淺談數(shù)控機(jī)床中加工仿真技術(shù)的運(yùn)用

吳康福

（廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526100）

數(shù)控機(jī)床加工是當(dāng)前機(jī)械現(xiàn)代化發(fā)展的重要構(gòu)成部分。為了保障數(shù)控加工的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定數(shù)控加工質(zhì)量，在編制數(shù)控程序后需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，以避免在加工過程中由于程序問題導(dǎo)致欠切、碰撞等一系列問題。因此，在數(shù)控機(jī)床加工應(yīng)用過程中，需要運(yùn)用仿真技術(shù)來對(duì)數(shù)控加工進(jìn)行模擬，以全面、客觀的判斷數(shù)控程序的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證數(shù)控加工工藝是否合理，避免在加工過程中出現(xiàn)各種異常情況，以提升加工生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

1 數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是模擬技術(shù)更成熟、更精準(zhǔn)的階段，主要是利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來模擬某數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使得模仿的系統(tǒng)可以與被模仿的系統(tǒng)一樣進(jìn)行相同的數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行相同的工作程序，進(jìn)而獲得相同的結(jié)果。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬機(jī)床加工能夠?qū)?shù)控加工程序的安全性、可靠性進(jìn)行判斷，并對(duì)切削過程進(jìn)行預(yù)測(cè)。數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)的核心在于虛擬數(shù)控機(jī)床，其與計(jì)算機(jī)之間是相互連接的。通過運(yùn)行數(shù)控車床加工程序完成車刀與其他位置的移動(dòng)，以完成加工處理。通過在相關(guān)系統(tǒng)中模擬完成零件的切削過程，能夠明確掌握數(shù)控程序是否正常，且在觀察過程中判斷程序運(yùn)行過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤與問題，以便在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整、修改與跟蹤，進(jìn)而完善數(shù)控機(jī)床加工程序。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)、模擬生產(chǎn)等領(lǐng)域中。數(shù)控機(jī)床中加工仿真技術(shù)的運(yùn)用可以分為幾何仿真與物理仿真兩種類型。第一，幾何仿真。幾何仿真沒有考慮在切削過程中不同參數(shù)與切削力等其他物理因素的影響。在計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)中，主要是利用仿真道具與工件在空間中移動(dòng)，以完成不同加工需求。這一過程中的主要目的在于對(duì)NC程序的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。如出現(xiàn)問題與或缺陷則需要進(jìn)行人工調(diào)整，直至達(dá)到各項(xiàng)要求；第二，物理仿真。物理仿真是一種相對(duì)于幾何仿真而言的仿真方法。物理仿真也可以被看作力學(xué)仿真，主要原理是利用力學(xué)的特性來探索數(shù)控機(jī)床加工過程中車刀的實(shí)際使用情況，如磨損程度、摩擦力大小等，以滿足構(gòu)件數(shù)控加工的需要。

2 數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)，仿真技術(shù)在數(shù)控機(jī)床加工中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，在數(shù)控機(jī)床加工零件前，可以程序進(jìn)行全面而精準(zhǔn)的檢查，避免在實(shí)際加工過程中出現(xiàn)紕漏，導(dǎo)致零件生產(chǎn)出現(xiàn)損失，進(jìn)而耽誤生產(chǎn)時(shí)間；第二，數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)應(yīng)用能夠被應(yīng)用在機(jī)械加工專業(yè)課程教學(xué)中，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，機(jī)械專業(yè)學(xué)生可以利用數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)對(duì)自己所涉及的零件以及的加工零件程序進(jìn)行核對(duì)判斷。且數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)能夠解決當(dāng)前高校機(jī)械加工專業(yè)硬件設(shè)施相對(duì)較少，難以滿足實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)需求的問題，并安全性較高，降低教師在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中負(fù)擔(dān)，提升系機(jī)械工程課程教學(xué)效率；第三，數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)能夠有效節(jié)省實(shí)際生產(chǎn)中的成本，還可以一定程度上降低生產(chǎn)不合格率，保障零件加工質(zhì)量。

3 數(shù)控機(jī)床中加工仿真技術(shù)的運(yùn)用過程

3.1 數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)運(yùn)用流程

當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)以幾何仿真為主，其主要過程為利用數(shù)控代碼作為驅(qū)動(dòng)源，運(yùn)用三維建模技術(shù)與過程仿真技術(shù)自動(dòng)生成道具移動(dòng)的模擬軌跡，再利用軌跡形狀與被加工幾何體進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，進(jìn)而生成坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及加工后零件形狀參數(shù)等，最后，再利用三維建模與動(dòng)畫展示技術(shù)，把過程結(jié)果展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕中，具體流程如圖1所示。

圖1

在對(duì)圖1中數(shù)控機(jī)床加工仿真流程進(jìn)行分析后可以看出，要完成對(duì)零件加工過程的仿真模擬，需要運(yùn)用數(shù)控代碼處理技術(shù)、三維圖形建模技術(shù)、動(dòng)畫仿真技術(shù)、碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)等。用戶通過人際交互界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，在經(jīng)過數(shù)控代碼處理技術(shù)、三維圖形建模技術(shù)、動(dòng)畫仿真技術(shù)、碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)處理后，獲得加工過程的模擬仿真結(jié)果，仿真結(jié)果回傳至人際交互界面，用戶即可獲知。

3.2 數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)

（1）數(shù)控代碼處理技術(shù)。計(jì)算機(jī)是無法直接讀取數(shù)控代碼的，因此，需要使用編譯器對(duì)數(shù)控源程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠讀取并執(zhí)行的中間結(jié)果，來作為加工仿真的驅(qū)動(dòng)源。

因此，在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，數(shù)控代碼編譯處理技術(shù)系統(tǒng)的重要功能模塊。數(shù)控代碼處理主要可以分為三步，分別是數(shù)控代碼檢查、數(shù)控代碼翻譯以及刀心軌跡計(jì)算。其中，數(shù)控代碼檢錯(cuò)主要是針對(duì)數(shù)控代碼的詞法、語法、語義等進(jìn)行分析，而數(shù)控代碼翻譯則是從數(shù)控代碼中提取出控制機(jī)床加工運(yùn)行的指令與狀態(tài)；在翻譯后得到刀心軌跡位移數(shù)據(jù)后，則存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，最后根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行仿真模擬運(yùn)動(dòng)。

（2）三維建模技術(shù)。數(shù)控機(jī)床實(shí)體模型是進(jìn)行加工仿真模擬的基礎(chǔ)。在進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)工程設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)與尺寸設(shè)計(jì)后，在機(jī)械制圖Auto CAD軟件下根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的機(jī)床尺寸進(jìn)行樣機(jī)建模。

三維建模過程可以分為兩個(gè)階段，一是根據(jù)零件實(shí)際規(guī)模尺寸對(duì)零件個(gè)體進(jìn)行造型設(shè)計(jì)；二是按照零件裝配約束類型來對(duì)模擬機(jī)床的裝配過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬裝配?；谌S實(shí)體模型，可以使用Auto CAD軟件終端渲染功能對(duì)三維模型的色彩、材質(zhì)、紋理、光影等進(jìn)行加工處理，以強(qiáng)化虛擬樣機(jī)的真實(shí)感。

（3）動(dòng)畫仿真技術(shù)。數(shù)控加工仿真技術(shù)應(yīng)用中動(dòng)畫仿真技術(shù)十分關(guān)鍵，仿真效果的情況將會(huì)直接影響仿真結(jié)果。動(dòng)畫仿真技術(shù)主要針對(duì)道具運(yùn)動(dòng)軌跡以及材料去除過程進(jìn)行仿真模擬。數(shù)控機(jī)床加工仿真中，主要運(yùn)用幀動(dòng)畫以及雙緩存技術(shù)來進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。在系統(tǒng)后緩沖區(qū)域，需要顯示道具位置以及零件顯示模型的每幀畫面，再經(jīng)過后緩存區(qū)域傳輸?shù)角熬彺鎱^(qū)域，再顯示在計(jì)算機(jī)屏幕中，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫序列播放。

（4）碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)。碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)是數(shù)控機(jī)床加工仿實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟。數(shù)控機(jī)床加工仿真主要應(yīng)用了三維空間碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)?；谌S立體空間中，動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)應(yīng)用的是基于圖像空間碰撞檢測(cè)與物體空間碰撞檢測(cè)算法。其中，圖像空間碰撞檢測(cè)是使用三維模型在二維平面進(jìn)行投影處理，同時(shí)，在深度上運(yùn)用深度緩存進(jìn)行計(jì)算，以判斷是否會(huì)發(fā)生碰撞。

3.3 數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

雖然當(dāng)前數(shù)控機(jī)床中加工仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得一定成果，但是，在機(jī)械加工生產(chǎn)行業(yè)中依然存在較大的發(fā)展空間，有部分理論與實(shí)際問題有待進(jìn)一步解決。

數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)以下幾個(gè)趨勢(shì)：第一，數(shù)控機(jī)床加工仿真過程朝向真實(shí)化、準(zhǔn)確化發(fā)展。伴隨和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的成熟，物理仿真技術(shù)中的切削熱、零件加工變形預(yù)測(cè)、刀具磨損等綜合到仿真系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)幾何仿真與物理仿真的高度融合，使得數(shù)控機(jī)床加工仿真過程更加真實(shí)、更加準(zhǔn)確；第二，數(shù)控機(jī)床加工仿真過程朝向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用數(shù)控機(jī)床加工仿真過程中，可以使得數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交換與共享，從而與其他主流軟件進(jìn)行無縫對(duì)接，如CAD、CAM、ERP、CAPP等主流系統(tǒng)。并且可以獲取基于互聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)原創(chuàng)數(shù)據(jù)控制服務(wù)的支持，支持遠(yuǎn)程在線編程、數(shù)控加工與遠(yuǎn)程在線控制等；第三，數(shù)控機(jī)床加工仿真更加智能化。在人工智能技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，降數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)與新興科技相結(jié)合能夠開發(fā)出操作更智能、功能更齊全的數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)，以滿足不同形式的數(shù)控加工需求。

4 結(jié)語

伴隨著我國(guó)機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的加工仿真技術(shù)已經(jīng)獲得了一定進(jìn)展。該技術(shù)憑借著加工效率較高、加工質(zhì)量?jī)?yōu)良、加工經(jīng)濟(jì)效益立項(xiàng)等優(yōu)勢(shì)在機(jī)械加工行業(yè)快速普及。伴隨著我國(guó)機(jī)械工業(yè)的進(jìn)步，對(duì)零件加工要求的不斷提升，數(shù)控機(jī)床程序會(huì)愈加復(fù)雜，這也對(duì)數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。相信在計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷成熟的未來，數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)將會(huì)得到質(zhì)的發(fā)展與飛躍。