數控機床加工仿真技術及應用

樓杰

摘要：數控機床加工仿真技術的使用不僅能行之有效地避免實際加工中出現干涉、碰撞等現象，而且，能提高實際加工中的精確度，以及在保證加工質量的情況下提高加工效率。本文主要介紹數控機床加工仿真技術的發展現狀、常用仿真系統，以及數控機床加工仿真技術的實際應用。

關鍵詞：數控機床;加工;仿真技術;應用

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0048-02

0? 引言

近幾年來，我國的制造業發展迅速，對促進我國經濟增長發揮著至關重要的作用，而制造業的發展與數控機床加工技術的發展息息相關。傳統的數控機床加工不僅所需費用高，而且還存在操作困難、加工效率低等問題。為了適應制造業的發展，數控機床加工技術不斷革新，現有的數控機床加工仿真技術，能很好地解決傳統加工技術的局限，有效地加快制造業發展的步伐，進一步提高經濟效益。

1? 數控機床加工仿真技術概述

數控機床加工仿真系統介紹數控機床加工仿真技術是將人為加工轉換為自動化、信息化、數字化的計算機仿真加工，主要運用物理模型、數學模型等模型，實現在可視化、圖形模擬化、人機交互的虛擬環境下進行加工處理，有效地代替實際的加工過程，進而實現對加工步驟和流程的優化，促進數控機床加工技術的發展。技術人員通過對現實中的數控機床工作環境和狀態進行建模仿真，能夠有效地掌握零件加工過程中的實際情況，從而及時發現零件加工過程中存在的問題和其他不利因素。除此之外，還能實現對故障進行預測，通過數控機床加工仿真技術還能對加工運作是否正常進行區分，自動處理部分異常的信息，例如，及時反映出加工過程中產生零件間的干涉或碰撞等現象，進而提醒技術人員作出相應的處理，盡可能的減小機床加工過程中發生故障的概率，有效地提高機床的工作效率。

2? 數控加工仿真技術發展現狀

在生產加工中，為了提高數控程序的正確率，檢驗加工指令和試切時多用容易切割的材料代替工件，也可用采用劃針或筆代替刀具的軌跡顯示法。但是，上述幾種方法需要耗費較多的材料，不僅增加了生產成本，而且還增長了生產的周期。為了解決這些問題，研究出了計算機仿真方法，該方法實現了試切環境的模擬、圖形顯示以及仿真計算，并不斷向著提高模擬的精度、圖形的真實度方向發展。

從環境模型上來看，NC切割仿真包括力學上的仿真和幾何上的仿真。其中，力學仿真又囊括在物理仿真的范疇，在仿真切削的過程中，利用其動態力學的特性進一步實現對刀具振動和刀具破損進行預測，以及控制切削參數，從而達到切削的目的;而幾何仿真不需要考慮切削力、切割參數或者其他物理因素帶來的影響，因為，其檢驗NC程序正確與否，只需要仿真刀具-工件幾何體的運動。幾何仿真不僅能減少甚至消除因程序錯誤造成的夾具破壞、機床損傷、刀具折損、零件報廢等問題，還能減少產品的制作時間，大大降低投入成本。

另外，數據加工仿真可以分為兩種：一種是基于NC程序的數控加工過程仿真，其主要是利用后置處理所產生的NC程序來進行仿真;另一種是基于刀位數據的數控加工過程仿真，其主要是在后置處理前的基礎上，將刀位數據進行仿真。其中，基于NC程序的仿真可用于三方面：檢驗碰撞、用于檢驗和優化NC程序的正確性、培訓操作工。并且，在實際運用中，基于NC程序的加工比刀位數據的加工仿真過更加實用，因為，用于驅動數控機床運動的指令是NC指令。而基于刀位數據的仿真很早就已投入使用，現今已形成一些比較成熟的商品化軟件，其主要作用是檢測刀位軌跡是否正確、保證零件的加工質量。

3? 數控機床仿真系統

3.1 VERICUT系統

該系統是數控加工仿真軟件中使用最為廣泛的仿真系統，該系統不僅能在很大程度上提高切削效率，還能進行數控代碼查驗步驟的模擬。

VERICUT系統主要是利用交互的模擬數控加工軌跡代碼來實現去料切削控制。為了更好地提高刀具軌跡的精確度，確保切削部分能達到設計的標準，該系統能將可見部分顯示在電腦屏幕上。另外，VERICUT系統還能及時發現加工過程中存在的問題，并及時確定加工軌跡的序列號，方便技術人員進行修改。

VERICUT系統的輸入程序可以兼容各種形式的刀具軌跡代碼。無論是APT形式的CL文件，還是M&G代碼，VERICUT系統都能直接運行。除此之外，VERICUT系統需要有走刀軌跡代碼，以及對切削刀具和被加工原材料進行描述。經過系統驗證后，可得到所需的產品模型和仿真加工過程中監測到的所有錯誤記錄文件。

VERICUT系統的使用能提高生產效率。因為該系統不僅能實現自動化設置，還能根據用戶的選擇去設置相應的切削深度、寬度和切削的角度，將每個刀具軌跡的給進速度和切割速度調整到最佳狀態，并根據用戶需求改變切削的效率。另外，該系統不但能模擬五軸鉆孔、銑削或線框的EDM操作，還可進行銑車和車削的組合加工。除此之外，并且該系統還增設了系列專用模塊，對提高數控機床加工效率有非常重要的作用。

3.2 VERICUT Machine Simulation系統

該系統更容易實現對機床的模擬使用和模擬控制，也是目前數控加工仿真軟件中功能最齊全的系統。VERICUT Machine Simulation系統的主要功能是解釋可識別的數控代碼文件，并根據數控代碼進行模擬機床加工，并使這一加工過程可視化。Machine Simulation能發現工件和機床之間存在的可能性碰撞，盡可能地降低碰撞造成的經濟損失。另外，還可以識別出最為可靠的高速模式加工軌跡，有利于技術人員進行調整。并且，Machine Simulation中的數控代碼模塊能查找出存在的錯誤，并將之一一羅列出來，以供技術人員參考。（圖1）

該系統本身還為用戶提供了機床和文件控制庫，用戶可根據自身的需求進行相應的組合或者用戶自定義機床、編寫控制文件，從而得到所需的仿真環境和加工過程。該系統的主要模塊和功能如下：

3.2.1 機床構建器

機床構建器主要是為數控機床和控制指令的修改提供工具，也可利用其添加新的設備。另外，機床構建器可以實現ASCII數控代碼與其他形式代碼的轉換，通過轉換能夠將已有的數控程序重新利用起來，并用于相應的機床上，能很大程度上節約程序員編碼的時間和機床的耗費。

3.2.2 機床開發工具箱

機床開發工具箱的應用能提高VERICUT系統處理特殊、復雜的數控代碼的能力，因此，機床開發工具箱的存在主要是為了滿足特殊的加工和模擬需求。機床開發工具箱為編程提供工具和方法，通過定義VERICUT解讀數控代碼所需的宏，緊接著宏會被編譯到與標準文件庫相連的目標文件中，這樣就能夠得到一個可執行宏的CME文件。

3.2.3 AUTO-DIFF

AUTO-DIFF的主要作用是比較VERICUT組件和設計模型的數據之間是否存在差異，并得出設計和模型切割部分存在的差別，該模塊的使用，很大程度上減少了數控加工過程中投入的成本。另外，AUTO-DIFF還能實現對仿真模型和IGES數學描述模型的對比，從而提高VERICUT系統對錯誤檢測的精確度，而在加工過程中存在的過切或切削不足的情況就能被及時識別出來，不僅能節約生產成本和時間，還能提高加工的質量。

3.2.4 幾何工具包

幾何工具包能有效地將CAD數據轉換成STL文件，同時，還能根據表面模型生成實體模型，甚至解決模型文件中存在的問題。該模塊的使用，能將有限或沒用的模型轉換成可利用的夾具、實體、組件等，提高模型的利用率。

4? 數控機床加工仿真步驟及應用

利用VERICUT系統進行機床加工仿真的步驟為：首先通過Machine Simulation軟件建立機床運動學模型，這一步驟可通過直接調用系統提供的控制文件庫或者對文件進行修改后使用，從而滿足設計需求。并利用建模模塊完成機床的幾何模型建設，并根據圖紙完成初始位置的確定并形成相應的工作文件、機床文件以及控制文件;其次，利用VERICUT系統對毛胚和夾具進行定義，調入走道軌跡后，再對文件和刀具形狀進行定義，并設置適當的參數就可以進行刀具軌跡的仿真;另外，當系統進入到Machine Simulation中，要根據機床模型添加相應的機床實體、毛胚實體、夾具，再次設定相應的參數，這樣就可以同時進行機床運動和刀具軌跡的仿真。并根據系統提供的LOG文件和仿真的情況對刀具軌跡文件和參數進行修改，直到仿真出完全符合要求的產品。

以下是利用VERICUT系統仿真Mikronwf72數控加工中心加工一個瓶子模型的例子，其中所采用的控制器型號是Heidenhain415b型。通過仿真軟件對刀具軌跡文件和機床設置參數進行不斷地優化，在實際的產品加工過程中，大約可以節省30%的加工時間，大大地降低成本的投入，提高經濟效益。

除此之外，系統所帶有的AUTO-DIFF模塊也可實現設計模型和經加工后模型的對比，從而得出理論設計的零件和模擬加工出的零件兩者間存在的區別，也可通過顯示方式和設定誤差進一步得出仿真中存在的問題。系統所帶的OptiPath模塊也能實現刀具軌跡的優化，提高機床的利用率。

參考文獻：

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