數控機床加工仿真技術及應用探究

陳華偉

摘 要：社會經濟的不斷發展，使消費者對產品的要求也在不斷提高。為滿足消費者提出的需求，迎合時代的發展，生產企業要不斷降低產品的研發時間，但是，產品零部件要求逐漸復雜，促使企業在數控機床加工中合理利用仿真技術，提高加工效率和加工質量，提高企業的競爭能力。文章希望通過研究數控機床加工仿真技術及應用，規避各種意外現象，提高數控機床的安全使用率。

關鍵詞：數控機床;加工;仿真

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-065-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.022

目前，在數控機床加工中，仿真技術的應用得到廣泛關注，其主要模擬實際工作中的機床加工狀況，并利用計算機模擬技術實現。在企業加工生產過程中，合理應用仿真技術可以保障數控加工產品的精度要求，大幅縮短產品研制周期，在提高產品質量的同時提高企業綜合競爭力。

1 數控機床仿真技術概述

隨著中高檔自動化數控機床應用的不斷發展，機械制造技術的質量和生產技術水平也得到了極大提高。目前，數控機床不斷提高制造工藝質量，在實現科學化生產的同時持續增強數控機床設備本身的實用功能，部分重要性能指標已經達到國際先進技術水平。

中高檔大型工業數控系統技術在長時間的開發應用中取得了理想成效。在諸多科研人員自主創新研發、實現科學技術協同的基礎上，數控控制系統讓其產品設計與技術開發等各方面功能更加先進，通過這樣的方式，解決各個方面存在的問題[1]。

數控仿真技術主要是通過物理模型、數字模型等技術，替代系統功能的實際運行，實現相對復雜的機床系統的設計與研究升級，其應用效果也變得更優越。數控加工機床仿真技術的合理應用，讓傳統人工操作機床加工方法逐漸轉變為自動化、數字化、計算機化的計算機仿真處理形式，其主要基于一種人機交互的方式，通過可視化操作與圖形仿真的虛擬性，為真實的數控機床的流程與加工步驟優化其實際加工環境，在技術方面獲取一定優勢。建模仿真主要是模擬分析數控機床實際的工作狀態和相應的工作環境，讓技術人員了解零件加工過程中的具體情況，掌握零件加工質量受到影響的原因。

數控加工模擬技術能夠有效區分異常加工操作與正常操作之間的差異性，實現不穩定信息的自動化處理，反映干涉、碰撞等信息，滿足故障預測的效果，制定有針對性的加工計劃，減少加工故障發生的可能性，提高數控機床的實際運行效率?；趯悼貦C床加工仿真技術的合理研究與對實踐經驗分析，近年來，數控機床加工仿真技術在我國已經得到了廣泛應用，對零件加工企業的具體發展提供了技術方面的巨大支持。所以，在實際教學環節，要重點關注數控機床的加工仿真技術[2]。

2 數控機床加工仿真技術的主要特征及現狀

2.1 主要特征

2.1.1 仿真技術

在數控機床的加工過程之中，仿真技術的應用主要是能夠滿足對于零件加工程序以及加工工藝的全面分析，由此可以確保機床的加工質量，從而提高生產效率，其本身具有生產效率高的基本特點。在仿真技術之中應用數控仿真程序，其本身主要是利用檢查、優化以及操作培訓。在數控機床實際加工之中，數控指令直接控制機床的運動，這樣就可以滿足對于碰撞問題的檢測與控制。

相比CL數據處理，NC仿真程序的實際操作更加結合具體情況。但是在這一個進程之中還需要重點考慮到數控機床的加工仿真操作，合理分析加工環境，分析其實際的影響因素，進而研究開發有效的解決措施，全面提高數控機床加工效率。

2.1.2 幾何模擬功能

針對數控切削仿真，其主要包含了機械仿真與幾何仿真兩個模塊。幾何模擬并不要求對于切削力和切削參數等物理因素加以分析，但是其本身需要考慮到研究工件本身的幾何形狀以及對應的刀具路徑運動。在這一進程之中，合理的應用仿真技術，就可以將產品設計到產品制造之中的中間粘合時間縮短，以此降低生產成本。針對數控機床的切削過程開展物理模擬，其本身基于動態機械特性加以分析，通過預計振動與工具損壞，以此滿足整個切削過程的合理優化。在合計的開展之中應用幾何仿真技術，一般使用的方法主要是在檢測與分析特征建模之中加以應用，能夠執行定量干擾驗證以及對應的定性圖形顯示的需求。

2.1.3 顯示功能

數控機床本身帶有極高的自動化程度，在數控機床之中應用仿真技術就是為了能夠集中的控制數控程序，保障程序執行的準確性。在生產環境之中，一般會要求通過容易切削的材料實現工件的替代，從而完成測試切削。在這一種模式之下，就可以先查看加工說明，能夠了解其使用路徑的顯示方法，通過針頭、鋼筆加以應用，而不是考慮到利用工具實現二維圖形之中工件加工路徑的模擬。但是，這一類型的操作方法會導致使用成本的增加。通過仿真技術的合理應用，在實際的計算機系統程序窨井蓋用之中，就可以直觀仿真處理數控機床的程序環境以及處理流程。通過對于虛擬環境的觀察分析，這樣就能夠及時了解數控機床加工之中面臨的問題，并合理調整計劃，最終滿足工件加工工藝水平的要求。

2.2 現狀分析

針對實際的生產加工，為了提高數控程序的正確率，在進行加工指令與試切檢驗的時候，可以選擇利用容易切割的材料加以替代，然后選擇用筆替代刀具軌跡顯示法。但是，上述幾種方式會出現材料的耗費，這樣不僅會導致生產成本的增加，同時也會增加生產周期。為了能夠滿足這一部分問題的解決，研究出了計算機仿真方法，這樣就可以滿足試切環境的模擬、仿真計算以及圖形顯示，并且能夠不斷朝著圖形真實度以及模擬高精度的方向發展。

基于環境模型加以分析，NC切割仿真主要是包含了幾何與力學方面的仿真。其中，力學包含了物理仿真范疇，在仿真切削過程中，就可以選擇利用其動態力學的特點，從而滿足對于刀具破損以及刀具振動的預測處理，同時能夠實現切削參數的有效控制，以此達到切削的目的。

針對幾何仿真，其本身也不需要考慮到切割參數、切削力以及其余物理因素的影響，這主要是因為其檢驗NC程序的正確與否，只需要通過仿真刀具—工件幾何體的運動。幾何仿真不僅能夠將因為程序錯誤導致的機床損傷、夾具破壞、零件報廢等問題加以消除，同時能夠減少產品的實際制作時間，降低成本的投入。

此外，針對數據加工仿真，其主要包含以下幾方面：第一，基于NC程序的數控加工過程的仿真，其本身主要是通過后置處理產生的NC程序進行對應的仿真處理。第二，基于刀位數據的數控加工過程進行仿真，其主要是在后置處理前的基礎上，仿真處理刀位數據。其中，基于NC程序的仿真，一般是在檢驗碰撞、培訓操作工以及對于NC程序正確性進行檢驗與優化處理之中加以應用。

同時，在實際的運用環節，基于NC程序的實際加工相比刀位數據的仿真更加的實用，這主要是因為用于驅動數控機床的指令屬于NC指令。但是基于刀位數據仿真已經投入使用很長一段時間，目前已經形成了比較成熟的軟件，其本身主要是檢測刀位軌跡是否正確，保障零件本身的加工質量。

3 數控機床教學中仿真技術的應用

3.1 合作學習中融入仿真教學

考慮到仿真教學的重要性，在實際教學中要打破傳統的教學模式，利用學生之間的合作開展教學。例如，針對某一零件的數控車削加工，可以通過學生的相互合作，選擇不同的加工指令。因為學生的思考存在局限性，需要利用相互補充，進行數控加工的仿真分析。

3.2 強化教師仿真指導

開展數控仿真教學的進程中，學生對于部分仿真現象無法理解，例如，編輯完成指令后開始啟動，但是仿真系統并不執行，這樣會影響學生的積極性。所以，教師可以通過適當的鼓勵，進行情感交流，針對學生的編輯進行合理分析，例如，坐標系的建立是否合理，對刀有無問題等，實現仿真加工。

3.3 尊重學生提問積極性

在數控教學中應用仿真加工，解決問題時要充分調動學生的積極性。學習數控加工的學生可能會面臨各種問題，教師要給予合理引導，鼓勵學生提出數控仿真加工方面面臨的學習問題，這是學生對于教師的一份信任，也是對于數控加工學習興趣的體現。這種情況下，教師不能認為學生提出的問題太過簡單，或是上課時已經講述的知識，需要耐心回答問題，循循善誘，引導學生掌握相應的學習內容。

3.4 分層式教學

數控仿真學習過程中，考慮到學生接受能力、學習能力的差異，要注重進行不同層次的多元化教學。由于仿真操作涉及具體的加工任務，需要結合學生的實際特點，有針對性地設置具有差異性的加工任務，讓每一位學生都能根據自己的能力水平進行有針對性的練習，由此，可以激發學生學習的熱情和積極性，在其能力范圍內循序漸進地學習。

4 數控機床加工仿真步驟及應用

具體分析數控機床加工仿真步驟與應用的過程中，文章選擇研究VERICUT Machine Simulation系統，配合具體分析，滿足數控機床加工的需求。

4.1 VERICUT Machine Simulation系統

VERICUT Machine Simulation系統是目前數控加工軟件中功能最為齊全的一個系統，可以滿足對于機床的模擬使用和模擬控制處理，主要通過可識別數控代碼文件的解釋，基于數控代碼實現機床加工模擬，并讓這一加工過程實現可視化處理[3]?；谙到y分析，進而了解工件與機床之間碰撞的可能性，避免由于碰撞導致經濟出現損失。此外，可以有效識別加工軌跡，讓技術人員做好有針對性的調整。同時，Machine Simulation內部蘊涵的數控代碼模塊還可以快速查詢可能存在的錯誤，并將其逐一羅列出現，以便技術人員參考，如圖1所示。

同時，VERICUT Machine Simulation系統的應用，可以為用戶提供文件控制庫和機床，讓用戶按照自身實際需求，實現對應的組合或者是用戶自定義機床、編寫相應的控制文件，獲取對應的仿真環境和具體的加工過程。

4.2 加工仿真步驟與實際的應用

使用VERICUT Machine Simulation系統進行機床加工仿真時，其主要步驟包括：

第一，基于Machine Simulation軟件實現機床運動學模型的建立，這一步驟主要通過系統之中控制文件庫的直接調用，或者是針對文件進行修改之后使用，這樣可以滿足具體的設計需求。通過建模模塊實現對于機床幾何模型的建設，基于圖紙確定初始位置，從而形成工作、機床和控制等對應的文件。

第二，基于VERICUT Machine Simulation系統的使用，可以滿足毛坯與夾具的定義，在走道軌跡調入之后，可以針對其具體的文件和相關的刀具形狀加以明確，再結合參數的適當設置，滿足刀具軌跡的合理仿真處理。

此外，在Machine Simulation中，可以按照機床模型實現機床實體、毛坯實體、夾具相對應的添加，然后做好參數設定，這樣就可以同時開展機床運動以及刀具軌跡的仿真?；谙到y提供的LOG文件和仿真情況，合理修改刀具的軌跡文件和參數，直至仿真出來的產品完全符合具體要求[4]。

通過VERICUT Machine Simulation系統的使用，仿真Mikronwf72數控加工中心加工對于一個瓶子模型，其中，其控制器型號為Heidenhain415b型。通過仿真軟件的模擬，就可以不斷優化刀具軌跡文件和機床設施參數，在實際產品加工過程中，可以節約30%左右的加工時間，在滿足成本投入降低的同時，進一步提高經濟效益。

另外，針對AUTO-DIFF模塊，可以對比設計模型與加工模型之間的相互差異，明確理論設計零件與實際已經完成加工零件之間的區別，然后利用顯示方式和實際的誤差設定，找到仿真過程中可能出現的問題。針對系統中的Opti Path模塊，可以優化對應刀具軌跡，提高機床的實際利用率。

5 結語

隨著生產自動化、智能化以及數字化等水平的不斷提高，數控機床在工業生產領域的應用越來越廣泛，數控機床技術也在不斷更新換代中。其中，數控機床加工中的仿真技術應用就是一個突出的方面，主要是模擬數控機床加工的工作狀態以及具體的環境變化等，仿真技術以及軟件等在實際應用過程中，能夠統一管控數控機床加工接基本的操作狀態等，避免碰撞干涉等一系列安全問題出現，滿足數控機床安全使用效率的全面提高，進一步促進制造業的可持續發展。

參考文獻

[1] 顧剛.數控機床加工效率提升策略探討[J].中國新通信，2020，22（14）：232.

[2] 楊南.數控機床加工的虛擬仿真技術探討[J].現代制造技術與裝備，2020（4）：179，187.

[3] 文德林.數控機床車削加工技術應用[J].金屬加工（冷加工），2019（7）：64-67.

[4] 張明辰，王坤.數控機床加工中心技術研究[J].河南科技，2019（14）：66-68.