虛擬與真實(shí)的無(wú)縫連接實(shí)現(xiàn)精確的加工模擬，提高一次性加工成功率

　　隨著制造業(yè)的日趨成熟，數(shù)控加工技術(shù)的不斷普及和深化，CAM加工編程技術(shù)和CNC生產(chǎn)制造系統(tǒng)這兩個(gè)個(gè)體已經(jīng)不是制造業(yè)者最關(guān)心的熱點(diǎn)。如何優(yōu)化加工方法，提高生產(chǎn)力，降低成本，掌控制造的每個(gè)細(xì)節(jié)逐漸成為了大家討論的焦點(diǎn)。在今年機(jī)床展上，西門(mén)子展示了其通過(guò)整合其數(shù)控加工程序編制系統(tǒng)NX CAM和機(jī)床CN控制系統(tǒng)Sinumerik 840D，實(shí)現(xiàn)了CAM和CNC的集成，將制造規(guī)劃的虛擬環(huán)境與零件加工的現(xiàn)實(shí)世界精確地連接起來(lái)。
　　機(jī)械零部件的制造主要分為兩個(gè)部分，即運(yùn)用CAM技術(shù)支持的完成零部件制造規(guī)劃的虛擬環(huán)節(jié)，和CNC系統(tǒng)控制的實(shí)際生產(chǎn)階段。當(dāng)前，CAM已經(jīng)擁有了強(qiáng)大的技術(shù)功能，這在建模、裝配和工程圖紙等方面都有著卓越的表現(xiàn)，能夠提供高度集成的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)編程的能力。CNC系統(tǒng)也可以靈活的控制生產(chǎn)環(huán)節(jié)各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行工作。
　　西門(mén)子產(chǎn)品管理軟件公司大中華區(qū)高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)張振亞先生介紹說(shuō)：“一般來(lái)講，自動(dòng)編程是在計(jì)算機(jī)里完成的，我們把它稱(chēng)之為虛擬環(huán)境。而CNC是需要機(jī)床參與的現(xiàn)實(shí)環(huán)境或者是物理環(huán)境。這兩個(gè)環(huán)境本身是獨(dú)立的，但是這種獨(dú)立性會(huì)給制造過(guò)程帶來(lái)很多不便之處。由于CAM的NC代碼是需要由硬件設(shè)備、機(jī)床、控制系統(tǒng)來(lái)承接，它們之間的關(guān)系是無(wú)法割斷的。這兩個(gè)環(huán)節(jié)的剝離直接導(dǎo)致了系統(tǒng)、工藝和數(shù)據(jù)不能夠銜接。” 一般情況下都是用戶(hù)自己，以人為的方式把CAM和CNC連接起來(lái)。但是，這種方法會(huì)有一些弊端同時(shí)存在于兩個(gè)環(huán)境當(dāng)中。用戶(hù)不能確定在NC環(huán)節(jié)中所提供的代碼是否優(yōu)化，程序如果有誤，會(huì)直接影響CNC系統(tǒng)的讀取。通過(guò)CAM程序產(chǎn)生的NC代碼用于CNC實(shí)現(xiàn)，它的效率是不是達(dá)到最高？等等因素都會(huì)影響到我們所追求的目標(biāo)。如何才能把這兩個(gè)看似獨(dú)立又緊密聯(lián)系的環(huán)境優(yōu)化地聯(lián)結(jié)在一起，實(shí)現(xiàn)零件加工效率的最大化這一課題成為制造商亟待解決的問(wèn)題。西門(mén)子公司整合其N(xiāo)X CAM加工編程軟件系統(tǒng)和Sinumerik 840D數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，在NX CAM系統(tǒng)中通過(guò)內(nèi)置了Sinumerik 840D機(jī)床控制系統(tǒng)內(nèi)核的加工模擬、增強(qiáng)的刀軌處理、針對(duì)Sinumerik 840D機(jī)床控制系統(tǒng)的優(yōu)化輸出，實(shí)現(xiàn)了NC編程的優(yōu)化；而對(duì)于數(shù)控機(jī)床，則開(kāi)發(fā)了真實(shí)機(jī)床的軟件版本（即虛擬機(jī)床），可以在PC機(jī)上進(jìn)行機(jī)床操作的培訓(xùn)、驗(yàn)證等。從而實(shí)現(xiàn)了CAM與CNC的有機(jī)集成。
　　由于NX CAM系統(tǒng)中內(nèi)置了Sinumerik 840D控制系統(tǒng)的內(nèi)核，使得用戶(hù)在進(jìn)行三維加工操作模擬時(shí)，可以在計(jì)算機(jī)上獲得與機(jī)床上實(shí)際加工一樣精確的真實(shí)模擬，包括刀軌運(yùn)動(dòng)、加工循環(huán)、移動(dòng)速度、換刀，以及加工時(shí)間的精確模擬，從而可養(yǎng)活或消除試切加工，并可基于精確時(shí)間的模擬進(jìn)行加工計(jì)劃的調(diào)整，以及成本核算。NX CAM與Sinumerik 840D的集成，提供了優(yōu)化的后置處理，來(lái)激活和利用Sinumerik 840D控制系統(tǒng)的高級(jí)功能，將零件和模具加工的效率提升到更高的水平。　　
　　通過(guò)840D控制系統(tǒng)的內(nèi)核軟件、控制系統(tǒng)的用戶(hù)界面軟件，以及三維模擬軟件，用戶(hù)可以在計(jì)算機(jī)上虛擬出真實(shí)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)，用于機(jī)床操作培訓(xùn)、測(cè)試，以及裝夾準(zhǔn)備。整個(gè)虛擬環(huán)境的界面與真實(shí)機(jī)床操作界面完全相同，保持一致。張振亞先生表示：“這種一致性，使我們能夠非常清晰地從界面上了解CNC的運(yùn)動(dòng)，了解我們的程序是否符合CNC的運(yùn)動(dòng)規(guī)則，以及機(jī)床結(jié)構(gòu)，在程序指揮下能否正確地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的呈現(xiàn)以及質(zhì)量的預(yù)期。”
　　同時(shí)，西門(mén)子還將NX CAM編程功能與市場(chǎng)領(lǐng)先的Sinumerik 840D嵌入虛擬NC控制器內(nèi)核（VNCK）結(jié)合起來(lái)，制造商能夠用三維仿真驗(yàn)證加工操作，提高加工準(zhǔn)確性和完整性。通過(guò)這個(gè)集成解決方案，可以實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確的仿真，從而確保難過(guò)程的可靠性，并把對(duì)首個(gè)加工件試加工的需要降到最低程度，從而降低制造成本。　　

　　基于集成的VNCK虛擬NC控制器內(nèi)核，用戶(hù)可以在一個(gè)三維實(shí)體裝配模型中驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，完全在NX CAM里面對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證NC驅(qū)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)行。在這種情況下，編程人員用NX CAM來(lái)對(duì)程序的刀具路徑進(jìn)行后處理，把后處理的輸出發(fā)送到嵌入的Sinumerik控制器內(nèi)核，對(duì)NC程序進(jìn)行驗(yàn)證。然后，控制器內(nèi)核會(huì)像在一臺(tái)真實(shí)機(jī)床上一樣處理數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)三維機(jī)床模型顯示仿真。
　　通過(guò)先進(jìn)的仿真，編程人員能夠檢查和驗(yàn)證所有的加工操作，包括計(jì)算出的刀具路徑運(yùn)動(dòng)以及機(jī)床的控制器驅(qū)動(dòng)加工周期，從而提供非常準(zhǔn)確的周期時(shí)間預(yù)測(cè)，確保驗(yàn)證過(guò)程的可靠性。這些加工周期和特殊移動(dòng)往往很難用傳統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)來(lái)仿真，因?yàn)樗鼈円笤敿?xì)了解控制器實(shí)際執(zhí)行這些周期的方法。
　　在仿真過(guò)程中，用戶(hù)可以利用一體化解決方案先進(jìn)的干涉與碰撞檢查工具來(lái)確保路徑質(zhì)量，包括刀具路徑的準(zhǔn)確性，以及刀具路徑的總體完整性，并快速完成工裝布局和設(shè)計(jì)變更，實(shí)現(xiàn)靈活的過(guò)程細(xì)化，把對(duì)首個(gè)工件試加工的需要減少到最低程度，提高零件加工生產(chǎn)率。西門(mén)子（中國(guó)）工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)運(yùn)動(dòng)控制部機(jī)床應(yīng)用中心經(jīng)理王剛先生說(shuō)：“西門(mén)子虛擬仿真的技術(shù)關(guān)鍵在于虛擬技術(shù)基于西門(mén)子的數(shù)控內(nèi)核，不僅因?yàn)樗梢苑抡鎻?fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，更重要的是所有運(yùn)動(dòng)的指令源于NCK。這樣實(shí)現(xiàn)了真正意義的仿真。由于VNCK的存在，所有數(shù)控參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)參數(shù)均可發(fā)揮作用，不僅模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，還可以模擬機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性。”
　　虛擬仿真是由一個(gè)虛擬的NC控制器驅(qū)動(dòng)，對(duì)整臺(tái)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全面地仿真。它可以支持控制器、供應(yīng)商以及用戶(hù)的周期或者子計(jì)劃。并且在實(shí)體對(duì)象和間隙包絡(luò)之間進(jìn)行碰撞檢測(cè)仿真。不僅如此，系統(tǒng)還可以輸出機(jī)床的絕對(duì)坐標(biāo)和局部坐標(biāo)，用實(shí)際機(jī)床數(shù)據(jù)來(lái)確保最大準(zhǔn)確性。
　　利用傳統(tǒng)的驗(yàn)證工具，車(chē)間需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)一步一步地在機(jī)床上檢查新的程序，包括進(jìn)行完整的設(shè)置。這種方法非常耗時(shí)，迫使機(jī)床和操作者執(zhí)行非生產(chǎn)性任務(wù)，從而也大增加生產(chǎn)成本及人成本。
　　虛擬控制器驅(qū)動(dòng)的仿真非常真實(shí)，因此評(píng)估機(jī)床的總體配置和運(yùn)動(dòng)將反映真實(shí)機(jī)床的確切運(yùn)動(dòng)特性和速度剖面，從而用非常精確的加工周期來(lái)促進(jìn)驗(yàn)證。不僅如此，該方法還可以確保機(jī)床選擇完全適合用戶(hù)的制造規(guī)劃過(guò)程。通過(guò)這種方式，用戶(hù)可以在很多情況下減少甚至完全避免分步式手動(dòng)檢查及調(diào)適。張振亞先生表示：“這種在現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下的虛擬環(huán)境進(jìn)行編程，把虛擬機(jī)床的結(jié)構(gòu)完全引入到CAM的軟件編程過(guò)程當(dāng)中，使這樣的一個(gè)環(huán)節(jié)變成軟件編程的一個(gè)末端，一個(gè)檢測(cè)的部分，使用戶(hù)能夠充分的預(yù)期在CNC里面結(jié)果。”
　　另外，推動(dòng)虛擬加工技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)先行者DMG（德馬吉）也有自己的階段性成果。DMG中國(guó)產(chǎn)品經(jīng)理，資深五軸加工專(zhuān)家陸俊杰先生向記者介紹說(shuō)：“DMG在2007年就提出了自己的虛擬制造機(jī)床概念，而DMG這一虛擬機(jī)床的概念并不僅僅是基于一般意義上CAD/CAM軟件的制造仿真，而是要實(shí)現(xiàn)100%精確的虛擬制造。而早先虛擬制造的瓶頸是對(duì)加工時(shí)間的模擬，往往和真實(shí)的加工時(shí)間有50%-60%的誤差。”
　　如今，DMG 的Visual Machine軟件是真正意義上的實(shí)現(xiàn)了虛擬制造的工具。陸俊杰指出：“Visual Machine的好處很明顯，首先，工程師不僅可以在CAD/CAM軟件中生成數(shù)控程序，還可以在桌面級(jí)電腦上直接對(duì)相關(guān)機(jī)床完成NC編程。因?yàn)樵陔娔X中，所有虛擬機(jī)床的執(zhí)行運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)都和真實(shí)機(jī)床是完全一致的，包括XY軸的定位，各種刀具庫(kù)的調(diào)用細(xì)節(jié)，程序失誤造成刀具和機(jī)床的碰撞報(bào)警，過(guò)載保護(hù)等都會(huì)得到實(shí)時(shí)的仿真呈現(xiàn)。另外，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)的5軸數(shù)控加工設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)碰到一些臥式加工件，比如某箱體結(jié)構(gòu)加工工序非常復(fù)雜的情況，尤其要考慮到特種刀具的選擇，卡具的定位等，這時(shí)，工程師通常只能放棄自動(dòng)數(shù)控編程，而選擇手動(dòng)編程。這樣的話(huà)，整個(gè)將復(fù)雜的工序拆開(kāi)，實(shí)現(xiàn)NC編程，并在機(jī)床樣機(jī)上驗(yàn)證每部分的工藝正確性，這需要對(duì)機(jī)床有相當(dāng)長(zhǎng)的占用時(shí)間。例如一個(gè)時(shí)效為2小時(shí)的加工設(shè)計(jì)，至少要用一至兩周的時(shí)間完成NC編程優(yōu)化。這樣對(duì)機(jī)床樣機(jī)的占用時(shí)間是非常長(zhǎng)的。而用了Visual Machine軟件，所有驗(yàn)證工作都是在實(shí)時(shí)仿真的環(huán)境下完成的，這里將不再存在對(duì)機(jī)床的占用問(wèn)題。”
　　Visual Machine軟件最重要的價(jià)值體現(xiàn)在對(duì)工時(shí)的精確估計(jì)上。因?yàn)檐浖杏写罅空鎸?shí)的機(jī)床數(shù)據(jù)，甚至包括換刀機(jī)械手動(dòng)態(tài)動(dòng)作，冷卻液管的動(dòng)態(tài)外形，這讓虛擬機(jī)床達(dá)到和真實(shí)機(jī)床100%的仿真映射關(guān)系。在這種條件下，虛擬加工的工時(shí)計(jì)算與真實(shí)情況的誤差為每百小時(shí)僅1秒。這在原來(lái)是根本無(wú)法想象的。
　　據(jù)陸俊杰經(jīng)理介紹：現(xiàn)在Visual Machine軟件支持DMG的所有西門(mén)子（SIEMENS）、海德漢 (HEIDENHAIN)機(jī)床設(shè)備。但由于虛擬加工的仿真設(shè)計(jì)在理論上和具體加工機(jī)床的參數(shù)有明顯的關(guān)聯(lián)性。所以目前對(duì)于DMG以外的產(chǎn)品還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。