數控加工仿真是CAD/CAM中的關鍵技術。實際數控加工過程中，時常為了校驗數控程序的正確性，進行一次或多次試切，同時數控加工參數也需不斷調試，直到確認數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，數控加工仿真既是目前理論研究的熱點，又是制造業應用的重點。

　　法國SPRING Technologies公司研發的NCSIMUL軟件是世界上應用非常廣泛的專業數控加工仿真系統之一，具有強大的三維加工仿真、驗證及優化等功能。NCSIMUL軟件目前已廣泛應用于航空航天、汽車、模具等制造行業，其最大特點是可仿真各種CNC系統，還能仿真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，優化和模型輸出等。

　　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。它包括的標準功能有：NC程序分析、加工仿真、仿真結果分析和程序優化等。

　　1 NC程序分析

　　在進行仿真之前，NCSIMUL可對程序提供以下分析功能：(1)刀具軌跡顯示;(2)程序錯誤報告;(3)加工信息窗口、3D視窗、程序窗口之間的動態關聯;(4)每把刀具的單獨加工時間及總加工時間的精確計算;(5)交互式的程序編輯器。

　　2加工仿真

　　(1)支持復雜運動仿真。

　　NCSIMUL能對任何加工中心或多通道銑削加工進行仿真，并且無任何軸數的限制。

　　(2)接近真實環境的仿真。

　　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。

　　(3)探測。

　　(4)加工事故的檢測。

　　(5)刀具相對于夾具的伸出長度優化。

　　3仿真結果分析

　　(1)測量。

　　可讓用戶在加工的全過程隨時檢查被加工工件的尺寸。

　　(2)三維比較。

　　NCSIMUL可執行被加工工件與理論CAD模型的比較。用戶可以自行設定檢查公差，進而以不同顏色動態顯示公差范圍之外的加工區域(如過切，殘余料等)。

　　(3)動態剖面。

　　對于形狀結構復雜的零件，用戶可通過在其上創建動態剖面，實現內部結構尺寸分析。

　　(4)3D結果輸出。

　　4程序優化

　　NCSIMUL的優化模塊OPTITOOL是通過重新計算最佳的進給率及主軸轉速來產生一個優化的刀具加工軌跡。通過選擇毛坯和刀具，由OPTITOOL后臺的刀具材料(Tool Material Pair，TMP)對數據庫對進給率和主軸轉速自動進行最優分析。

　　(1)切削條件分析。

　　依據特定條件對刀具軌跡進行分段計算，以對切削條件進行分析。

　　(2)空行程優化。

　　通過設置進退刀的切削參數，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)切肖0條件優化。

　　依據刀具與切削區域接觸面積的大小來調整進給率及主軸轉速，使材料去除率保持恒定。

　　NCSIMUL在航空薄壁類零件加工中的應用實例

　　下面以某航空公司翼肋的加工為例，介紹基于NCSIMUL8.5環境的加工仿真過程。

　　翼肋屬于薄壁零件，具有剛性好、比強度高等優點，主要由若干側壁和腹板組成，結構形狀復雜，尺寸大但截面積較小。加工工藝性差。在薄壁零件的加工過程中，除了加工變形難以控制外，還會產生切削振動，這不僅會影響零件的表面質量，還會降低機床、刀具的使用壽命，嚴重時會導致銑削加工無法正常進行。在NCSIMUL即將推出的9.0版本中，集成了有限元分析模塊，將把加工過程中薄壁零件的變形、刀具與機床的振動等因素考慮進來，通過對這些因素進行綜合調節和優化，可改善翼肋加工后的表面粗糙度，提高刀具、機床的工作壽命，同時也使仿真更加貼近實際加工的情況。

　　在NCSIMUL8.5中建立該翼肋加工仿真的步驟如下：

　　(1)開始新建一個工作。

　　啟動NCSIMUL8.5，新建一個工作任務，在此任務中可添加仿真所需的所有元素。

　　(2)機床建模。

　　使用N CMOTION模塊來構建機床的運動學模型。NCSIMUL本身提供一些基本體(如長方體、圓錐和圓柱體等)的模型，如果機床零部件包含不規則的復雜形狀，則可通過NCSIMUL的模型文件導入功能引入CAD系統中生成的零部件模型(支持格式如IGES、STL和STEP等)來對特殊形狀部件進行描述。在NCSIMUL 8.5中對加工該翼肋的MAKINO MAG3五軸加工中心建立運動學關系樹和相應的機床幾何實體模型。

　　(3)指定機床控制系統文件。

　　調用N CSIMUL 8.5中已集成的Fanuc 30i系統。NCSIMUL軟件本身可提供近百個數控系統文件，包括了從兩坐標到五坐標、從FANU 、CHEIDENHAIN到SIMENS各種數控系統，完全可以滿足實際應用的需要。

　　(4)刀具庫建模。

　　添加一個刀具庫，定義加工該翼肋所需的所有刀具，類型可包括銑刀、車刀、鏜刀、螺紋銑刀和探頭等，對于結構復雜的刀具，NCSIMUL還可以通過NC Profile模塊進行任意形狀刀具的定制。

　　(5)工件毛坯和夾具建模。

　　夾具建模的主要目的是檢測夾具和機床的其他運動部件之間的干涉和碰撞，毛坯和夾具的建模可利用NCSIMUL本身提供的建模工具進行構建，也可通過接口導入由其他CAD軟件建好的模型。

　　(6)選擇用于該翼肋加工的N C程序，可支持子程序或者宏程序。

　　(7)使用NCSIMUL提供的初始化功能選項來進行工件加工原點的設置。

　　(8)開始進行仿真，NCSIMUL對于仿真的速度顯示有多種控制，可連續仿真、跳行仿真、不顯示中間過程的快速仿真，也町靈活設置斷點進行程序的調試等。

　　(9)仿真結束后還可對仿真結果進行各種分析。NCSlMUL對于加工過程中碰撞干涉的部位以紅色進行顯示，還可對仿真結果進行尺寸測量、剖面分析、三維比較。

　　(10)在將仿真過程中可能的碰撞干涉等進行修正之后，可以利用NCSIMUL中的OPTITOOL模塊對NC程序進行優化，利用OPTIT00L模塊對加工翼肋所用到的l號刀具進行空行程優化，在保證安全的前提下盡可能減少刀具的非切削時間，優化后可使加工效率提高16%左右。同時，0PTIT00L還可以針對主軸轉速、進給率等進行優化，在提高加工效率的同時還能延長機床、刀具的使用壽命。

　　結束語

　　該航空薄壁零件在五軸加工中心上進行加工，5個軸同時參與加工所合成的運動，對于一般的編程人員是很難確定的，但是NCSIMUL就很好地解決了這個問題。特別對于做五軸聯動機床的后置處理程序這個難點，如果有了機床仿真，就能很好地驗證后置處理程序，避免了直接在機床上去驗證，從而節約了財力、人力和工時。對于五軸聯動的數控加工程序，通過仿真能成功避免因五軸聯動的各軸運動優先級不同而引起的碰傷工件事件。同時我們應該在整個加工過程中貫穿程序優化的思想，對于粗加工，目的是盡快地去掉多余的材料，優化能使得在不斷變化的切削條件下，保證刀具以最大安全速度切入材料。對于半精加工和精加工，經過粗加工后，切削抗力很大，優化技術會考慮刀具在何處切入材料，調節進給率以維持穩定的切削抗力，這將延長刀具壽命并得到更高質量的表面粗糙度。

　　綜上所述，運用NCSIMUL軟件對數控加工過程進行仿真，驗證了該軟件在實際應用中的可行性，解決了數控編程和實際制造過程中的過切、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展方向，數控加工仿真可進一步提高仿真精度和效率，并有利于實現制造系統的集成，將為我國制造業的信息化起到很大的推動作用。