数控机床加工仿真技术及应用.doc

数控机床加工仿真技术及应用摘要 本文简要论述了数控机床加工仿真技术的简介及其研究现状，介绍了目前国外成熟的数控机床加工仿真软件，并且充分应用这种软件的各项功能进行了具体的机床加工仿真和干涉检查及代码优化。关键词数控加工；加工仿真，干涉，优化，应用一、数控机床加工仿真技术简介数控机床加工仿真技术，模拟实际机床加工环境及其工作状态，是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训的仿真软件。目前，国内已经出现了各种数控加工仿真教学系统，并且也运用于数控操作人才培训的教学之中。利用计算机仿真培训系统进行学习和培训，不仅可以迅速提高被培训人员的理论、操作水平，而且安全、可靠，培训费用低。 数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个重要执行单元。它不仅在数控加工过程中为产品设计提供了可制造性的分析，而且在数控系统的学习和培训中，为被培训人员提供了完善的学习方法和学习环境。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。二、数控加工仿真技术的研究现状为确保数控程序的正确性，在生产中，常采用易切削的材料代替工件进行试切，检验加工指令。也有采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹）。但这些方法费工费料，使生产成本上升，增加了生产周期。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。从试制环境的模型特点来看，目前切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。根据在仿真过程中的数据驱动是采用( ，即刀位)数据还是采用代码，数据加工仿真可分为两类：一类是基于后置处理前的数据（数据）所进行的仿真，即基于数据的数控加工过程仿真；另一种是基于后置处理所产生的程序而进行的仿真，即基于程序的数控加工过程仿真。基于数据的仿真不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响，只仿真工件刀具的运动，主要目的是检验刀位轨迹的正确性，以保证零件的加工质量。这类仿真方法开展的比较早，到目前为止已有一些比较成熟的思想和商品化软件。基于程序的仿真的主要用途则可以概括为三方面：程序的正确性检验与优化、操作工培训、碰撞检验。由于驱动数控机床运动的是指令，所以基于程序的加工过程仿真比基于数据的加工过程仿真更接近实际，但也由于在仿真过程中考虑了加工环境，从而增加了仿真难度。目前数控加工仿真的研究大量集中在刀具轨迹方面,对于三坐标以下的零件加工来说,效果是令人满意的。但是对于三坐标以上的数控设备来讲, 仅仅检查刀具轨迹是不够的，还需对机床加工过程进行仿真,以检验加工过程中刀具过切、刀具与夹具及机床的碰撞等，此外,在机床应用效率方面,也须考虑刀具加工文件的优化问题,以便在保证产品质量的情况下,提高零件加工效率和机床的利用率.国内对于数控机床加工仿真的研究主要在具体应用对象方面，在具体的技术实现上也主要是应用显示动画技术，也有很少是应用部分系统的仿真模块实现的，如系统的模块。但在机床加工仿真的通用性方面，做的研究相对较少。三、机床仿真系统1、 系统该系统是应用最为广泛的数控加工仿真软件， 它不仅可以模拟数控代码查证步骤,还可以最大限度的提高去料切削效率。图1 应用查证刀具轨迹的过程是交互的模拟数控加工轨迹代码的去料切削运动的。模拟的部分将可视的显示在计算机屏幕上,验证刀具轨迹的精度并确保经验证的部分达到设计标准。在正式的加工开始之前, 发现那些阻碍加工过程的矛盾并且确认出可靠的加工轨迹序列号以便迅速便捷的修改。几乎所有形式的刀具轨迹代码都可以作为的输入程序。代码与形式的文件一样,都可以被直接执行。类似于真实加工的是, 需要走刀轨迹代码,需要对于被加工的原材料的描述,也需要对于切削刀具的描述.这个验证过程的结果之一是一个加工过的(三维)固体模型即产品;之二是一个报告在模拟加工过程所监测到的所有错误的日志文件。而且, 的模型可以被检测,保存或用来作为其他走刀轨迹的原材料。除了简化并使验证过程更有效率之外, 还大大的提高了工厂的生产率。在中的优化设置是自动化的,并且是用户可选择的。这让用户可以使去料切削效率最大。基于切削深度,切削宽度,切削角度,每一刀具轨迹的进给速度和切削速度都被调节到最佳。事实上,你甚至可以为你的操作设置进行刀具补偿或其它一些独一无二的设置。可以模拟直至5轴的铣削钻孔或线框操作,也可以模拟车削和铣车组合的加工运动。由于有了一系列增加特征与机械性的专用模块真的是一个全方位的模拟验证优化的方法。这种方法可以很好的解决提高数控加工效率的问题。2、 系统 系统是目前数控加工仿真软件中功能最强大，对机床的使用、控制过程的模拟最易实现的一个。工作文件G代码刀具轨迹文件机床仿真系统刀具轨迹仿真系统数控加工中心错误文件修改刀具轨迹文件图2 使用和 的验证系统 系统主要的功能是解释可识别的数控代码（G代码）文件，并且可见地模拟机床按照G代码进行加工的过程。一些较为复杂的数控加工技术，如刀具直径补偿、刀具长度补偿、加工坐标系等都可以进行仿真。在真正开始加工之前， 可以发现机床和工件之间潜在的碰撞，这些碰撞往往会造成一定的经济损失；还可以发现过行程等令人头疼的问题，并且识别出最可靠的高速模式加工轨迹，方便地进行调节。在 中数控代码模块负责查找错误，并在错误表列里一一列出，作为参考之用。 系统通常与系统及其它验证软件一起使用，这样的结合可以得到功能最全面的一个验证系统。在该系统中， 模拟机床运动，探测机床碰撞及过行程等错误，而则模拟工件切割过程，检验数控代码的正确性。这就为数控加工过程提供了全面的错误检测系统，使加工过程的效率达到了最高。除了机床和控制过程的仿真， 还提供不同类别数控代码的转换技术，它可以把一些陈旧的不能使用的数控代码转化为标准的刀具轨迹文件。这种通用的刀具轨迹文件可应用于大多数通用数控机床，或者用进行仿真。系统应具备有关数控机床的物理特性的信息，还应该具有用数控命令解释数控代码的能力，这两者决定了系统可以控制模拟仿真的全过程。软件本身还为用户提供了机床和控制文件库，用户可根据自己的需要任意进行组合得到所需的加工系统。同时还允许用户自己定义机床，编制控制文件，得到自己希望的仿真环境和过程。它的主要模块和功能有：（1）机床构建器 机床构建功能为修改现有的数控机床和控制指令提供了工具，同时也可以利用它根据仿真环境的需要添加新的设备。这些“数字”设备以可见的图形方式在一个简单却功能强大的用户界面下被组装、修改和测试。 在 中可以用实体模型（如长方体、圆柱体、圆锥体等体素）或从系统引入的其他模型（如模型、线框模型）来对机床的部件（如直线运动或旋转的工作台、主轴、夹具、夹子等等）以及其他一些细节进行描述。程序还提供了各种方法来实现一些更高级的功能，如刀具直径补偿、刀具长度补偿、加工坐标系、计量长度编程、变量编程、宏指令、子程序等等。机床构建器还可以将标准的数控代码转化成其他形式的代码。通过转化格式，使得一些陈旧的或者存在问题的数控程序被重新利用成为可能，这就大大节省了机床的耗费和程序员的时间。直接把旧的刀具轨迹程序转化并运行于一个适合目前需要的机床/控制组合，也远胜于重新编辑旧的程序。在日志文件可以显示原先的数控代码与转化后运行情况之间的关系。（2）机床开发工具箱当 的功能对于大多数数控模拟都较为理想时，机床开发工具箱可以满足一些特殊的仿真和加工要求。这个模块是一个高层面的编程工具。它可以提高解读复杂的和特殊的数控代码的能力，来满足一些特殊的需要。机床开发工具箱提供编程工具和方法首先需要定义解读数控代码所需要的宏，然后宏被编译到与标准文件库相连的目标文件中，这样就得到一个新的可执行宏文件，又称“文件”。有了机床开发工具箱，任何来源的数控代码都可以解读，或者被转化成其他的形式输出。（3） 功能主要用于比较设计模型的数据与组件的同异，从而快速的识别出设计的和模拟的切割部分的差别。就是要通过在实际加工之前检测发现问题来减少数控加工过程的总成本。 可以比较从系统引入的仿真模型与设计的剖面模型的几何特性。通过比较准确数学描述的模型和用于仿真的模型，系统对错误的检测可以达到相当高的精度。有了的比较，加工中留在工件上的诸如切削不足或过切的部分就可以自动的识别并显示出来。在节省了生产时间和成本的同时，也提高了首轮加工的质量。（4）几何工具包 几何工具包可以将各种数据转化成文件或者其他产品可用的文件。还可以修复存在问题的模型文件，或从表面模型生成实体模型。这一功能可以使那些没用或应用有限的模型转化成可利用的如组件、夹具等实体，还可以转化为产品及其它应用软件可利用的设计模型。（5）数控最优化数控最优化功能包括数控验证的全部功能，而且还可以根据不同材料的进给率和机床转速来优化数控加工轨迹，检验刀具根部和刀柄的碰撞，进一步提高机床的利用率。四、数控机床加工仿真软件应用 应用机床仿真系统进行一般的机床加工仿真，需要首先通过 系统建立机床运动学模型，系统提供部分控制文件库供使用者调用或修改以满足定制要求，然后利用建模模块建立机床的几何模型，按照图纸设定机床初始位置形成相应的控制文件、机床文件和工作文件。其次，通过系统定义夹具和毛坯，调入走到轨迹，定义刀具形状和文件，设定相应的参数即可进行刀具轨迹的仿真。再次，在系统中进入 ，按照机床模型添加机床实体，夹具和毛坯实体，设定相应的参数，即可同时进行刀具轨迹和机床运动仿真。按照仿真的状况和系统提供的文件可以修改相应的刀具轨迹文件和部分参数，直至仿真完全达到要求为止。此外，还可以利用系统提供的模块进行加工后模型和设计模型的比较以进一步比较仿真加工出的零件与理论设计的零件之间的差异，通过设定误差和显示方式来探测仿真中存在的过切和欠切情况；利用系统提供的模块来优化刀具轨迹，提高加工效率和机床利用率。利用系统提供的二次开发功能识别和仿真特殊的刀具轨迹等等。以下利用该系统仿