數控機床加工仿真技術及應用

莊新宇

【摘 要】本文主要闡述了數控機床加工仿真技術及其研究現狀，介紹了目前國外成熟的數控機床加工仿真軟件VERICUT，并且充分應用這種軟件的各項功能進行了具體的機床加工仿真，對于越來越復雜的產品的零部件業，主要闡述了數控加工仿真軟件的運用，著重介紹了機床仿真VERICUT系統，Machine Simulation系統，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。

【關鍵詞】仿真技術；數控機床加工；應用

一、前言

仿真技術是一種新型的采用數學模型或者物理模型代替真實系統，尤其是對復雜系統進行相關研究與設計的工具，而且十分有效。而數控加工仿真技術就是在零件的數控加工中加入計算機仿真技術。作為一種新型先進的計算機人機交互技術，數控加工仿真技術利用計算機圖形學結合可視化技術而創造人為虛擬環境，實現對現實數控加工工藝系統環境的模擬。

二、仿真技術在數控機床加工中的應用現狀

數控加工是一個自動化過程，需要工匠事先確定工藝流程。在制定過程中，工匠不僅要考慮各種過程因素，還要考慮干擾問題。由于零件的形狀是空間中的三維形狀，所以機床由多個軸鏈接。在加工過程中，加工參數的選擇是否合理，零件是否與機床產生干涉，是否存在過切等，都是相互關聯的，并遵循各自的變化規律。因此，工匠難以用現有的分析計算方法優化工藝流程。因此，技術人員必須具備可分析計算的視覺環境，能夠制定和優化工藝流程的輔助手段，從而達到提高產品質量，縮短制造周期的目的。因此，應用比較成熟的仿真技術，在實際加工前觀察產品的數控加工過程，以盡快發現并解決問題，以避免不必要的損失。

在正常情況下，我們試圖通過試用和切割來確保數控程序的準確性，用易于切割的材料替換工作中的設備。通過這種方法，加工指令可以得到更全面的測試，同時在數控加工中軌跡顯示法也是一種常用的方法。這些方法存在一些明顯的缺點，如費時費力等，這必然會導致企業生產成本增加，從而延長整個產品的開發周期。目前，模擬技術在數控加工中的應用受到了廣泛關注。具體來說，它是指在實際工作中對機床加工條件的模擬，并通過計算機模擬技術來實現。有些學校已經開設了相關課程。本課程的建立培養了一批優秀的專業人才，為學生進入企業工作奠定了良好的基礎。

幾何模擬技術的發展隨著幾何建模技術的發展而發展，包括定性圖形顯示和定量干涉驗證。常用的方法有直接實體建模法，基于圖像空間的方法和離散矢量交叉法。根據在模擬過程中驅動的數據是使用CL（CutterLocation）還是NC代碼，數據處理仿真可以分為兩類：一類是基于預處理數據（CL數據）的仿真，即基于CL數據的數控加工過程仿真；另一種是基于數控程序仿真產生的后處理，即基于NC程序的數控加工過程仿真。基于CL數據的模擬沒有考慮到切削參數，切削力和物理因素的影響。只有工具在工件上的運動被模擬。主要目的是驗證刀具路徑的正確性并確保零件的加工質量。這種模擬方法較早開發。到目前為止，有一些成熟的想法和商業軟件。數控程序仿真的主要目的可以歸納為三個方面：數控程序的正確性測試和優化，操作員培訓和碰撞測試。由于數控機床移動NC指令，基于NC過程的加工仿真比基于CL數據的加工過程仿真更接近實際。但是，由于在仿真過程中考慮了加工環境，所以增加了仿真難度。目前，數控加工仿真的研究主要集中在刀具軌跡上，對三坐標以下零部件的加工效果較好。

但是，對于坐標超過三個的CNC設備，僅檢查刀具路徑是不夠的。還有必要模擬加工過程以檢查刀具過切，刀具與夾具之間的碰撞以及機床。另外，機床在應用效率方面還需要考慮刀具加工文件的優化，以提高零件加工效率和機床利用率，同時保證產品質量。通過在加工和生產過程中引入仿真技術，保證數控加工產品的精度，大大縮短產品開發周期，提高產品質量，全面提高企業競爭力。

三、機床仿真VERICUT系統

在數控加工過程中，根據具體制造要求對基礎試驗環境進行建模和研究。仿真技術可用于模擬數控切削過程中的機械和幾何部件。這主要是由于幾何模擬。不需要考慮切削力，切削參數等物理參數，進一步保證了刀具軌跡仿真中幾何運動的合理性和程序系統運行的準確性。在數控機床加工仿真技術的實踐中，可以對數控加工的環境，狀態和基本流程進行模擬和演示，以防止由于不正確的操作程序而導致夾具損壞，報廢零件損壞等問題。數控加工和零部件制造可進一步縮短產品設計時間和縮短產品制造時間，降低成本并提高產出效率。實現了數控加工中零件切削應用的機械原理模擬。根據動態特性，預測切削參數，刀具振動和斷裂，并優化整個切削過程。

機床仿真VERICUT系統是應用最廣泛的數控加工仿真軟件。它不僅可以模擬數控代碼的驗證步驟，而且可以最大限度地提高材料的切割效率。

VERICUT是一種模擬NC加工軌跡代碼的交互式材料切割運動。VERICUT仿真部件將在計算機屏幕上直觀顯示，驗證刀具路徑的準確性，并確保驗證部件符合設計標準。在正式處理開始之前，VERICUT發現了阻礙處理的矛盾，并確認了處理軌道的可靠序列號，以便快速和容易地修改。幾乎所有形式的刀具路徑代碼都可以用作VERICUT的輸入程序。M&G;代碼與CL文件的APT形式一樣，可以由VERICUT直接執行。與真實加工類似，VERICUT需要軌跡代碼，要加工的原材料的描述以及刀具的描述。該驗證過程的結果之一是作為產品的加工（三維）實體模型。第二個是報告在模擬過程中檢測到的所有錯誤的日志文件。此外，VERICUT模型可被檢測，保存或用作其他通行證的原材料。

除了簡化和提高驗證過程的效率之外，VERICUT還大大提高了工廠的生產力。VERICUT中的優化設置是自動的和用戶可選擇的。這允許用戶最大限度地提高切割效率根據切削深度，切削寬度和切削角度，將每個刀具路徑的進給速率和切削速度調整到最佳狀態。事實上，您甚至可以將VERICUT設置為刀具補償或其他獨特設置以進行操作。VERICUT可以模擬多達5軸銑削，鉆孔或線框電火花加工，以及車削和銑削組合的加工運動。由于增加了特征和機制的一系列特殊模塊，VERICUT實際上是一套全面的模擬，驗證和優化方法。這種方法可以很好地解決提高數控加工效率的問題。

四、Machine Simulation系統

VERICUT-MACHINE仿真系統是數控加工仿真軟件中功能最強大的工具。這是使用機床和模擬控制過程中最容易實現的一個。圖2使用VERICUT和機器模擬的驗證系統VERICUT機器模擬系統的主要功能是解釋可識別的NC代碼（G代碼）文件并可視化模擬機器的G代碼處理。可以模擬一些更加復雜的數控加工技術，如刀具直徑補償，刀具長度補償和加工坐標系。Machine Simulation可以在實際開始加工之前檢測機器和工件之間的潛在碰撞。這些碰撞往往會造成一定的經濟損失。也可以找出一些超程的頭疼問題，并找出最可靠的高速加工路徑。Machine Simulation中的CNC代碼模塊負責查找錯誤并將其列在錯誤列表中以供參考。

Machine Simulation系統通常與VERICUT系統和其他驗證軟件一起使用。這種組合產生了最全面的驗證系統。在這個系統中，Machine Simulation模擬機器的運動并檢測機器碰撞和超程等錯誤。VERICUT模擬切割工件并驗證NC代碼的正確性。這為數控加工過程提供了一個全面的錯誤檢測系統，最大限度地提高了加工過程的效率。除模擬機床和控制過程外，Machine Simulation還提供不同類型的NC代碼轉換技術。它可以將一些舊的無法使用的NC代碼轉換為標準的ASCAPT工具路徑文件。這種多用途的APT刀具路徑文件可以應用于大多數通用數控機床或使用VERICUT進行模擬。

系統應該具有關于數控機床物理特性的信息，并且還應該能夠用數字控制命令解釋NC代碼，這兩者都確定系統可以控制整個模擬過程。該軟件本身也為用戶提供機床和控制文件庫。用戶可以根據自己的需要任意組合以獲得所需的處理系統。它還允許用戶定義自己的機床，編譯控制文件，并獲得他們自己想要的模擬環境和過程。

其主要模塊和功能是：

（一）機器制造商

機床結構功能為修改現有的數控機床和控制指令提供了工具，也可以根據仿真環境的需要增加新的設備。這些數字設備以簡單而強大的用戶界面以圖形化方式進行組裝，修改和測試。在MachineSimulation中，您可以使用從CAD系統（例如IGES模型，線框模型）引入的實體模型（例如立方體，圓柱體，圓錐體和其他體素）或其他模型來處理機床組件（如線性運動或旋轉工作描述了表，心軸，夾具，夾具等）和其他細節。

（二）機床開發工具箱

當MachineSimulation的功能非常適合大多數數值模擬時，機器開發工具箱可以滿足一些特殊的模擬和加工要求。這個模塊是一個高級編程工具。它可以提高VERICUT解釋復雜和特殊NC代碼以滿足特定需求的能力。該工具開發工具包提供編程工具和方法。首先，您需要定義VERICUT需要解釋NC代碼的宏，然后將宏編譯到與標準文件庫連接的目標文件中。這導致新的CGTech可執行宏文件。調用CME文件。使用機床開發工具包，可以讀取任何來源的數控代碼或將其轉換為其他形式的輸出。使用這個系統來模擬Mikronwf72數控加工中心來處理一個瓶子模型的例子，控制器是Heidenhain415b型。經過驗證和優化的刀具路徑文件和機器設置參數完全可用，在實際加工過程中加工時間節省50%。

由于加工操作中技術等限制因素的影響較大，將模擬技術應用于數控機床的加工過程中，可以更加有效地實現過程管理和技術控制。數控加工是一個自動化程度高的過程，但是使用普通的計算機控制在數控機床加工中，系統的應用可以從手動操作實現到計算機操作。并且模擬技術在數控加工中的應用可以將相關數據輸入到計算機系統中，并預先設置處理流程和數據參數，使機械部件在加工過程中可以實現更有效的技術控制和產品加工質量。控制。在數控機床仿真技術的實際應用中，有必要綜合考慮加工工藝和操作流程等因素，確保零件不確定因素參數的合理設置，并防止零件由于參數而被處理。不正確的設置導致報廢。

五、結束語

綜上所述，本文分析了仿真技術在數控機床加工中的應用現狀，總結了Machine Simulation系統與VERICUT系統和其他驗證軟件一起使用的方法，為數控機床加工仿真技術及應用積累了技術經驗。

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