数控加工过程仿真

数控加工由于生产效率高、加工精度高、便于加工曲面等显著特点，在机械加工领域得到了广泛应用。然而，具体加工中所使用的数控程序代码，无论是由CAD/CAM系统自动生成还是由编程人员手工编写的，都有可能产生错误。不合适的数控程序可导致废品的产生，也可能导致零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台之间的干涉碰撞。因此，检验数控加工代码的正确性是必不可少的重要工作。传统的方法是用实物试切，即用零件毛坯样件试加工。这种方式浪费人力物力，会降低生产效率，与现代制造业的小批量、多品种生产形成了矛盾。采用计算机仿真技术在数控加工前模拟数控加工过程，即在计算机上对工件按数控加工程序进行预加工和试切，则是解决这一困难的有效途径。

数控加工过程仿真主要包括几何仿真和物理仿真两个部分。物理仿真是在虚拟制造系统中模拟实际加工切削过程中的各种物理因素的变化，分析、预测各切削参数和干扰因素对加工过程的影响，以揭示实际加工过程的实质。目前物理仿真的研究大多还停留在理论研究阶段。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其他物理因素对切削加工的影响，主要仿真机床、刀具和工件的相对运动，模拟工件被切除的过程，可检验数控编程所生成的刀位轨迹是否符合实际加工要求，有无过切或欠切，同时检查是否有干涉和碰撞，以避免耗时、费力的试切过程。目前，数控加工过程仿真多属于几何仿真。

数控加工过程仿真是借助计算机，利用系统模型对实际加工系统进行实验研究的过程，是数控机床在计算机虚拟环境中的映射。人可以凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案和更改方案时能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性和合理性，对加工方案的优劣作出评估和优化，从而最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品品质和生产效率的目的。

数控加工仿真有两种基本方式：

（1）刀具中心运动轨迹仿真，简称刀位仿真；

（2）刀具、夹具、机床和工件间的运动仿真，又称加工过程仿真。

1）刀位仿真

刀位仿真是最早采用的图形仿真检验方法，是利用刀位文件进行的模拟仿真，一般在数控自动编程的前置处理之后进行。刀位仿真通过读入刀位数据文件检查刀位计算是否正确，加工过程中是否会发生过切，所选择刀具的走刀路线、进退刀方式是否合理，刀位轨迹是否正确，刀具与约束面是否发生干涉与碰撞等。这种仿真一般采用动画显示的方法。由于它是对后置处理以前刀位轨迹的仿真，所以可以脱离具体的数控机床环境进行。刀位仿真方法比较成熟而有效，应用普遍，刀位仿真系统的总体结构如图6-8所示。

图6-8　刀位仿真系统的总体结构

2）加工过程仿真

目前，加工过程仿真的基本思路是：采用三维实体建模技术建立加工零件毛坯、刀具及夹具的实体几何模型，然后将加工零件毛坯、夹具的几何模型与刀具的几何模型进行快速布尔运算（一般为减运算），采用真实感图形显示技术，把加工过程中的零件模型、夹具模型、刀具模型动态地显示出来，以模拟出零件的实际加工过程。为增加动态效果，一般将加工过程中不同的显示对象采用不同的颜色表示，已加工表面与待加工表面的颜色不同，已加工表面上存在过切、干涉处又采用另一种颜色表示。这样使编程人员可以清晰地看到零件的加工过程，刀具是否过切及是否与约束面发生干涉等现象。

加工过程仿真是对数控代码进行仿真，主要用来解决加工过程中工艺系统间的干涉、碰撞问题和运动关系。数控加工工艺系统是一个复杂的系统，由刀具、机床、工件和夹具组成，在加工中心上加工，其中包括换刀和转位等动作。由于加工过程是一个动态的过程，刀具与工件、夹具、机床之间的相对位置是变化的，工件从毛坯开始经过若干道工序的加工，在形状和尺寸上均在不断地变化，因此加工过程仿真是在工艺系统各组成部分均已确定的情况下进行的一种动态仿真。加工过程动态仿真只有在数控自动编程后置处理以后，已有工艺系统实体几何模型和数控加工程序（根据具体加工零件编好）的情况下才能进行，专用性强。

对数控加工过程进行仿真，主要包括两方面的工作：一是建立实际工艺系统的数学模型，这是仿真的基础。数控代码的动态仿真检验过程是通过仿真数控机床、在数控代码的驱动下利用刀具加工零件毛坯的过程，用以实现对数控代码正确性的检查。因此要对这一过程进行图形仿真，就要有加工对象和被加工对象。加工对象包括数控机床、刀具、工作台及夹具等，被加工对象包括加工零件及数控代码。在开始仿真之前，必须要定义这些实体模型和求解数学模型，并将结果用图形和动画的形式显示出来。由于不同数控机床所使用的数控系统不尽相同，它们的数控程序格式、数控指令也不一定相同，因此要开发出一个通用的加工过程仿真系统具有一定难度。一般数控加工过程仿真系统的总体结构如图6-9所示。

图6-9　数控加工过程仿真系统的总体结构