虛擬與真實的無縫連接實現精確的加工模擬，提高一次性加工成功率

　　隨著制造業的日趨成熟，數控加工技術的不斷普及和深化，CAM加工編程技術和CNC生產制造系統這兩個個體已經不是制造業者最關心的熱點。如何優化加工方法，提高生產力，降低成本，掌控制造的每個細節逐漸成為了大家討論的焦點。在今年機床展上，西門子展示了其通過整合其數控加工程序編制系統NX CAM和機床CN控制系統Sinumerik 840D，實現了CAM和CNC的集成，將制造規劃的虛擬環境與零件加工的現實世界精確地連接起來。
　　機械零部件的制造主要分為兩個部分，即運用CAM技術支持的完成零部件制造規劃的虛擬環節，和CNC系統控制的實際生產階段。當前，CAM已經擁有了強大的技術功能，這在建模、裝配和工程圖紙等方面都有著卓越的表現，能夠提供高度集成的設計和數據編程的能力。CNC系統也可以靈活的控制生產環節各類設備的運行工作。
　　西門子產品管理軟件公司大中華區高級技術顧問張振亞先生介紹說：“一般來講，自動編程是在計算機里完成的，我們把它稱之為虛擬環境。而CNC是需要機床參與的現實環境或者是物理環境。這兩個環境本身是獨立的，但是這種獨立性會給制造過程帶來很多不便之處。由于CAM的NC代碼是需要由硬件設備、機床、控制系統來承接，它們之間的關系是無法割斷的。這兩個環節的剝離直接導致了系統、工藝和數據不能夠銜接。” 一般情況下都是用戶自己，以人為的方式把CAM和CNC連接起來。但是，這種方法會有一些弊端同時存在于兩個環境當中。用戶不能確定在NC環節中所提供的代碼是否優化，程序如果有誤，會直接影響CNC系統的讀取。通過CAM程序產生的NC代碼用于CNC實現，它的效率是不是達到最高？等等因素都會影響到我們所追求的目標。如何才能把這兩個看似獨立又緊密聯系的環境優化地聯結在一起，實現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題。西門子公司整合其NX CAM加工編程軟件系統和Sinumerik 840D數控機床控制系統，在NX CAM系統中通過內置了Sinumerik 840D機床控制系統內核的加工模擬、增強的刀軌處理、針對Sinumerik 840D機床控制系統的優化輸出，實現了NC編程的優化；而對于數控機床，則開發了真實機床的軟件版本（即虛擬機床），可以在PC機上進行機床操作的培訓、驗證等。從而實現了CAM與CNC的有機集成。
　　由于NX CAM系統中內置了Sinumerik 840D控制系統的內核，使得用戶在進行三維加工操作模擬時，可以在計算機上獲得與機床上實際加工一樣精確的真實模擬，包括刀軌運動、加工循環、移動速度、換刀，以及加工時間的精確模擬，從而可養活或消除試切加工，并可基于精確時間的模擬進行加工計劃的調整，以及成本核算。NX CAM與Sinumerik 840D的集成，提供了優化的后置處理，來激活和利用Sinumerik 840D控制系統的高級功能，將零件和模具加工的效率提升到更高的水平。　　
　　通過840D控制系統的內核軟件、控制系統的用戶界面軟件，以及三維模擬軟件，用戶可以在計算機上虛擬出真實的機床運動，用于機床操作培訓、測試，以及裝夾準備。整個虛擬環境的界面與真實機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的運動，了解我們的程序是否符合CNC的運動規則，以及機床結構，在程序指揮下能否正確地實現產品的呈現以及質量的預期。”
　　同時，西門子還將NX CAM編程功能與市場領先的Sinumerik 840D嵌入虛擬NC控制器內核（VNCK）結合起來，制造商能夠用三維仿真驗證加工操作，提高加工準確性和完整性。通過這個集成解決方案，可以實現高度準確的仿真，從而確保難過程的可靠性，并把對首個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控制器內核，用戶可以在一個三維實體裝配模型中驅動其運動，完全在NX CAM里面對運動進行仿真，驗證NC驅動機床的運行。在這種情況下，編程人員用NX CAM來對程序的刀具路徑進行后處理，把后處理的輸出發送到嵌入的Sinumerik控制器內核，對NC程序進行驗證。然后，控制器內核會像在一臺真實機床上一樣處理數據，驅動三維機床模型顯示仿真。
　　通過先進的仿真，編程人員能夠檢查和驗證所有的加工操作，包括計算出的刀具路徑運動以及機床的控制器驅動加工周期，從而提供非常準確的周期時間預測，確保驗證過程的可靠性。這些加工周期和特殊移動往往很難用傳統驗證系統來仿真，因為它們要求詳細了解控制器實際執行這些周期的方法。
　　在仿真過程中，用戶可以利用一體化解決方案先進的干涉與碰撞檢查工具來確保路徑質量，包括刀具路徑的準確性，以及刀具路徑的總體完整性，并快速完成工裝布局和設計變更，實現靈活的過程細化，把對首個工件試加工的需要減少到最低程度，提高零件加工生產率。西門子（中國）工業業務領域驅動技術集團運動控制部機床應用中心經理王剛先生說：“西門子虛擬仿真的技術關鍵在于虛擬技術基于西門子的數控內核，不僅因為它可以仿真復雜機械結構的運動，更重要的是所有運動的指令源于NCK。這樣實現了真正意義的仿真。由于VNCK的存在，所有數控參數以及驅動參數均可發揮作用，不僅模擬機械結構的運動，還可以模擬機床的動態特性。”
　　虛擬仿真是由一個虛擬的NC控制器驅動，對整臺機床的運動進行全面地仿真。它可以支持控制器、供應商以及用戶的周期或者子計劃。并且在實體對象和間隙包絡之間進行碰撞檢測仿真。不僅如此，系統還可以輸出機床的絕對坐標和局部坐標，用實際機床數據來確保最大準確性。
　　利用傳統的驗證工具，車間需要花費大量時間來一步一步地在機床上檢查新的程序，包括進行完整的設置。這種方法非常耗時，迫使機床和操作者執行非生產性任務，從而也大增加生產成本及人成本。
　　虛擬控制器驅動的仿真非常真實，因此評估機床的總體配置和運動將反映真實機床的確切運動特性和速度剖面，從而用非常精確的加工周期來促進驗證。不僅如此，該方法還可以確保機床選擇完全適合用戶的制造規劃過程。通過這種方式，用戶可以在很多情況下減少甚至完全避免分步式手動檢查及調適。張振亞先生表示：“這種在現實狀態下的虛擬環境進行編程，把虛擬機床的結構完全引入到CAM的軟件編程過程當中，使這樣的一個環節變成軟件編程的一個末端，一個檢測的部分，使用戶能夠充分的預期在CNC里面結果。”
　　另外，推動虛擬加工技術發展的另一個先行者DMG（德馬吉）也有自己的階段性成果。DMG中國產品經理，資深五軸加工專家陸俊杰先生向記者介紹說：“DMG在2007年就提出了自己的虛擬制造機床概念，而DMG這一虛擬機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，而是要實現100%精確的虛擬制造。而早先虛擬制造的瓶頸是對加工時間的模擬，往往和真實的加工時間有50%-60%的誤差。”
　　如今，DMG 的Visual Machine軟件是真正意義上的實現了虛擬制造的工具。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軟件中生成數控程序，還可以在桌面級電腦上直接對相關機床完成NC編程。因為在電腦中，所有虛擬機床的執行運動細節都和真實機床是完全一致的，包括XY軸的定位，各種刀具庫的調用細節，程序失誤造成刀具和機床的碰撞報警，過載保護等都會得到實時的仿真呈現。另外，因為在現實的5軸數控加工設計過程中，會碰到一些臥式加工件，比如某箱體結構加工工序非常復雜的情況，尤其要考慮到特種刀具的選擇，卡具的定位等，這時，工程師通常只能放棄自動數控編程，而選擇手動編程。這樣的話，整個將復雜的工序拆開，實現NC編程，并在機床樣機上驗證每部分的工藝正確性，這需要對機床有相當長的占用時間。例如一個時效為2小時的加工設計，至少要用一至兩周的時間完成NC編程優化。這樣對機床樣機的占用時間是非常長的。而用了Visual Machine軟件，所有驗證工作都是在實時仿真的環境下完成的，這里將不再存在對機床的占用問題。”
　　Visual Machine軟件最重要的價值體現在對工時的精確估計上。因為軟件中有大量真實的機床數據，甚至包括換刀機械手動態動作，冷卻液管的動態外形，這讓虛擬機床達到和真實機床100%的仿真映射關系。在這種條件下，虛擬加工的工時計算與真實情況的誤差為每百小時僅1秒。這在原來是根本無法想象的。
　　據陸俊杰經理介紹：現在Visual Machine軟件支持DMG的所有西門子（SIEMENS）、海德漢 (HEIDENHAIN)機床設備。但由于虛擬加工的仿真設計在理論上和具體加工機床的參數有明顯的關聯性。所以目前對于DMG以外的產品還沒有實現。