仿真系統在數控加工中的應用研究

朱磊

摘 要：隨著機械制造技術的飛速發展，機械零部件越來越復雜，為了提高機械數控加工的質量和效率，本文設計一個仿真系統，為數控加工提供模擬仿真，該系統具有較高仿真效率和易用性，同時具有較強的擴展性，具有較高的實用價值。

關鍵詞：數控加工；仿真；系統

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0023-01

1 引言

隨著數控加工技術的不斷發展，各種高精尖技術也逐漸應用到數控加工領域，被加工零部件的體積越來越大，精度要求越來越高，對數控加工的效率和質量控制要求非常高。特別對于現代化的航空制造業，各類復雜曲面的機械加工尤其多，傳統的數控加工技術已經遠遠不能滿足這種復雜曲面的數控加工精度，這使得虛擬仿真變得更加復雜。近年來，計算機仿真技術發展日新月異，這使得計算機仿真技術應用到數控加工中有了可能，數控加工中的仿真是在計算機上利用三維圖形技術來模擬仿真機械數控加工的全過程，以此來檢驗數控加工程序參數的合理性，能夠有效降低成本和大幅提高工作效率。由于數控仿真技術不需要原材料，校驗過程具有敏捷性、直觀性和柔性等特點，具有十分可觀的經濟價值。

2 UG軟件介紹

UG（Unigraphics NX）軟件是Siemens PLM Software公司出品的一個集CAD、CAE、CAM于一體的計算機輔助機械設計產品工程解決方案，可以為用戶的產品設計及加工過程提供數字化造型和驗證手段，它功能十分強大，能夠輕松地實現各種復雜實體和造型的建模，最初主要在計算機工作站上運行，隨著個人計算機技術的不斷發展，它在個人計算機上的應用越來越多，目前，已經成為機械工程師在磨具、機械產品三維圖形設計的重要工具。

一般情況下UG具有三個設計層次：結構設計、子系統設計、組間設計。它給用戶提供了一個界面友好的圖形化操作窗口，使得用戶可以以圖形方式直觀地觀測刀具沿軌跡運動方向，同時可以靈活對此進行修改優化，比如延伸縮短刀具的軌跡等。用戶可以靈活的定義標準化刀具庫、加工工藝參數樣板庫，把所有能夠標準化的初始加工、精加工等操作參數全部歸一化，提高優化加工工藝的質量和效率。

在航空制造業，UG軟件具有強大的功能，能夠解決航空制造復雜曲面機械零部件的建模設計優化，能夠設計實體造型、曲面造型、虛擬裝配和輸出工程圖等，還能夠進行復雜的數學建模運算，能夠進行有限元分析，機構運動分析、動力學分析、仿真數學運算等，使用該款設計軟件能夠大幅降低機械設計工程師的勞動強度，提高機械產品設計質量和效率，大幅提高設計制造的機械零部件的產品競爭力。本文設計的仿真系統也是基于該軟件進行二次開發。

3 仿真設計及驗證

仿真設計一般首先需要進行數學建模，通過工具軟件建模一般是實時交互的建立模型的過程，通過旋轉、拉伸、掃掠等方法來逐步構建數學模型，尤其是對于較為復雜的模型，一般還會涉及到曲面建模問題。

機床建模最為關鍵的是刀具的建模，這直接決定了整個仿真過程的成敗，刀具模型形狀和結構直接決定了數控機械加工過程的動態仿真全過程，是整個仿真系統刀具庫設計開發的關鍵環節，刀具建模其實就是刀具的各類參數的設計優化，最為關鍵的是能夠提取出各類刀具的全部基礎參數，能夠控制刀具模型的幾何特征。隨著現代機械制造技術的發展，各種新型的數控機床層出不窮，與之帶來的是數控機床的刀具五花八門，種類繁多，形狀各異，所以有必要先對刀具進行分門別類管理，刀具一般有七大類：端銑刀、車刀、槽刀、T型銑刀、桶狀銑刀、螺紋刀和鉆頭。不同的刀具具有不同的加工參數和幾何特征。這里，有必要建立每一類刀具的通用集合模型，在進行實際仿真過程中，直接調用某一類刀具，通過修改刀具參數來進行仿真。

本文設計的仿真系統主要基于UG軟件進行二次開發。該仿真系統主要包括以下幾個模塊：數控加工建模模塊、數控加工模擬面板模塊、數控加工代碼解析模塊、仿真系統數據倉模塊、網絡通訊模塊和人機交互模塊。仿真系統必須具有較高的魯棒性和可靠性，同時對用戶來說要具有較強的易用性，可以讓用戶能夠通過直觀友好的人機交互接口很快的掌握基本仿真操作，同時仿真系統具有較高的優化和仿真效率，較高的整體性能，同時仿真系統還要具有較高的復用性和可擴展性，由于人工智能技術發展迅速，各種仿真算法迭代速度非常快，所以仿真系統必須能夠可復用和擴展，為以后的功能升級預留充足的接口。

數控加工建模模塊是整個仿真系統設計的核心部分，是整個可視化仿真系統的關鍵部分，通過本文設計的仿真系統，機械工件模型加工過程能夠以圖形化的方式直觀地顯示出來，整個數控加工的刀具走刀軌跡、機械工件的測量和數控加工中的可能存在碰撞都可以以圖形化的方式呈現，使用戶在仿真過程中直觀地模擬實際數控加工過程的各個方面。本文設計的仿真系統主要采用構造實體幾何法的建模方法，將實體通過簡單的布爾運算來搭建復雜的機械數控加工模型，該方法具有直觀、效率高的優點。數控機床的建模是模擬實際的數控機床和模擬加工過程的幾何仿真，通過檢測實際數控機床的各種參數，來層層細分數控機床的幾何結構，按照相似性原則對種類繁多的零部件進行歸一化處理，來逐步構建數控機床的本體模型。核心思想就是利用簡單的形體建模組合來模擬出數控機床本體的復雜建模過程。

數控加工模擬面板模塊主要是直觀地顯示仿真系統中數控機床的各種狀態信息，可以方便地進行數控加工代碼的編輯修改，以圖形化直觀的方式為用戶提供友好的操作界面。

數控加工代碼解析模塊主要是對數控加工仿真計算機程序的二進制翻譯，轉化為系統可以識別的語言進行自動化仿真操作。

仿真系統數據倉模塊主要是為刀具庫各種參數數據提供存儲和仿真系統調用，為用戶方便的使用各類刀具進行系統仿真提供便利。

網絡通訊模塊主要包含RS232串口通訊模塊和Internet網絡通訊模塊，RS232串口通訊主要是為了計算機和數控機床之間的數據傳輸提供服務，Internet網絡通訊主要是為了給機械工程師操作仿真系統時與Internet網絡交互提供數據傳輸使用，能夠更加方便機械工程師更好的利用Internet網絡資源，提高數控仿真的仿真質量和工作效率。

人機交互模塊主要是為用戶便捷地操作數控仿真系統提供友好的操作界面，建立良好的人機交互，方便快捷的為用戶和仿真系統之間搭建各類信息、數據交換的平臺。

對本文設計的仿真系統進行測試驗證，本文設計的仿真系統具有較強的實時性和易用性，同時能夠將仿真的內容進行三維圖形顯示，能夠科學地、直觀地驗證仿真設計的合理性，能夠滿足絕大多數機械數控加工的仿真要求，具有較高的實用價值。

4 結語

數控加工技術的進步使得數控加工的復雜度和難度不斷地加大，各種復雜曲面的機械零部件應用越來越多，為了提高數控加工的效率，本文設計了一種仿真系統來模擬數控加工的全過程，通過實際測試驗證，本仿真系統具有較高的直觀性和高效率。

參考文獻

[1]余湛悅，周來水，張臣，莊海軍.提高數控加工仿真速度和效果的關鍵技術研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004，（05）：642-647.

[2]羅亞波，陳定方，肖田元.遠程數控仿真的一種編程實現方法[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2004，（01）：62-65.

[3]李安泰.UG軟件在數控加工中的應用[J].電子工藝技術，2007，（02）：115-117.

[4]武小鵬，張瑋，盧繼平.虛擬數控機床模型與實現[J].機械工程師，2003，（06）：16-18.