數控加工仿真技術發展現狀與趨勢

高 菁

天津機電職業技術學院

數控加工仿真技術發展現狀與趨勢

高 菁

天津機電職業技術學院

隨著經濟的迅速發展，客戶對于產品的需求也日漸多樣化，生產廠家為順應時代的發展和客戶需求，需要大幅度減短產品的研制周期，對于產品的零部件業，其越來越復雜，近幾年越來越多的公司引入仿真技術，以提高產品競爭力。通過研究數控加工在仿真技術中的應用，改善制造業的加工質量，提高加工效率，對于我國現代制造業的發展有著重要的意義。

數控加工；仿真技術；應用

1 數控加工仿真的主要目的包括

1.1 檢驗數控加工程序是否有過切或欠切。通過數控加工仿真，可用幾何圖形、圖像或動畫的方式顯示加工過程，從而檢驗零件的最終幾何形狀是否符合要求，目前主流的CAD/CAM軟件中都具備數控加工軌跡模擬及過切、欠切的分析功能。

1.2 碰撞干涉檢查。通過數控加工仿真，可以檢查數控加工過程中刀具、刀柄等與工件、夾具等是否存在碰撞干涉，以及檢查機床運動過程中主軸是否與機床零部件、夾具等存在碰撞干涉，從而確保能加工出符合設計的零件，并避免刀具、夾具和機床的不必要損壞。

1.3 切削過程中的力熱仿真。近年來，隨著仿真技術的發展及實際生產的需要，對加工過程中產生的力、熱等物理量的分析受到越來越多的關注。通過仿真切削過程中力、熱等物理量，可以對加工過程中的受力狀態、熱力耦合、殘余應力等進行分析，從而為加工過程控制、切削參數優化等提供參考。

1.4 切削參數優化。數控加工過程仿真的重要目的之一是切削參數優化，即通過數控加工過程的仿真，發現現有軌跡中存在的問題以及參數設置有待提升的部分，從而對切削參數進行優化以提高加工效率。

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

其中，針對過切、欠切和碰撞干涉檢查的仿真通常稱為幾何與運動仿真，主要是檢查數控加工過程中的幾何量及運動關系是否正確；力熱仿真與刀具磨損的預測等通常稱為物理仿真，主要是用于仿真數控加工過程中物理量，并可以對加工后的工件變形與質量進行分析。

2 數控加工中幾何仿真

幾何仿真系統是將數控機床、刀具、工件和夾具組成的工藝系統當作一個剛性系統，不考慮系統的各種物理因素而建立的仿真系統，對加工過程進行直觀動態圖形描述和精度檢驗。幾何仿真方面主要分為兩類：不帶機床的軌跡驗證和帶完整機床的軌跡驗證。不帶機床的軌跡驗證主要用于檢驗CAM軟件中軌跡的正確性，并對加工過程中可能出現的過切或欠切、碰撞干涉等進行判斷。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等數控加工仿真軟件都具備較為成熟的軌跡驗證功能，這一仿真技術發展已較為成熟。帶完整機床的軌跡驗證除了可以對加工軌跡本身的正確性進行驗證外，還可以對機床的運動過程、潛在的機床碰撞等進行分析。加工過程中，一旦發生碰撞事故，不僅維修難度大、費用高，延誤生產計劃，造成嚴重經濟損失，更會對機床操作工人的人身安全帶來威脅。因此，數控機床運動的防碰撞成為了數控加工的關鍵問題之一。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等數控加工仿真軟件都具備帶完整機床的仿真功能。通過對完整加工環境的建模與配置，可以實現對加工過程的仿真上述軟件的仿真過程通常為離線仿真，針對數控機床加工現場的諸多不確定性因素，西安交通大學發展了一種對數控加工碰撞干涉檢測的在線監測方法，開發了數控機床在線運動防碰撞系統。該系統建立了虛擬數控機床，通過從數控機床編碼器中實時獲取數控機床運動信息進行在線運動仿真，實現對碰撞干涉的檢測。這是數控加工過程幾何仿真的一種新發展。

3 數控加工仿真技術存在問題

3.1 幾何模型的準確性。目前的仿真技術中，刀具的幾何模型通常采用簡化的三維模型進行仿真計算這導致在仿真精度上受到很大的影響。同時，準確計算多軸加工過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 基礎切削數據庫支持。幾何與物理融合的仿真技術已成為數控加工仿真技術的重要仿真方向，為進行復雜加工過程中的仿真與預測，通常需要大量的基礎切削數據支持。這些數據包括：刀具和工件材料的基礎數據、基于真實試驗的基礎切削數據(力、熱、應力數據等)。這些基礎數據的完整性與準確性對切削加工過程的物理仿真，以及幾何與物理融合仿真的準確性有著重要作用。

3.3 更多真實物理因素的仿真與預測。在實際加工過程中，仍有很多對加工過程有重要影響的因素尚未被充分反映到目前的仿真系統中。例如，在真實安裝過程中，刀具一般會存在或多或少的偏心，而偏心的尺度通常會接近甚至超過切削過程中未變形切屑的厚度。這將嚴重影響銑刀的每齒負載并造成崩刃或加速磨損，導致實際加工結果和預測結果差距較大。因此，考慮到更多對加工過程有重要影響的真實物理因素會對仿真精度的提高有重要作用。

4 數控加工仿真技術的融合發展

從幾何仿真與物理仿真的發展及涉及到的關鍵技術可以看出，兩種仿真方式由于計算量的差別一般相對獨立發展。然而，隨著加工技術的發展，對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合，并達到實時的仿真速度與精度成為數控加工仿真技術發展的重要方向。近年來，工業界與學術界針對幾何與物理的集成仿真開展了大量研究工作，取得了重要進展。數控加工過程仿真技術的發展已經從單純的幾何與運動仿真發展到了幾何與物理融合仿真。

結束語

隨著經濟的迅速發展，客戶對于產品的需求日漸多樣化，生產廠家為順應時代的發展和客戶需求，需要大幅度減短產品的研制周期。近幾年越來越多的公司引入仿真技術，以提高產品競爭力。

[1]武珍平.數控加工中仿真技術的應用[J].品牌(下半月)，2015(1)：195.

[2]王學升.淺談數控仿真軟件在實際生產加工中的應用[J].甘肅冶金，2015(3)：144-147.