呼剛義，王蓀馨，楊 鵬

（西安理工大學高等技術學院，陜西 西安 710082）

隨著產(chǎn)品日益多樣化和技術更新周期的縮短，使得在機械制造中數(shù)控加工的優(yōu)勢更加突出，數(shù)控機床在機械加工設備中所占的比重逐年遞增。這樣對于一個不管是即將從事機械加工的從業(yè)者，還是操作普通機床經(jīng)驗豐富的師傅，遲早都會面臨如何使用數(shù)控機床。數(shù)控機床不同于普通機床，是凝結了當前先進的科學技術即光機電一體化產(chǎn)品，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床，也就是按程序指令描述的軌跡自動加工零件。因此如何快速高效、低成本掌握數(shù)控加床操作，以及以最低的成本快速驗證數(shù)控程序正確性以及程序的合理性。數(shù)控加工仿真就是為解決這一問題應運而生。

1 虛擬加工仿真原理

數(shù)控仿真加工是利用當前迅速發(fā)展的計算機圖形技術，實現(xiàn)了在計算機上通過軟件模擬加工環(huán)境和刀具對零件的各種切削加工的過程進行三維動畫顯示。具體過程是采用了三維實體仿真技術，在其支持下并以NC程序為驅動，數(shù)控指令譯碼器對輸入的NC程序進行語法檢查、解釋翻譯。根據(jù)指令生成相應的刀具掃描體，并在指令的驅動下，對刀具掃描體與被加工零件的幾何體進行求交運算、碰撞干涉檢查、材料切除等，生成指令執(zhí)行后的中間結果，所有這些過程均可在計算機屏幕上通過三維動畫顯示出來。具體流程如圖1所示。

圖1 虛擬加工仿真流程圖

2 數(shù)控仿真加工的應用

傳統(tǒng)上檢驗數(shù)控程序的正確性常采用的方法是試切法，這種方法費工費料、代價昂貴；隨后采用軌跡線顯示法，即用計算機控制鉛筆繪軌跡加工圖，以筆代替刀具紙代替毛坯仿真刀具運動軌跡的二維圖形，其運動僅限平面，局限性大。隨后隨著計算機圖形技術的迅速發(fā)展，數(shù)控加工的計算機仿真技術應運而生。筆者認為仿真加工的應用可以分為兩種情況。

（1）在數(shù)控編程中，常常利用各種類型的CAD/CAM軟件對復雜零件進行自動編程，其實絕大多數(shù)的CAD/CAM軟件都提供了數(shù)控加工仿真功能，且仿真功能的好與壞已成為評價其軟件CAM部分好壞的重要標準[1]。CAD/CAM軟件屬于圖形交互式自動編程系統(tǒng)，其工作過程是首先通過軟件的CAD系統(tǒng)提供的圖形生成和編輯功能繪制零件圖完成零件造型；隨后以人機交互方式選定加工方法、輸入相應的加工工藝參數(shù)和選定要加工的零件部位及方向，軟件自動生成刀具加工軌跡數(shù)據(jù)。再通過CAD/CAM中仿真功能按已生成的刀具加工軌跡數(shù)據(jù)三維動態(tài)顯示刀具對毛坯加工過程。進而通過對顯示加工過程觀測，重復設置參數(shù)直至生成正確的合理的刀具軌跡。最后通過軟件的后置處理功能生成數(shù)控程序。其流程圖如圖2所示。刀具加工軌跡生成和仿真加工如圖3所示。常用的CAD/CAM軟件有Pro/Engineer、UG、MasterCAM、CAXA制造工程師等等。

圖2 圖形交互式CAD/CAM工作過程

（2）專用的商品化的數(shù)控加工仿真軟件，比如VNUC數(shù)控仿真系統(tǒng)、上海宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)、VERICUT、NCV等[2]。就以VNUC數(shù)控仿真系統(tǒng)為例，該軟件提供了以三大系統(tǒng)Fanuc、西門子、華中數(shù)控為主，還有其他的一些如廣州數(shù)控、阿貝爾信濃ASINA Series 205-T CNC等數(shù)控系統(tǒng)的車、銑、加工中心共20多種三維虛擬仿真機床，是真實機床的計算機上三維顯示再現(xiàn)，在選定好系統(tǒng)和機床后，其操作和真實的數(shù)控機床一樣，上電開機、面板操作回零、定義并裝夾毛坯、設定和安裝刀具、基準測量、用手輪或步進按鈕試切對刀建立工件坐標系、通過面板按鍵輸入程序代碼或文件傳入、自動加工、測量等，最后加工出預想好的零件模型。如果程序有問題、超程、刀具碰撞干涉等等，也會出現(xiàn)和實際機床相同的動作和報警。這類仿真軟件，對于初學者不但可以熟悉機床的操作，還可以驗證熟悉數(shù)控代碼的含義；而對于熟悉者，通過零件的虛擬仿真加工可以快速驗證復雜程序的正確性，并進行軌跡優(yōu)化。VNUC數(shù)控仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 零件的自動加工軌跡生成和虛擬仿真加工

圖4 零件的自動加工軌跡生成和虛擬仿真加工

3 結論

在計算機上利用數(shù)控加工仿真軟件對數(shù)控機床和加工過程進行模擬仿真，不但可以熟悉不同系統(tǒng)的機床操作，而且可以快速、安全和有效地對NC程序的正確性進行較準確的評估，并可根據(jù)仿真結果對NC程序迅速地進行修改，免除在實際機床上適切加工的反復過程，節(jié)約材料消耗和生產(chǎn)成本，提高學習工作效率。因此，數(shù)控加工過程的計算機仿真是低成本快速熟悉數(shù)控機床有效的工具和NC程序高效、安全和有效的檢驗方法。但是當前的數(shù)控加工仿真的作用主要體現(xiàn)在幾何仿真方面，也就是僅仿真刀具-工件幾何體的運動，以驗證NC程序的正確性、有無刀具與工裝的干涉碰撞以其合理的刀具加工軌跡等等。而對于物理仿真方面例如切削參數(shù)、切削力及其他物理因素的模擬，來實現(xiàn)切削用量的優(yōu)化和加工誤差的預測補償?shù)壬婕昂苌賉3]。這是由于這方面的加工過程的機理特性十分復雜，需要更多的研究才能體現(xiàn)在數(shù)控加工仿真上面，當然這也是數(shù)控仿真下一步發(fā)展的方向。

［1］關雄飛.CAXA制造工程師應用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］袁宗杰.數(shù)控仿真技術實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［3］王愛玲.數(shù)控加工理論與實用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.