數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)及應(yīng)用

莊新宇

【摘 要】本文主要闡述了數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)及其研究現(xiàn)狀，介紹了目前國(guó)外成熟的數(shù)控機(jī)床加工仿真軟件VERICUT，并且充分應(yīng)用這種軟件的各項(xiàng)功能進(jìn)行了具體的機(jī)床加工仿真，對(duì)于越來越復(fù)雜的產(chǎn)品的零部件業(yè)，主要闡述了數(shù)控加工仿真軟件的運(yùn)用，著重介紹了機(jī)床仿真VERICUT系統(tǒng)，Machine Simulation系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。通過研究數(shù)控加工在仿真技術(shù)中的應(yīng)用，改善制造業(yè)的加工質(zhì)量，提高加工效率，對(duì)于我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

【關(guān)鍵詞】仿真技術(shù)；數(shù)控機(jī)床加工；應(yīng)用

一、前言

仿真技術(shù)是一種新型的采用數(shù)學(xué)模型或者物理模型代替真實(shí)系統(tǒng)，尤其是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究與設(shè)計(jì)的工具，而且十分有效。而數(shù)控加工仿真技術(shù)就是在零件的數(shù)控加工中加入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。作為一種新型先進(jìn)的計(jì)算機(jī)人機(jī)交互技術(shù)，數(shù)控加工仿真技術(shù)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)結(jié)合可視化技術(shù)而創(chuàng)造人為虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)數(shù)控加工工藝系統(tǒng)環(huán)境的模擬。

二、仿真技術(shù)在數(shù)控機(jī)床加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)控加工是一個(gè)自動(dòng)化過程，需要工匠事先確定工藝流程。在制定過程中，工匠不僅要考慮各種過程因素，還要考慮干擾問題。由于零件的形狀是空間中的三維形狀，所以機(jī)床由多個(gè)軸鏈接。在加工過程中，加工參數(shù)的選擇是否合理，零件是否與機(jī)床產(chǎn)生干涉，是否存在過切等，都是相互關(guān)聯(lián)的，并遵循各自的變化規(guī)律。因此，工匠難以用現(xiàn)有的分析計(jì)算方法優(yōu)化工藝流程。因此，技術(shù)人員必須具備可分析計(jì)算的視覺環(huán)境，能夠制定和優(yōu)化工藝流程的輔助手段，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短制造周期的目的。因此，應(yīng)用比較成熟的仿真技術(shù)，在實(shí)際加工前觀察產(chǎn)品的數(shù)控加工過程，以盡快發(fā)現(xiàn)并解決問題，以避免不必要的損失。

在正常情況下，我們?cè)噲D通過試用和切割來確保數(shù)控程序的準(zhǔn)確性，用易于切割的材料替換工作中的設(shè)備。通過這種方法，加工指令可以得到更全面的測(cè)試，同時(shí)在數(shù)控加工中軌跡顯示法也是一種常用的方法。這些方法存在一些明顯的缺點(diǎn)，如費(fèi)時(shí)費(fèi)力等，這必然會(huì)導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本增加，從而延長(zhǎng)整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)周期。目前，模擬技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。具體來說，它是指在實(shí)際工作中對(duì)機(jī)床加工條件的模擬，并通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。有些學(xué)校已經(jīng)開設(shè)了相關(guān)課程。本課程的建立培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的專業(yè)人才，為學(xué)生進(jìn)入企業(yè)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

幾何模擬技術(shù)的發(fā)展隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，包括定性圖形顯示和定量干涉驗(yàn)證。常用的方法有直接實(shí)體建模法，基于圖像空間的方法和離散矢量交叉法。根據(jù)在模擬過程中驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)是使用CL（CutterLocation）還是NC代碼，數(shù)據(jù)處理仿真可以分為兩類：一類是基于預(yù)處理數(shù)據(jù)（CL數(shù)據(jù)）的仿真，即基于CL數(shù)據(jù)的數(shù)控加工過程仿真；另一種是基于數(shù)控程序仿真產(chǎn)生的后處理，即基于NC程序的數(shù)控加工過程仿真?；贑L數(shù)據(jù)的模擬沒有考慮到切削參數(shù)，切削力和物理因素的影響。只有工具在工件上的運(yùn)動(dòng)被模擬。主要目的是驗(yàn)證刀具路徑的正確性并確保零件的加工質(zhì)量。這種模擬方法較早開發(fā)。到目前為止，有一些成熟的想法和商業(yè)軟件。數(shù)控程序仿真的主要目的可以歸納為三個(gè)方面：數(shù)控程序的正確性測(cè)試和優(yōu)化，操作員培訓(xùn)和碰撞測(cè)試。由于數(shù)控機(jī)床移動(dòng)NC指令，基于NC過程的加工仿真比基于CL數(shù)據(jù)的加工過程仿真更接近實(shí)際。但是，由于在仿真過程中考慮了加工環(huán)境，所以增加了仿真難度。目前，數(shù)控加工仿真的研究主要集中在刀具軌跡上，對(duì)三坐標(biāo)以下零部件的加工效果較好。

但是，對(duì)于坐標(biāo)超過三個(gè)的CNC設(shè)備，僅檢查刀具路徑是不夠的。還有必要模擬加工過程以檢查刀具過切，刀具與夾具之間的碰撞以及機(jī)床。另外，機(jī)床在應(yīng)用效率方面還需要考慮刀具加工文件的優(yōu)化，以提高零件加工效率和機(jī)床利用率，同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量。通過在加工和生產(chǎn)過程中引入仿真技術(shù)，保證數(shù)控加工產(chǎn)品的精度，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，全面提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

三、機(jī)床仿真VERICUT系統(tǒng)

在數(shù)控加工過程中，根據(jù)具體制造要求對(duì)基礎(chǔ)試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行建模和研究。仿真技術(shù)可用于模擬數(shù)控切削過程中的機(jī)械和幾何部件。這主要是由于幾何模擬。不需要考慮切削力，切削參數(shù)等物理參數(shù)，進(jìn)一步保證了刀具軌跡仿真中幾何運(yùn)動(dòng)的合理性和程序系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。在數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)的實(shí)踐中，可以對(duì)數(shù)控加工的環(huán)境，狀態(tài)和基本流程進(jìn)行模擬和演示，以防止由于不正確的操作程序而導(dǎo)致夾具損壞，報(bào)廢零件損壞等問題。數(shù)控加工和零部件制造可進(jìn)一步縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間和縮短產(chǎn)品制造時(shí)間，降低成本并提高產(chǎn)出效率。實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工中零件切削應(yīng)用的機(jī)械原理模擬。根據(jù)動(dòng)態(tài)特性，預(yù)測(cè)切削參數(shù)，刀具振動(dòng)和斷裂，并優(yōu)化整個(gè)切削過程。

機(jī)床仿真VERICUT系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的數(shù)控加工仿真軟件。它不僅可以模擬數(shù)控代碼的驗(yàn)證步驟，而且可以最大限度地提高材料的切割效率。

VERICUT是一種模擬NC加工軌跡代碼的交互式材料切割運(yùn)動(dòng)。VERICUT仿真部件將在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀顯示，驗(yàn)證刀具路徑的準(zhǔn)確性，并確保驗(yàn)證部件符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在正式處理開始之前，VERICUT發(fā)現(xiàn)了阻礙處理的矛盾，并確認(rèn)了處理軌道的可靠序列號(hào)，以便快速和容易地修改。幾乎所有形式的刀具路徑代碼都可以用作VERICUT的輸入程序。M&G;代碼與CL文件的APT形式一樣，可以由VERICUT直接執(zhí)行。與真實(shí)加工類似，VERICUT需要軌跡代碼，要加工的原材料的描述以及刀具的描述。該驗(yàn)證過程的結(jié)果之一是作為產(chǎn)品的加工（三維）實(shí)體模型。第二個(gè)是報(bào)告在模擬過程中檢測(cè)到的所有錯(cuò)誤的日志文件。此外，VERICUT模型可被檢測(cè)，保存或用作其他通行證的原材料。

除了簡(jiǎn)化和提高驗(yàn)證過程的效率之外，VERICUT還大大提高了工廠的生產(chǎn)力。VERICUT中的優(yōu)化設(shè)置是自動(dòng)的和用戶可選擇的。這允許用戶最大限度地提高切割效率根據(jù)切削深度，切削寬度和切削角度，將每個(gè)刀具路徑的進(jìn)給速率和切削速度調(diào)整到最佳狀態(tài)。事實(shí)上，您甚至可以將VERICUT設(shè)置為刀具補(bǔ)償或其他獨(dú)特設(shè)置以進(jìn)行操作。VERICUT可以模擬多達(dá)5軸銑削，鉆孔或線框電火花加工，以及車削和銑削組合的加工運(yùn)動(dòng)。由于增加了特征和機(jī)制的一系列特殊模塊，VERICUT實(shí)際上是一套全面的模擬，驗(yàn)證和優(yōu)化方法。這種方法可以很好地解決提高數(shù)控加工效率的問題。

四、Machine Simulation系統(tǒng)

VERICUT-MACHINE仿真系統(tǒng)是數(shù)控加工仿真軟件中功能最強(qiáng)大的工具。這是使用機(jī)床和模擬控制過程中最容易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)。圖2使用VERICUT和機(jī)器模擬的驗(yàn)證系統(tǒng)VERICUT機(jī)器模擬系統(tǒng)的主要功能是解釋可識(shí)別的NC代碼（G代碼）文件并可視化模擬機(jī)器的G代碼處理?？梢阅M一些更加復(fù)雜的數(shù)控加工技術(shù)，如刀具直徑補(bǔ)償，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償和加工坐標(biāo)系。Machine Simulation可以在實(shí)際開始加工之前檢測(cè)機(jī)器和工件之間的潛在碰撞。這些碰撞往往會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。也可以找出一些超程的頭疼問題，并找出最可靠的高速加工路徑。Machine Simulation中的CNC代碼模塊負(fù)責(zé)查找錯(cuò)誤并將其列在錯(cuò)誤列表中以供參考。

Machine Simulation系統(tǒng)通常與VERICUT系統(tǒng)和其他驗(yàn)證軟件一起使用。這種組合產(chǎn)生了最全面的驗(yàn)證系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，Machine Simulation模擬機(jī)器的運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)機(jī)器碰撞和超程等錯(cuò)誤。VERICUT模擬切割工件并驗(yàn)證NC代碼的正確性。這為數(shù)控加工過程提供了一個(gè)全面的錯(cuò)誤檢測(cè)系統(tǒng)，最大限度地提高了加工過程的效率。除模擬機(jī)床和控制過程外，Machine Simulation還提供不同類型的NC代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)。它可以將一些舊的無法使用的NC代碼轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的ASCAPT工具路徑文件。這種多用途的APT刀具路徑文件可以應(yīng)用于大多數(shù)通用數(shù)控機(jī)床或使用VERICUT進(jìn)行模擬。

系統(tǒng)應(yīng)該具有關(guān)于數(shù)控機(jī)床物理特性的信息，并且還應(yīng)該能夠用數(shù)字控制命令解釋NC代碼，這兩者都確定系統(tǒng)可以控制整個(gè)模擬過程。該軟件本身也為用戶提供機(jī)床和控制文件庫(kù)。用戶可以根據(jù)自己的需要任意組合以獲得所需的處理系統(tǒng)。它還允許用戶定義自己的機(jī)床，編譯控制文件，并獲得他們自己想要的模擬環(huán)境和過程。

其主要模塊和功能是：

（一）機(jī)器制造商

機(jī)床結(jié)構(gòu)功能為修改現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床和控制指令提供了工具，也可以根據(jù)仿真環(huán)境的需要增加新的設(shè)備。這些數(shù)字設(shè)備以簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的用戶界面以圖形化方式進(jìn)行組裝，修改和測(cè)試。在MachineSimulation中，您可以使用從CAD系統(tǒng)（例如IGES模型，線框模型）引入的實(shí)體模型（例如立方體，圓柱體，圓錐體和其他體素）或其他模型來處理機(jī)床組件（如線性運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)工作描述了表，心軸，夾具，夾具等）和其他細(xì)節(jié)。

（二）機(jī)床開發(fā)工具箱

當(dāng)MachineSimulation的功能非常適合大多數(shù)數(shù)值模擬時(shí)，機(jī)器開發(fā)工具箱可以滿足一些特殊的模擬和加工要求。這個(gè)模塊是一個(gè)高級(jí)編程工具。它可以提高VERICUT解釋復(fù)雜和特殊NC代碼以滿足特定需求的能力。該工具開發(fā)工具包提供編程工具和方法。首先，您需要定義VERICUT需要解釋NC代碼的宏，然后將宏編譯到與標(biāo)準(zhǔn)文件庫(kù)連接的目標(biāo)文件中。這導(dǎo)致新的CGTech可執(zhí)行宏文件。調(diào)用CME文件。使用機(jī)床開發(fā)工具包，可以讀取任何來源的數(shù)控代碼或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為其他形式的輸出。使用這個(gè)系統(tǒng)來模擬Mikronwf72數(shù)控加工中心來處理一個(gè)瓶子模型的例子，控制器是Heidenhain415b型。經(jīng)過驗(yàn)證和優(yōu)化的刀具路徑文件和機(jī)器設(shè)置參數(shù)完全可用，在實(shí)際加工過程中加工時(shí)間節(jié)省50%。

由于加工操作中技術(shù)等限制因素的影響較大，將模擬技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的加工過程中，可以更加有效地實(shí)現(xiàn)過程管理和技術(shù)控制。數(shù)控加工是一個(gè)自動(dòng)化程度高的過程，但是使用普通的計(jì)算機(jī)控制在數(shù)控機(jī)床加工中，系統(tǒng)的應(yīng)用可以從手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)到計(jì)算機(jī)操作。并且模擬技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用可以將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并預(yù)先設(shè)置處理流程和數(shù)據(jù)參數(shù)，使機(jī)械部件在加工過程中可以實(shí)現(xiàn)更有效的技術(shù)控制和產(chǎn)品加工質(zhì)量?？刂啤Ｔ跀?shù)控機(jī)床仿真技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，有必要綜合考慮加工工藝和操作流程等因素，確保零件不確定因素參數(shù)的合理設(shè)置，并防止零件由于參數(shù)而被處理。不正確的設(shè)置導(dǎo)致報(bào)廢。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文分析了仿真技術(shù)在數(shù)控機(jī)床加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了Machine Simulation系統(tǒng)與VERICUT系統(tǒng)和其他驗(yàn)證軟件一起使用的方法，為數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)及應(yīng)用積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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