了產(chǎn)品零件的加工質量，并有利于企業(yè)員工的繼續(xù)教育和培訓。而這些經(jīng)實踐證明已取得顯著經(jīng)濟效益，筆者希望通過該文的介紹能對國內(nèi)從事數(shù)控加工技術的同行有所裨益。

［1］楊承濤.柔性制造系統(tǒng)［M］.西安：西安地圖出版社，2006.

［2］陳麗萍.虛擬儀器技術在數(shù)控仿真中的應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2002（4）：11－14.

［3］盛亮.基于實體的數(shù)控加工仿真關鍵技術的研究與實現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學博士論文，2005：97－98.

［4］張樹生，楊茂奎，朱名銓，等.虛擬制造技術［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2006：334－344.