1 概述

　　數(shù)控加工仿真是CAD/CAM技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)、仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)等先進技術(shù)的交叉應(yīng)用。

　　實際數(shù)控加工過程中，常常為了校驗數(shù)控程序的正確性，需進行一次或多次試切，同時數(shù)控加工參數(shù)也需要不斷調(diào)試，直到確認(rèn)數(shù)控程序能夠完成預(yù)定的加工要求。這樣不僅浪費資源、效率低下，而且可能因操作過程中的碰撞或干涉等問題造成經(jīng)濟損失。數(shù)控加工過程仿真則可以很好地解決以上問題，在加工仿真領(lǐng)域，數(shù)控加工仿真既是目前理論研究的熱點， 又是制造業(yè)應(yīng)用的重點。

　　由于零件的三維形狀越來越復(fù)雜，機床是多軸聯(lián)動，在加工過程中，加工參數(shù)的選擇是否合理，零件與機床干涉否，是否存在過切等現(xiàn)象既相互關(guān)聯(lián)又各自遵循自己的變化規(guī)律。工藝人員以現(xiàn)有的工藝水平以及分析計算手段很難考慮到方方面面，所以必須給技術(shù)人員提供一種能綜合考慮各個因素，能制定、優(yōu)化數(shù)控工藝流程的輔助手段。為此迫切需要應(yīng)用相對成熟的仿真技術(shù)對數(shù)控加工過程進行真實加工前的演示與分析，以便在早期及時發(fā)現(xiàn)解決問題，避免造成不必要的損失。以便縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，從而降低生產(chǎn)成本。

　　制造業(yè)正在進行著以信息技術(shù)為載體的技術(shù)革命。法國SPRING Technologies公司開發(fā)的NCSIMUL軟件是世界上應(yīng)用最廣泛的專業(yè)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，具有強大的三維加工仿真、驗證、優(yōu)化等功能，可運行于WINDOWS的計算機上。2008年推出的最新版本8.5版為過程仿真提供了有效的支持。軟件目前已廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、模具制造等行業(yè)，其最大特點是可仿真各種CNC系統(tǒng)，能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個仿真過程包含程序驗證、分析、機床仿真、優(yōu)化和模型輸出等。圖1為NCSIMUL在整個數(shù)控加工中的定位。

　　2 NCSIMUL的性能特點

　　NCSIMUL的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是以客戶所需要的高質(zhì)量解決方案為目標(biāo)而建立的。解決方案以標(biāo)準(zhǔn)形式提供了所有用于仿真數(shù)控機床運動狀態(tài)、執(zhí)行生產(chǎn)前檢驗和分析NC 程序的功能。這些標(biāo)準(zhǔn)功能分為：NC程序分析;加工仿真;結(jié)果輸出;程序優(yōu)化-OPTITOOL。圖2為NCSIMUL仿真校驗的過程。

　　圖2 NCSIMUL仿真校驗過程

　　2.1 NC程序分析

　　為了最大限度地減少用戶用于驗證NC程序的時間，NCSIMUL被設(shè)計用于分析經(jīng)過后置處理或手工編制的NC程序。為了廣泛滿足工業(yè)界的需要，NCSIMUL支持結(jié)構(gòu)化的程序(客戶編制的子程序)以及使用系統(tǒng)變量、循環(huán)、宏程序等。

　　在NCSIMUL幫助下，沒有必要因為確定某些程序問題而對工件加工進行仿真。從加工任務(wù)的上載起，NCSIMUL可提供以下功能：

　　(1)刀具軌跡顯示

　　用戶可自行設(shè)定刀具軌跡顯示，允許進行可視化的分析，用于排除明顯碰撞或可能的加工原點錯誤。

　　(2)錯誤報告

　　在實際加工過程仿真之前，NCSIMUL也可檢測并列出相當(dāng)數(shù)量類型的錯誤，如下所示：

　　●句法錯誤;

　　●超行程;

　　●刀具補償錯誤;

　　●插補錯誤;

　　●超速錯誤。

　　(3)動態(tài)鏈接的窗口

　　所有的加工信息、3D視圖、程序窗口等被緊密地鏈接。任何信息的改變將被動態(tài)更新，因此程序員可憑借遠(yuǎn)超過真實數(shù)控機床上的交互性對NC程序進行分析。

　　(4)刀具序列的循環(huán)時間

　　從程序被上載起，NCSIMUL將以表格的形式顯示詳細(xì)的報告，包括每個刀具和每個運動類型的不同時間(快速運動時間、實際加工時間以及總時間等)。NCSIMUL為每個軸計算進給速度、轉(zhuǎn)速、加速度，這會在加工之前使操作人員獲得對加工循環(huán)時間的精確估計。

　　(5)集成化編輯器下的交互式程序修改

　　NCSIMUL的集成化程序編輯器可讓程序員修正檢查到的錯誤或?qū)Τ绦虻募磿r修改進行測試。

　　2.2 加工仿真

　　(1)支持復(fù)雜運動仿真

　　在25年的研發(fā)成果基礎(chǔ)上，NCSIMUL能夠?qū)θ魏渭庸ぶ行幕蚨嗤ǖ楞娤骷庸みM行仿真，并無任何軸數(shù)目的限制。NCSIMUL以標(biāo)準(zhǔn)形式支持所有機床環(huán)境元素(如機床控制面板、傳送裝置、回轉(zhuǎn)頭等)。NCSIMUL被很多知名的大企業(yè)所采用，因為它具有能夠處理并聯(lián)機構(gòu)機床的能力，尤其是機器人、TRICEPT機床等。

　　(2)接近真實環(huán)境的仿真

　　基于創(chuàng)新的技術(shù)，NCSIMUL能夠在仿真機床運動的同時仿真材料的去除。其具有的3D OpenGL技術(shù)能夠在不中斷仿真過程和不影響仿真性能的情況下輕松進行3D操作(縮放、旋轉(zhuǎn)和平移)，或者在多個視窗中動態(tài)切換。在任何時候，都可以自動 (如每次報警、換刀等) 或手動地中斷仿真，以查看被加工工件。

　　(3)探測

　　NCSIMUL以標(biāo)準(zhǔn)形式管理所有的探測工作周期。

　　●工件探測：原點獲取，不對中補償，測量;

　　●刀具探測：機械或激光。

　　(4)加工事故的檢測

　　在仿真過程中，可以設(shè)置對所有類型的碰撞和切削事故(刀具不匹配、主軸停轉(zhuǎn)，刀具在加工工件中的快速移動)進行檢測報警，并在3D視窗中以紅色顯示報警區(qū)域，如圖3所示。

　　圖3 加工碰撞檢測

　　(5)刀具相對于夾具的伸出長度優(yōu)化

　　NCSIMUL集成了刀具伸出長度優(yōu)化功能。此功能被用于：

　　●為每個刀具確定允許的最小伸出長度，以避免刀架和加工環(huán)境中的元素(毛坯、夾具)間出現(xiàn)可能的碰撞;

　　●最小化每個刀具的撓度效應(yīng)，以提高工件表面的加工質(zhì)量。

　　2.3 重新定位仿真結(jié)果

　　(1)測量

　　NCSIMUL提供所有的測量功能，讓用戶在加工中和加工后檢查被加工工件。NCSIMUL也支持鉆和鏜功能，能夠執(zhí)行所有的直徑、中心距或鏜孔的測量。

　　(2)3D比較

　　NCSIMUL可執(zhí)行被加工工件與理論CAD模型的比較。用戶可以自己設(shè)定檢查公差，進而以不同顏色動態(tài)顯示公差范圍之外的加工區(qū)域(如過切、殘余料等)，如圖4所示。

　　圖4 仿真結(jié)果分析

　　(3)動態(tài)剖面圖

　　用戶可通過在被加工工件上創(chuàng)建動態(tài)剖面，實現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸分析。這些剖面能被轉(zhuǎn)換成在NCSIMUL中用于測量的2D圖，或者直接輸出到CAD軟件，用于其他用途(工藝文檔2D圖，在其他系統(tǒng)中測量等)。

　　(4)3D結(jié)果輸出

　　任何情況下，加工工件可以3D格式輸出，用于NCSIMUL下的其他加工操作，或在CAM系統(tǒng)中使用。

　　2.4 程序優(yōu)化—OPTITOOL

　　所謂基于NCSIMUL的優(yōu)化設(shè)計，是指通過重新計算進給速度或主軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一個優(yōu)化的刀具軌跡文件。優(yōu)化刀具軌跡并不改變刀具加工的路線，而是確保所產(chǎn)生的優(yōu)化軌跡文件擁有最佳的進給速度或主軸轉(zhuǎn)速，這樣會在最少的時間里生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

　　(1)切削條件的分析

　　對刀具軌跡進行分段并計算切削條件，依據(jù)特定條件對切削條件進行分析。

　　(2)空行程優(yōu)化

　　通過設(shè)置進退刀的切削參數(shù)，在保證安全的前提下減少進刀和退刀運動，提高切削效率。

　　(3)切削條件優(yōu)化

　　依據(jù)刀具與切削區(qū)域接觸面積的大小調(diào)整進給速度，使材料去除率保持恒定。該種方法主要用于粗加工，毛坯余量較大的情況，用此方法優(yōu)化后的數(shù)控加工程序可以高效率地去除零件余量，同時使機床在切削過程中運行平穩(wěn)。它也可用于對一般要求的精加工程序優(yōu)化，獲得較好的加工表面質(zhì)量和較高的加工效率。圖5所示為針對切削條件的優(yōu)化。

　　圖5 OPTITOOL針對切削條件的優(yōu)化

　　綜上所述，運用NCSIMUL軟件對數(shù)控加工進行仿真，驗證了其在實際應(yīng)用中的可行性，解決了數(shù)控編程和實際制造加工過程中的過切、欠切，以及刀具、工件與機床部件和工夾具的碰撞問題，降低了材料消耗和生產(chǎn)成本，提高了工作效率。作為今后的一個重要發(fā)展方向，數(shù)控加工仿真可進一步提高仿真精度和效率，并有利于實現(xiàn)制造系統(tǒng)的集成，將為我國制造業(yè)的信息化起到很大的推動作用。