虚拟加工仿真软件在数控加工技术中的应用和发展

呼刚义，王荪馨，杨 鹏

（西安理工大学高等技术学院，陕西 西安 710082）

随着产品日益多样化和技术更新周期的缩短，使得在机械制造中数控加工的优势更加突出，数控机床在机械加工设备中所占的比重逐年递增。这样对于一个不管是即将从事机械加工的从业者，还是操作普通机床经验丰富的师傅，迟早都会面临如何使用数控机床。数控机床不同于普通机床，是凝结了当前先进的科学技术即光机电一体化产品，是一种装有程序控制系统的自动化机床，也就是按程序指令描述的轨迹自动加工零件。因此如何快速高效、低成本掌握数控加床操作，以及以最低的成本快速验证数控程序正确性以及程序的合理性。数控加工仿真就是为解决这一问题应运而生。

1 虚拟加工仿真原理

数控仿真加工是利用当前迅速发展的计算机图形技术，实现了在计算机上通过软件模拟加工环境和刀具对零件的各种切削加工的过程进行三维动画显示。具体过程是采用了三维实体仿真技术，在其支持下并以NC程序为驱动，数控指令译码器对输入的NC程序进行语法检查、解释翻译。根据指令生成相应的刀具扫描体，并在指令的驱动下，对刀具扫描体与被加工零件的几何体进行求交运算、碰撞干涉检查、材料切除等，生成指令执行后的中间结果，所有这些过程均可在计算机屏幕上通过三维动画显示出来。具体流程如图1所示。

图1 虚拟加工仿真流程图

2 数控仿真加工的应用

传统上检验数控程序的正确性常采用的方法是试切法，这种方法费工费料、代价昂贵；随后采用轨迹线显示法，即用计算机控制铅笔绘轨迹加工图，以笔代替刀具纸代替毛坯仿真刀具运动轨迹的二维图形，其运动仅限平面，局限性大。随后随着计算机图形技术的迅速发展，数控加工的计算机仿真技术应运而生。笔者认为仿真加工的应用可以分为两种情况。

（1）在数控编程中，常常利用各种类型的CAD/CAM软件对复杂零件进行自动编程，其实绝大多数的CAD/CAM软件都提供了数控加工仿真功能，且仿真功能的好与坏已成为评价其软件CAM部分好坏的重要标准[1]。CAD/CAM软件属于图形交互式自动编程系统，其工作过程是首先通过软件的CAD系统提供的图形生成和编辑功能绘制零件图完成零件造型；随后以人机交互方式选定加工方法、输入相应的加工工艺参数和选定要加工的零件部位及方向，软件自动生成刀具加工轨迹数据。再通过CAD/CAM中仿真功能按已生成的刀具加工轨迹数据三维动态显示刀具对毛坯加工过程。进而通过对显示加工过程观测，重复设置参数直至生成正确的合理的刀具轨迹。最后通过软件的后置处理功能生成数控程序。其流程图如图2所示。刀具加工轨迹生成和仿真加工如图3所示。常用的CAD/CAM软件有Pro/Engineer、UG、MasterCAM、CAXA制造工程师等等。

图2 图形交互式CAD/CAM工作过程

（2）专用的商品化的数控加工仿真软件，比如VNUC数控仿真系统、上海宇龙数控仿真系统、VERICUT、NCV等[2]。就以VNUC数控仿真系统为例，该软件提供了以三大系统Fanuc、西门子、华中数控为主，还有其他的一些如广州数控、阿贝尔信浓ASINA Series 205-T CNC等数控系统的车、铣、加工中心共20多种三维虚拟仿真机床，是真实机床的计算机上三维显示再现，在选定好系统和机床后，其操作和真实的数控机床一样，上电开机、面板操作回零、定义并装夹毛坯、设定和安装刀具、基准测量、用手轮或步进按钮试切对刀建立工件坐标系、通过面板按键输入程序代码或文件传入、自动加工、测量等，最后加工出预想好的零件模型。如果程序有问题、超程、刀具碰撞干涉等等，也会出现和实际机床相同的动作和报警。这类仿真软件，对于初学者不但可以熟悉机床的操作，还可以验证熟悉数控代码的含义；而对于熟悉者，通过零件的虚拟仿真加工可以快速验证复杂程序的正确性，并进行轨迹优化。VNUC数控仿真系统如图4所示。

图3 零件的自动加工轨迹生成和虚拟仿真加工

图4 零件的自动加工轨迹生成和虚拟仿真加工

3 结论

在计算机上利用数控加工仿真软件对数控机床和加工过程进行模拟仿真，不但可以熟悉不同系统的机床操作，而且可以快速、安全和有效地对NC程序的正确性进行较准确的评估，并可根据仿真结果对NC程序迅速地进行修改，免除在实际机床上适切加工的反复过程，节约材料消耗和生产成本，提高学习工作效率。因此，数控加工过程的计算机仿真是低成本快速熟悉数控机床有效的工具和NC程序高效、安全和有效的检验方法。但是当前的数控加工仿真的作用主要体现在几何仿真方面，也就是仅仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性、有无刀具与工装的干涉碰撞以其合理的刀具加工轨迹等等。而对于物理仿真方面例如切削参数、切削力及其他物理因素的模拟，来实现切削用量的优化和加工误差的预测补偿等涉及很少[3]。这是由于这方面的加工过程的机理特性十分复杂，需要更多的研究才能体现在数控加工仿真上面，当然这也是数控仿真下一步发展的方向。

［1］关雄飞.CAXA制造工程师应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］袁宗杰.数控仿真技术实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［3］王爱玲.数控加工理论与实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2009.