数控机床加工仿真技术及应用

数控机床加工仿真技术及应用李军锋席平摘要：本文简要论述了数控机床加工仿真技术的意义及其研究现状，介绍了目前国外成熟的数控机床加工仿真软件VERICUT并且充分应用这种软件的各项功能进行了具体的机床加工仿真和干涉检查及代码优化。关键字：数控加工加工仿真干涉优化一、概述数控加工是一个自动过程，需要工艺人员事先确定加工过程的工艺流程。在制订流程的过程中，工艺人员不仅需要考虑各种加工工艺因素，同时还要考虑到干涉问题。由于零件形状是空间三维形状，机床是几轴联动，在加工过程中，加工参数的选择是否合理、零件与机床干涉否、是否存在过切等现象既相互关联又各自遵循自己的变化规律。因此工艺人员难以以现有的分析计算手段，优化工艺流程。所以必须要给技术人员提供一套能分析、计算的可视化环境，能制定、优化工艺流程的辅助手段，以达到提高产品质量，缩短制造周期的目的。为此迫切需要应用相对成熟的仿真技术对产品的数控加工过程进行真实加工前的观察，以便及时发现和尽快解决问题，避免造成不必要的损失。二、数控加工仿真技术的研究现状为确保数控程序的正确性，在生产中，常采用易切削的材料代替工件进行试切，检验加工指令。也有采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹）。但这些方法费工费料，使生产成本上升，增加了生产周期。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。从试制环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。根据在仿真过程中的数据驱动是采用CL（CutterLocation，即刀位）数据还是采用NC代码，数据加工仿真可分为两类：一类是基于后置处理前的数据（CL数据）所进行的仿真，即基于CL数据的数控加工过程仿真；另一种是基于后置处理所产生的NC序而进行的仿真，即基于NC程序的数控加工过程仿真。基于CL数据的仿真不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响，只仿真工件刀具的运动，主要目的是检验刀位轨迹的正确性，以保证零件的加工质量。这类仿真方法开展的比较早，到目前为止已有一些比较成熟的思想和商品化软件。基于NC程序的仿真的主要用途则可以概括为三方面：NC程序的正确性检验与优化、操作工培训、碰撞检验。由于驱动数控机床运动的是NC指令，所以基于NC程序的加工过程仿真比基于CL数据的加工过程仿真更接近实际，但也由于在仿真过程中考虑了加工环境，从而增加了仿真难度。目前数控加工仿真的研究大量集中在刀具轨迹方面，对于三坐标以下的零件加工来说，效果是令人满意的。但是对于三坐标以上的数控设备来讲，仅仅检查刀具轨迹是不够的，还需对机床加工过程进行仿真，以检验加工过程中刀具过切、刀具与夹具及机床的碰撞等，此外,在机床应用效率方面，也须考虑刀具加工文件的优化问题，以便在保证产品质量的情况下提高零件加工效率和机床的利用率.国内对于数控机床加工仿真的研究主要在具体应用对象方面，在具体的技术实现上也主要是应用OpenG事示动画技术，也有很少是应用部分CAD/CA嶙统的仿真模块实现的，如UG系统的Unisim模块。但在机床加工仿真的通用性方面，做的研究相对较少。三、机床仿真系统1、VERICUT系统该系统是应用最为广泛的数控加工仿真软件，它不仅可以模拟数控代码查证步骤，还可以最大限度的提高去料切削效率。TER1CUT加工作形心零件图1应用VERICUTS证刀具轨迹的过程VERICUT交互的模拟数控加工轨迹代码的去料切削运动的。VERICUT模拟的部分将可视的显示在计算机屏幕上，验证刀具轨迹的精度并确保经验证的部分达到设计标准。在正式的加工开始之前，VERICUT发现那些阻碍加工过程的矛盾并且确认出可靠的加工轨迹序列号以便迅速便捷的修改。几乎所有形式的刀具轨迹代码都可以作为VERICUT勺输入程序。M&G弋码与APT形式的CL文件一样，都可以被VERICUT接执行。类似于真实加工的是，VERICUT需要走刀轨迹代码，需要对于被加工的原材料的描述，也需要对于切削刀具的描述.这个验证过程的结果之一是一个加工过的（三维）固体模型-即产品；之二是一个报告一在模拟加工过程所监测到的所有错误的日志文件。而且，VERICUT的模型可以被检测，保存或用来作为其他走刀轨迹的原材料。除了简化并使验证过程更有效率之外，VERICUT还大大的提高了工厂的生产率。在VERICUT中的优化设置是自动化的，并且是用户可选择的。这让用户可以使去料切削效率最大。基于切削深度，切削宽度，切削角度，每一刀具轨迹的进给速度和切削速度都被调节到最佳。事实上，你甚至可以为你的操作设置VERICUT行刀具补偿或其它一些独一无二的设置。VERICUTM以模拟直至5轴的铳削、钻孔或线框ED僦作，也可以模拟车削和铳车组合的加工运动。由于有了一系列增加特征与机械性的专用模块，VERICUT真的是一个全方位的模拟、验证、优化的方法。这种方法可以很好的解决提高数控加工效率的问题。2、VERICUTMachineSimulation系统VERICUTMachineSimulation系统是目前数控加工仿真软件中功能最强大，对机床的使用、控制过程的模拟最易实现的一个。图2使用VERICU斥日MachineSimulation的验证系统VERICUTMachineSimulation系统主要的功能是解释可识别的数控代码（G-代码）文件，并且可见地模拟机床按照A代码进行加工的过程。一些较为复杂的数控加工技术，如刀具直径补偿、刀具长度补偿、加工坐标系等都可以进行仿真。在真正开始加工之前，MachineSimulation可以发现机床和工件之间潜在的碰撞，这些碰撞往往会造成一定的经济损失；还可以发现过行程等令人头疼的问题，并且识别出最可靠的高速模式加工轨迹，方便地进行调节。在MachineSimulation中数控代码模块负责查找错误，并在错误表列里一一列出，作为参考之用。MachineSimulation系统通常与VERICUT系统及其它验证软件一起使用，这样的结合可以得到功能最全面的一个验证系统。在该系统中，MachineSimulation模拟机床运动，探测机床碰撞及过行程等错误，而VERICUT模拟工件切割过程，检验数控代码的正确性。这就为数控加工过程提供了全面的错误检测系统，使加工过程的效率达到了最高。除了机床和控制过程的仿真，MachineSimulation还提供不同类别数控代码的转换技术，它可以把一些陈旧的不能使用的数控代码转化为标准的AS8APT刀具轨迹文件。这种通用的APT刀具轨迹文件可应用于大多数通用数控机床，或者用VERICUT行仿真。系统应具备有关数控机床的物理特性的信息，还应该具有用数控命令解释数控代码的能力，这两者决定了系统可以控制模拟仿真的全过程。软件本身还为用户提供了机床和控制文件库，用户可根据自己的需要任意进行组合得到所需的加工系统。同时还允许用户自己定义机床，编制控制文件，得到自己希望的仿真环境和过程。它的主要模块和功能有：（1）机床构建器机床构建功能为修改现有的数控机床和控制指令提供了工具，同时也可以利用它根据仿真环境的需要添加新的设备。这些“数字”设备以可见的图形方式在一个简单却功能强大的用户界面下被组装、修改和测试。在MachineSimulation中可以用实体模型（如长方体、圆柱体、圆锥体等体素）或从CAD系统引入的其他模型（如IGES模型、线框模型）来对机床的部件（如直线运动或旋转的工作台、主轴、夹具、夹子等等）以及其他一些细节进行描述。程序还提供了各种方法来实现一些更高级的功能，如刀具直径补偿、刀具长度补偿、加工坐标系、计量长度编程、变量编程、宏指令、子程序等等。机床构建器还可以将标准的AS8数控代码转化成其他形式的代码。通过转化格式，使得一些陈旧的或者存在问题的数控程序被重新利用成为可能，这就大大节省了机床的耗费和程序员的时间。直接把旧的刀具轨迹程序转化并运行于一个适合目前需要的机床/控制组合，也远胜于重新编辑旧的程序。在日志文件可以显示原先的数控代码与转化后运行情况之间的关系。（2）机床开发工具箱当MachineSimulation的功能对于大多数数控模拟都较为理想时，机床开发工具箱可以满足一些特殊的仿真和加工要求。这个模块是一个高层面的编程工具。它可以提高VERICUT解读复杂的和特殊的数控代码的能力，来满足一些特殊的需要。机床开发工具箱提供编程工具和方法首先需要定义VERICUT军读数控代码所需要的宏，然后宏被编译到与标准文件库相连的目标文件中，这样就得到一个新的CGTech可执行宏文件，又称“CM或件”。有了机床开发工具箱，任何来源的数控代码都可以解读，或者被转化成其他的形式输出。(3) AUTO-DIFFAUTO-DIFF功能主要用于比较设计模型的数据与VERICUTW件的同异，从而快速的识别出设计的和模拟的切割部分的差别。AUTO-DIFF就是要通过在实际加工之前检测发现问题来减少数控加工过程的总成本。AUTO-DIFF可以比较从CAD系统引入的仿真模型与设计的剖面模型的几何特性。通过比较IGES准确数学描述的模型和用于仿真的模型，VERICUT系统对错误的检测可以达到相当高的精度。有了AUTO-DIFF的比较，加工中留在工件上的诸如切削不足或过切的部分就可以自动的识别并显示出来。AUTO-DIFF在节省了生产时间和成本的同时，也提高了首轮加工的质量。(4) 几何工具包几何工具包可以将各种CAEa据转化成STL文件或者其他CGTech产品可用的文件。还可以修复存在问题的模型文件，或从表面模型生成实体模型。这一功能可以使那些没用或应用有限的模型转化成可利用的如组件、夹具等实体，还可以转化为CGTech产品及其它应用软件可利用的设计模型。(5) 数控最优化数控最优化功能包括数控验证的全部功能，而且还可以根据不同材料的进给率和机床转速来优化数控加工轨迹，检验刀具根部和刀柄的碰撞，进一步提高机床的利用率。四、一个实例应用Vericut机床仿真系统进行一般的机床加工仿真，需要首先通过MachineSimulation系统建立机床运动学模型，系统提供部分控制文件库供使用者调用或修改以满足定制要求，然后利用建模模块建立机床的几何模型，按照图纸设定机床初始位置形成相应的控制文件、机床文件和工作文件。其次，通过Vericut系统定义夹具和毛坯，调入走到轨迹，定义刀具形状和文件，设定相应的参数即可进行刀具轨迹的仿真。再次，在Vericut系统中进入MachineSimulation,按照机床模型添加机床实体，夹具和毛坯实体，设定相应的参数，即可同时进行刀具轨迹和机床运动仿真。按照仿真的状况和系统提供的LOG文件可以修改相应的刀具轨迹文件和部分参数，直至仿真完全达到要求为止。此外，还可以利用系统提供的AUTO-DIFF模块进行加工后模型和设计模型的比较以进一步比较仿真加工出的零件与理论设计的零件之间的差异，通过设定误差和显示方式来探测仿真中存在的过切和欠切情况；利用系统提供的OptiPath模块来优化刀具轨迹，提高加工效率和机床利用率。利用系统提供的二次开发功能识别和仿真特殊的刀具轨迹等等。以下利用该系统仿真Mikronwf72数控加工中心加工一个瓶子模型的实例，控制器为Heidenhain415b型.经过验证后和优化后的刀具轨迹文件以及机床设置参数，在实际的加工过程中，完全可用并且加工时间节省了30%IzhmElrlW心k4由C7!diruMwk.T：:-LKELL3T：mtlKlIS-y虹Ajlipl1rflf15豚jigfcHzH|jtcsfc43CUWEIB4.,.，*、“图3有MachineSimulation的VERICU切具轨迹仿真系统参考文献：1、乔咏梅2、陈志伟3、李小平1995.10张定华数控仿真技术的回顾与评述国外NC加工仿真技术的现状分析段正澄数控加工过程仿真系统的研究计算机辅助设计与图形学报成组技术与生产现代化1996.6制造业自动化2000.24、Vericut技术手册CGTECH公司单位：北京航空航天大学Email:ljf619Tel:13910019495,82317730