數控加工仿真系統研究發展趨勢研究

李洋?王俊杰

摘 要：數控加工仿真和優化軟件，基本取代了傳統的切削試驗方式，通過模擬仿真整個機床加工過程、校驗加工程序的正確性，對發現程序錯誤和改進加工工藝有很大幫助。提高加工仿真軟件的應用技術水平將對我國數控加工質量和效率的提高有很大幫助。本文重點就數控加工仿真系統的發展趨勢行進了研究和探討。

關鍵詞：數控加工；仿真系統；發展趨勢

數控仿真提供了一種快速驗證數控程序的方法，目前世界各國的數控技術都正向提高模型的精確度、仿真計算實時化，以及改善圖形顯示的真實感的方向發展。幾何仿真和物理仿真相結合將獲得更精確的模型，是日前國內急需解決的課題。物理仿真與幾何仿真的集成是未來數控加工發展的必然趨勢。通過物理仿真與幾何仿真的集成，在進行數控加工過程幾何仿真的同時，顯示和預測加工過程中物理量的變化，對于工藝人員和生產者更好地了解、指導和控制加工過程將有著非常重要的意義。

1.數控加工仿真軟件的種類分析

數控加工仿真軟件是在計算機上構建部分或全部加工環境，模擬仿真加工工藝過程，實現可視化數控程序運行、驗證、分析、優化的過程。仿真軟件是目前應用最廣泛且效果最好的，且實現商品化。它利用計算機技術對加工過程進行動態模擬仿真，模擬數控機床各坐標軸的運動、刀具運動軌跡和刀具對毛坯的切削過程，最終得到仿真加工完成后零件的三維實體模型。幾何仿真不僅能夠校驗數控程序的正確性和切削參數的合理性、評估數控切削加效果、驗證后置處理程序，而且還可以發現刀具與工件、夾具、機床之間的干涉和碰撞，判斷工藝的合理性，實現在虛擬加工環境下評估數控加工程序和工藝過程的目的，同時也能觀察到加工過程中的冗余動作或不合理動作，有助于優化數控程序、節省程序調試時間、減少毛坯材料，縮短機床加工時間，對降低加工成本、提高數控加工效率有很大的幫助。對切削過程中的振動、切削力、刀具磨損、切屑形成、工件變形、切削溫度、材料性能等方面的仿真屬于物理仿真，通常采用有限元分析技術。國內開發的一些加工仿真軟件，具有真實感的三維數控機床和操作面板，可以實現對數控銑和數控車加工全過程的仿真，其中包括毛坯定義與夾具，刀具定義與選用，零件基準測量和沒置，數控程序輸入、編輯和調試，加工仿真以及各種錯誤的檢測功能，用于產品演示、培訓，可用“虛擬設備”來增加員工的操作熟練程度。

2.數控加工仿真系統存在的問題

機械加工種類繁多，存在著車、銑、刨、鉗、磨、鏜等多種加工形式且加工機理復雜，不同的切削方式和刀具形狀，其切削機理及建模方法有較大的差別，因此現階段仿真的內容和方法均局限在很窄的范圍內，主要集中于車、銑兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真的內容也很有限。國內外一些優秀的仿真軟件均利用擴展Z緩沖區的Dexel法克服復雜的布爾集合運算，沒有任何實體空間描述，因而圖形生成質量較差。同時為了保證圖形生成速度的實時性，其圖形顯示生成算法大多沒有建立光照模型或只模擬最簡單的平行光，致使圖形生成方式為區域填充或漸變色，不符合光學原理；仿真場景中三維實體的視屏投影常采用平行投影，不符合透視學原理，使得仿真環境不能表現粗、精加工時主軸轉速的變化及工件表面紋理形態，生成與實際形態不一致的切削模型。加工過程常常涉及較多的干擾因素，因此在建模的過程中如何處理這些干擾因素，使得所建模型一方面能夠正確反映實際的加工情況，另一方面又能反映干擾因素的變化對加工精度的影響成為物理仿真建模的關鍵。同時，建模過程中，涉及大量參數和數據，這些都加大建模的難度；目前的物理仿真系統大多數是針對某一特定的加工方式或某一特定的因素而建立的，機床類型、加工方式、刀具種類、切削參數及工件材料都事先做好規定，當某一參數發生變化時，模型往往需要進行很大的修改或重新建模，這就使得模型的應用范圍受到限制，模型的通用性較差；在建立物理仿真系統過程中通常引入大量的假設，如設定工藝系統剛性滿足要求，工件材料均勻分布，切削參數不發生變化等。這些假設削弱了仿真系統與實際的擬合程度，不符合實際加工情況。從而導致仿真結果與實際情況不相符，嚴重時仿真結果失真。

3.數控加工仿真系統的發展趨勢

由于數控仿真中需要進行大量的三維實體布爾運算，屬于計算密集型算法，單臺計算機沒有如此高的能力，要想基于實體造型的仿真達到實用要求，人們需要采用新興的網格技術，使數控加工仿真系統具有高性能的計算特性。在對物理仿真的過程中。由于加工過程的復雜性和加工形式的多樣性。并沒有過于完善的研究，商用軟件中的仿真也并沒有專門的模塊，只是有限元的運用。物理仿真的研究相對于工程實際的需要還遠遠不夠；對物理仿真的研究還有很大的空間。未來，物理仿真的研究重點應集中于以下幾個方面。能夠控制不同的仿真軟件運行的仿真控制平臺的開發，目前物理仿真使用的軟件在一定程度上都能較好地反應加工過程中的某些物理因素及其變化情況。但若要全面仿真加工過程，單純依靠一、兩種軟件還遠遠不夠，必須充分利用現有的物理仿真軟件。構建一個仿真平臺來全面控制這些仿真軟件的運行，全面仿真數控加工過程，這是物理仿真研究進一步發展必須要解決的問題。仿真建模理論和生產實際需要相結合目前很多研究者都建立了切削加工物理仿真的理論模型，但有些模型和生產實際的需要還有一定的差距，將理論模型和生產實際結合是未來仿真研究的發展方向。全面反映加工精度的質量仿真模型和全面反映加工過程的仿真預測模刑將是下一步研究的重點內容。

4.結束語

虛擬制造技術是世界制造業的夢想，是二十一世紀制造業發展的方向，是制造業信息化的重要組成部分。數控加工仿真系統是實現虛擬制造的關鍵，由于數控加工仿真系統出現的時間較短，至今仍存在著若干問題亟待解決，隨著研究的不斷深入，數控加工仿真系統將會朝著面向多種加工方式和更加符合實際工況的方向發展。

參考文獻：

[1]李充寧數控加工仿真技術發展分析[J].中國新技術新產品， 2014

[2]王文理數控加工仿真軟件的應用及發展趨勢[J].航空制造技術，2013