数控机床加工仿真技术及应用(正)

数控机床加工仿真技术与应用李军锋席平摘要：本文简要论述了数控机床加工仿真技术的意义及其研究现状，介绍了目前国外成熟的数控机床加工仿真软件VERICUT，并运用该软件的各项功能进行了具体的机床加工仿真、干扰检测和代码优化。关键词：数控加工仿真干涉优化一、概要数控加工是一种自动加工过程，加工人员必须事先决定加工过程的过程流程。 在制定过程中，技术人员不仅要考虑各种加工技术因素，还要考虑干扰问题。 零件形状为空间三维形状，机床为轴联动，加工过程中加工参数的选择是否合理，零件与机床是否干涉，是否存在过切等现象相互关联，并遵循各自的变化规律。 因此，技术人员很难用现有的分析计算手段优化过程。 因此，必须为技术人员提供可分析计算的可视化环境，制定优化工艺辅助手段，提高产品质量，缩短制造周期。 因此，应用比较成熟的仿真技术在实际加工产品数控加工过程前进行观察，发现问题及时解决，避免不必要的损失。二、数控加工仿真技术的研究现状为了确保数控程序的准确性，在生产中采用易切削材料代替工件，检测加工指令。 也采用用划线或笔代替工具，用着色板或纸代替工件，模拟工具的运动轨迹的二维图形的轨迹表示法(也可以表示二维半径的加工轨迹)。 但是，这些方法需要人工费，生产成本上升，生产周期增加。因此，人们正在研究代替试验错误的计算机仿真方法，在试验环境建模、仿真计算和图形显示等方面取得了重要进展，目前正向提高模型精度、改善仿真计算实时化和图形显示真实性等方向发展从试制环境的模型特征来看，目前的数控切削过程模拟了几何模拟和力学模拟两个方面。 几何仿真仅通过仿真刀具-工件几何运动来验证NC程序的正确性，而不考虑切削参数、切削力和其它物理因素的影响。 可以减少或消除程序错误造成的机床损坏、夹具损坏、工具折断、零件废弃等问题，同时减少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，通过仿真切削过程的动态力学特性预测刀具损坏、刀具振动、切削参数，达到优化切削过程的目的。几何仿真技术的发展随着几何建模技术的发展而发展，包括定性图形表示和定量干扰验证两方面。 目前常用的方法是直接实体建模法，有基于图像空间的方法和基于离散矢量的交叉法。根据模拟中的数据驱动是采用CL (刀具位置)数据还是采用NC码，数据加工模拟分为两种：一种是基于后处理前的数据(CL数据)的模拟， 也就是基于CL数据的数控加工过程模拟的另一个是基于后处理中出现的NC程序的模拟，即基于NC程序的NC加工过程的模拟。基于CL数据的仿真只是在不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响下仿真工件刀具的运动，主要目的是验证刀具路径的正确性，保证零件的加工质量。 这种仿真方法开展得比较快，迄今有一些比较成熟的思想和商品化软件。基于数控程序仿真的主要用途可以概括为数控程序的正确性检测和优化、工人训练、碰撞检测三个方面。 由于驱动NC机床的是NC指令，因此基于NC程序的加工过程模拟比基于CL数据的加工过程模拟更接近实际，但由于在模拟中考虑了加工环境，因此增加了模拟的难易度。目前，数控加工仿真的研究集中在刀具轨迹上，三坐标以下的零件加工效果令人满意。 但是，在三坐标以上的数控设备中，仅仅检查刀具轨迹是不够的，为了检查加工中的刀具断裂、刀具与夹具以及机床的碰撞等，需要模拟机床的加工过程，另外，在机床的应用效率方面，也考虑刀具加工文件的优化问题，在保证产品质量的基础上，还需要模拟零件加工效率国内数控机床加工仿真研究主要是具体应用对象，在实现具体技术方面也应用OpenGL显示动画技术，应用部分CAD/CAM系统仿真模块实现的较少。 但对机床加工仿真的通用性研究较少。三、机床仿真系统1、VERICUT系统该系统应用最广泛的数控加工仿真软件，不仅能模拟数控代码验证过程，还能最大限度地提高材料切削效率。使用图VERICUT验证刀具路径的过程VERICUT是数控加工轨迹代码的交互式材料切削运动模拟。 VERICUT模拟部分以可视方式显示在计算机屏幕上，并验证刀具路径的精度，以确保已验证部分符合设计标准。 在正式加工开始之前，VERICUT可以发现阻碍加工过程的矛盾，确认可靠的加工轨迹序列号，迅速且简单地进行修正。大多数刀具路径代码格式都可以用作VERICUT的输入步骤。 与APT格式的CL文件一样，可以在VERICUT中直接执行MG代码。 与实际加工相似的是，VERICUT需要路径的轨迹代码，加工材料的说明也是必要的，切削工具的说明也是必要的。 其中一个验证过程的结果是产品加工(三维)固体模型，其次是报告在模拟加工过程中监视的所有错误的日志文件。 此外，还可以检测VERICUT模型，并将其另存为其他路径轨迹的材料或使用它们。VERICUT不仅简化了验证流程并提高了效率，还大大提高了工厂的生产效率。 VERICUT中的优化设置自动化，供用户选择。 由此，用户能够使材料的切削效率达到最大。 根据切削深度、切削宽度和切削角度，最佳地调整每个刀具轨迹的进给速度和切削速度。 事实上，您也可以设定VERICUT进行操作，以进行刀具补偿或自己的设定。VERICUT最多可以模拟5轴铣削、钻孔和线框EDM操作，也可以模拟车削和铣削组合的加工运动。 VERICUT具有一系列的特点和机械专用模块，真正是全方位的仿真、验证和优化方法。 该方法能很好地解决提高数控加工效率的问题。2、VERICUT Machine Simulation系统VERICUT Machine Simulation系统是目前数控加工仿真软件中最强大、机床使用控制过程仿真最容易实现的一种。工作文件g代码刀具路径文件机床仿真系统刀具轨迹仿真系统数值控制加工中锋错误文件修改刀具路径文件的步骤使用图VERICUT和Machine Simulation的验证系统VERICUT Machine Simulation系统的主要功能是解释可识别的数控代码(g代码)文件，并可视化模拟机床使用g代码加工的过程。 可以模拟一些复杂的数控加工技术，例如刀具直径校正、刀具长度校正、加工坐标系等。 在实际开始加工之前，Machine Simulation可以在机床与工件之间发现潜在的碰撞，发现这些碰撞经常导致经济损失的冲程等棘手问题，识别最可靠的高速模式加工轨迹，使调节变得容易。 在Machine Simulation中，数控代码模块检索错误，并在错误表的列中逐一列出，以供参考。Machine Simulation系统通常与VERICUT系统和其他验证软件结合使用，以获得最具功能性的验证系统。 在该系统中，Machine Simulation模拟机床运动，探测机床碰撞和超行程等错误，VERICUT模拟工件切割过程，验证数控代码的正确性。 它为数控加工过程提供了全面的错误检测系统，提高了加工过程的效率。除了机床和控制过程的仿真外，机械模拟还提供了不同类型的数控代码转换技术，可以将旧的不可用数控代码转换为标准的ASCAPT刀具路径文件。 此通用APT刀具路径文件可应用于大多数通用数控机床，也可在VERICUT中进行模拟。系统应具有数控机床物理特性的相关信息，也应具有用数控指令解释数控代码的能力，两者决定系统能够控制仿真的整个过程。 软件本身向用户提供机床和控制文件库，用户可根据自己的需要任意组合得到所需的加工系统。 用户自己也可以定义机床，制作控制文件，得到自己希望的模拟环境和过程。 主要模块和职能如下：(1)机床构筑器机床的构建功能既可提供现有数控机床和修改控制指令的工具，也可根据仿真环境的需要添加新设备。 这些“数字”设备在简单、强大的用户界面下以可视图形组装、修改和测试。Machine Simulation允许您使用主体模型(如长方体、圆柱体和圆锥体)以及从CAD系统(如IGES模型和线框模型)引入的其他模型来描述机床零件(如线性运动和旋转台、主轴、夹具和夹具)和其他细节程序还提供了多种方法来实现更高级别的功能，包括刀具直径补偿、刀具长度补偿、加工坐标系、计量长度编程、变量编程、宏指令和子例程。机床制造商还可以将标准的ASC数控代码转换为其他形式的代码。 通过改变形式，可以重复使用旧的或有问题的数控程序，大大节省了机床成本和程序员时间。 直接转换旧刀具轨迹程序并结合当前需求运行机床/控制，远优于重新编辑旧程序。 日志文件显示原来的数控代码和转换后的运行状况之间的关系。(2)机床开发套件机床开发工具箱能够满足几种特殊的仿真和加工要求，在机床模拟的功能适合大多数数控仿真的情况下。 这个模块是高级编程工具。 VERICUT能够提高复杂、特殊的数控代码解读能力，满足特殊的需要。 机床开发工具包提供编程工具和方法. 首先，VERICUT定义解读数控代码所需的宏，宏被编译为连接到标准文件库的目标文件，获得新的CGTech可执行宏文件“CME文件”。 机床开发工具包的话，任何来源的数控代码都可以解读，或者转换成别的形式输出。(3)AUTO-DIFFAUTO-DIFF功能主要比较设计模型中的资料与VERICUT组件之间的差异，以快速识别设计中的切削部分与模拟中的切削部分之间的差异。 AUTO-DIFF是指通过在实际加工前检测问题来降低NC加工过程的总成本。AUTO-DIFF将从CAD系统引入的模拟模型与设计截面模型的几何特性进行比较。 通过将IGES中正确数学描述的模型与模拟中使用的模型进行比较，VERICUT系统能够以相当高的精度进行错误检测。 与AUTO-DIFF相比，加工过程中工件中残留的切削不足和底切等部分会自动识别并显示出来。AUTO-DIFF在节省生产时间和成本的同时，还提高了初次加工的质量。(4)几何套件几何套件可以将各种CAD数据转换为STL文件和其他CGTech产品可用的文件。 您也可以修复有问题的模型档案，或从表面模型产生实体模型。 该功能可以改变为未使用或可用的设计模型，如组件、夹具等实体在CGTech产品或其他应用软件中可用。(5)数控优化NC优化功能包括NC验证的所有功能。 并根据不同材料的进给率和机床的转速优化数控加工轨迹，验证刀具根部与刀柄的碰撞，进一步提高机床的利用率。四、一例应用Vericut机床仿真系统进行一般机床加工仿真，首先需要在Machine Simulation系统中建立机床运动学模型， 系统通过用户调用或修改某些控制文件库以满足定制要求，利用建模模块创建机床几何模型，根据附图设置机床的初始位置，形成相应的控制文件、机床文件和工作文件。 然后，您可以在Vericut系统中定义夹具和空白，包括在路径中定义刀具形状和档案，并设定适当的参数来模拟刀具路径。 再次在Vericut系统中进入Machine Simulation，根据机器模型添加机器实体、夹具、模拟实体，并设定适当的参数，可同时模拟刀具路径和机器运动。模拟情况和系统提供的LOG文件允许您修改适当的刀具路径文件和部分参数，直到完全要求模拟为止。另外，利用系统提供的AUTO-DIFF模块，对加工后的模型和设计模型进行比较，进而比较模拟中加工的部件和理论设计的部件的差异，设定误差和显示方式，由此， 利用模拟中存在的可检测下凹和下凹的系统提供的OptiPath模块，优化刀具路径，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进行特殊刀具路径的识别和仿真等。下面，利用该系统模拟Mikronwf72加工中心加工瓶模型的例子。 控制器为Heidenhain415b型。 验证后和优化的刀具轨迹文件和机床设置参数在