數(shù)控加工仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

高 菁

天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

數(shù)控加工仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

高 菁

天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，客戶(hù)對(duì)于產(chǎn)品的需求也日漸多樣化，生產(chǎn)廠家為順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和客戶(hù)需求，需要大幅度減短產(chǎn)品的研制周期，對(duì)于產(chǎn)品的零部件業(yè)，其越來(lái)越復(fù)雜，近幾年越來(lái)越多的公司引入仿真技術(shù)，以提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)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。

數(shù)控加工；仿真技術(shù)；應(yīng)用

1 數(shù)控加工仿真的主要目的包括

1.1 檢驗(yàn)數(shù)控加工程序是否有過(guò)切或欠切。通過(guò)數(shù)控加工仿真，可用幾何圖形、圖像或動(dòng)畫(huà)的方式顯示加工過(guò)程，從而檢驗(yàn)零件的最終幾何形狀是否符合要求，目前主流的CAD/CAM軟件中都具備數(shù)控加工軌跡模擬及過(guò)切、欠切的分析功能。

1.2 碰撞干涉檢查。通過(guò)數(shù)控加工仿真，可以檢查數(shù)控加工過(guò)程中刀具、刀柄等與工件、夾具等是否存在碰撞干涉，以及檢查機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主軸是否與機(jī)床零部件、夾具等存在碰撞干涉，從而確保能加工出符合設(shè)計(jì)的零件，并避免刀具、夾具和機(jī)床的不必要損壞。

1.3 切削過(guò)程中的力熱仿真。近年來(lái)，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展及實(shí)際生產(chǎn)的需要，對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的力、熱等物理量的分析受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)仿真切削過(guò)程中力、熱等物理量，可以對(duì)加工過(guò)程中的受力狀態(tài)、熱力耦合、殘余應(yīng)力等進(jìn)行分析，從而為加工過(guò)程控制、切削參數(shù)優(yōu)化等提供參考。

1.4 切削參數(shù)優(yōu)化。數(shù)控加工過(guò)程仿真的重要目的之一是切削參數(shù)優(yōu)化，即通過(guò)數(shù)控加工過(guò)程的仿真，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有軌跡中存在的問(wèn)題以及參數(shù)設(shè)置有待提升的部分，從而對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高加工效率。

1.5 刀具磨損預(yù)測(cè)。在難加工材料、高精度材料零件的加工過(guò)程中，刀具的磨損速率較快且刀具磨損導(dǎo)致零件加工精度和已加工表面的完整性受到影響。因此，預(yù)測(cè)加工過(guò)程中刀具磨損對(duì)確保加工精度與工件的表面完整性有重要作用。

其中，針對(duì)過(guò)切、欠切和碰撞干涉檢查的仿真通常稱(chēng)為幾何與運(yùn)動(dòng)仿真，主要是檢查數(shù)控加工過(guò)程中的幾何量及運(yùn)動(dòng)關(guān)系是否正確；力熱仿真與刀具磨損的預(yù)測(cè)等通常稱(chēng)為物理仿真，主要是用于仿真數(shù)控加工過(guò)程中物理量，并可以對(duì)加工后的工件變形與質(zhì)量進(jìn)行分析。

2 數(shù)控加工中幾何仿真

幾何仿真系統(tǒng)是將數(shù)控機(jī)床、刀具、工件和夾具組成的工藝系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)剛性系統(tǒng)，不考慮系統(tǒng)的各種物理因素而建立的仿真系統(tǒng)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行直觀動(dòng)態(tài)圖形描述和精度檢驗(yàn)。幾何仿真方面主要分為兩類(lèi)：不帶機(jī)床的軌跡驗(yàn)證和帶完整機(jī)床的軌跡驗(yàn)證。不帶機(jī)床的軌跡驗(yàn)證主要用于檢驗(yàn)CAM軟件中軌跡的正確性，并對(duì)加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的過(guò)切或欠切、碰撞干涉等進(jìn)行判斷。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等數(shù)控加工仿真軟件都具備較為成熟的軌跡驗(yàn)證功能，這一仿真技術(shù)發(fā)展已較為成熟。帶完整機(jī)床的軌跡驗(yàn)證除了可以對(duì)加工軌跡本身的正確性進(jìn)行驗(yàn)證外，還可以對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、潛在的機(jī)床碰撞等進(jìn)行分析。加工過(guò)程中，一旦發(fā)生碰撞事故，不僅維修難度大、費(fèi)用高，延誤生產(chǎn)計(jì)劃，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)對(duì)機(jī)床操作工人的人身安全帶來(lái)威脅。因此，數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的防碰撞成為了數(shù)控加工的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等數(shù)控加工仿真軟件都具備帶完整機(jī)床的仿真功能。通過(guò)對(duì)完整加工環(huán)境的建模與配置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的仿真上述軟件的仿真過(guò)程通常為離線仿真，針對(duì)數(shù)控機(jī)床加工現(xiàn)場(chǎng)的諸多不確定性因素，西安交通大學(xué)發(fā)展了一種對(duì)數(shù)控加工碰撞干涉檢測(cè)的在線監(jiān)測(cè)方法，開(kāi)發(fā)了數(shù)控機(jī)床在線運(yùn)動(dòng)防碰撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立了虛擬數(shù)控機(jī)床，通過(guò)從數(shù)控機(jī)床編碼器中實(shí)時(shí)獲取數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行在線運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞干涉的檢測(cè)。這是數(shù)控加工過(guò)程幾何仿真的一種新發(fā)展。

3 數(shù)控加工仿真技術(shù)存在問(wèn)題

3.1 幾何模型的準(zhǔn)確性。目前的仿真技術(shù)中，刀具的幾何模型通常采用簡(jiǎn)化的三維模型進(jìn)行仿真計(jì)算這導(dǎo)致在仿真精度上受到很大的影響。同時(shí)，準(zhǔn)確計(jì)算多軸加工過(guò)程中的切屑厚度也是提高幾何與物理融合仿真精度的重要途徑。

3.2 基礎(chǔ)切削數(shù)據(jù)庫(kù)支持。幾何與物理融合的仿真技術(shù)已成為數(shù)控加工仿真技術(shù)的重要仿真方向，為進(jìn)行復(fù)雜加工過(guò)程中的仿真與預(yù)測(cè)，通常需要大量的基礎(chǔ)切削數(shù)據(jù)支持。這些數(shù)據(jù)包括：刀具和工件材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、基于真實(shí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)切削數(shù)據(jù)(力、熱、應(yīng)力數(shù)據(jù)等)。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性對(duì)切削加工過(guò)程的物理仿真，以及幾何與物理融合仿真的準(zhǔn)確性有著重要作用。

3.3 更多真實(shí)物理因素的仿真與預(yù)測(cè)。在實(shí)際加工過(guò)程中，仍有很多對(duì)加工過(guò)程有重要影響的因素尚未被充分反映到目前的仿真系統(tǒng)中。例如，在真實(shí)安裝過(guò)程中，刀具一般會(huì)存在或多或少的偏心，而偏心的尺度通常會(huì)接近甚至超過(guò)切削過(guò)程中未變形切屑的厚度。這將嚴(yán)重影響銑刀的每齒負(fù)載并造成崩刃或加速磨損，導(dǎo)致實(shí)際加工結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果差距較大。因此，考慮到更多對(duì)加工過(guò)程有重要影響的真實(shí)物理因素會(huì)對(duì)仿真精度的提高有重要作用。

4 數(shù)控加工仿真技術(shù)的融合發(fā)展

從幾何仿真與物理仿真的發(fā)展及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)可以看出，兩種仿真方式由于計(jì)算量的差別一般相對(duì)獨(dú)立發(fā)展。然而，隨著加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工件加工表面完整性、加工變形控制、尺寸精度控制等提出了同等要求。因此，如何將幾何仿真與物理仿真相結(jié)合，并達(dá)到實(shí)時(shí)的仿真速度與精度成為數(shù)控加工仿真技術(shù)發(fā)展的重要方向。近年來(lái)，工業(yè)界與學(xué)術(shù)界針對(duì)幾何與物理的集成仿真開(kāi)展了大量研究工作，取得了重要進(jìn)展。數(shù)控加工過(guò)程仿真技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從單純的幾何與運(yùn)動(dòng)仿真發(fā)展到了幾何與物理融合仿真。

結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，客戶(hù)對(duì)于產(chǎn)品的需求日漸多樣化，生產(chǎn)廠家為順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和客戶(hù)需求，需要大幅度減短產(chǎn)品的研制周期。近幾年越來(lái)越多的公司引入仿真技術(shù)，以提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]武珍平.數(shù)控加工中仿真技術(shù)的應(yīng)用[J].品牌(下半月)，2015(1)：195.

[2]王學(xué)升.淺談數(shù)控仿真軟件在實(shí)際生產(chǎn)加工中的應(yīng)用[J].甘肅冶金，2015(3)：144-147.