1 概述

　　數(shù)控加工仿真是CAD/CAM技術中的關鍵技術，是數(shù)控技術、仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術等先進技術的交叉應用。

　　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)也需要不斷調試，直到確認數(shù)控程序能夠完成預定的加工要求。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)應用的重點。

　　由于零件的三維形狀越來越復雜，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。為此迫切需要應用相對成熟的仿真技術對數(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。以便縮短產品的生產周期，提高生產效率，從而降低生產成本。

　　制造業(yè)正在進行著以信息技術為載體的技術革命。法國SPRING Technologies公司開發(fā)的NCSIMUL軟件是世界上應用最廣泛的專業(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的產品結構是以客戶所需要的高質量解決方案為目標而建立的。解決方案以標準形式提供了所有用于仿真數(shù)控機床運動狀態(tài)、執(zhí)行生產前檢驗和分析NC 程序的功能。這些標準功能分為：NC程序分析;加工仿真;結果輸出;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被設計用于分析經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支持結構化的程序(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對程序的即時修改進行測試。

　　2.2 加工仿真

　　(1)支持復雜運動仿真

　　在25年的研發(fā)成果基礎上，NCSIMUL能夠對任何加工中心或多通道銑削加工進行仿真，并無任何軸數(shù)目的限制。NCSIMUL以標準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，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以標準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，可以設置對所有類型的碰撞和切削事故(刀具不匹配、主軸停轉，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，以提高工件表面的加工質量。

　　2.3 重新定位仿真結果

　　(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)內部結構尺寸分析。這些剖面能被轉換成在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)化設計，是指通過重新計算進給速度或主軸轉速產生一個優(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，而是確保所產生的優(yōu)化軌跡文件擁有最佳的進給速度或主軸轉速，這樣會在最少的時間里生產出高質量的產品。

　　(1)切削條件的分析

　　對刀具軌跡進行分段并計算切削條件，依據特定條件對切削條件進行分析。

　　(2)空行程優(yōu)化

　　通過設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

　　依據刀具與切削區(qū)域接觸面積的大小調整進給速度，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。