数控加工仿真技术发展现状与趋势

2016-03-16高菁

环球市场 2016年20期

关键词：仿真技术数控机床机床

高菁

天津机电职业技术学院

数控加工仿真技术发展现状与趋势

高菁

天津机电职业技术学院

随着经济的迅速发展，客户对于产品的需求也日渐多样化，生产厂家为顺应时代的发展和客户需求，需要大幅度减短产品的研制周期，对于产品的零部件业，其越来越复杂，近几年越来越多的公司引入仿真技术，以提高产品竞争力。通过研究数控加工在仿真技术中的应用，改善制造业的加工质量，提高加工效率，对于我国现代制造业的发展有着重要的意义。

数控加工；仿真技术；应用

1 数控加工仿真的主要目的包括

1.1 检验数控加工程序是否有过切或欠切。通过数控加工仿真，可用几何图形、图像或动画的方式显示加工过程，从而检验零件的最终几何形状是否符合要求，目前主流的CAD/CAM软件中都具备数控加工轨迹模拟及过切、欠切的分析功能。

1.2 碰撞干涉检查。通过数控加工仿真，可以检查数控加工过程中刀具、刀柄等与工件、夹具等是否存在碰撞干涉，以及检查机床运动过程中主轴是否与机床零部件、夹具等存在碰撞干涉，从而确保能加工出符合设计的零件，并避免刀具、夹具和机床的不必要损坏。

1.3 切削过程中的力热仿真。近年来，随着仿真技术的发展及实际生产的需要，对加工过程中产生的力、热等物理量的分析受到越来越多的关注。通过仿真切削过程中力、热等物理量，可以对加工过程中的受力状态、热力耦合、残余应力等进行分析，从而为加工过程控制、切削参数优化等提供参考。

1.4 切削参数优化。数控加工过程仿真的重要目的之一是切削参数优化，即通过数控加工过程的仿真，发现现有轨迹中存在的问题以及参数设置有待提升的部分，从而对切削参数进行优化以提高加工效率。

1.5 刀具磨损预测。在难加工材料、高精度材料零件的加工过程中，刀具的磨损速率较快且刀具磨损导致零件加工精度和已加工表面的完整性受到影响。因此，预测加工过程中刀具磨损对确保加工精度与工件的表面完整性有重要作用。

其中，针对过切、欠切和碰撞干涉检查的仿真通常称为几何与运动仿真，主要是检查数控加工过程中的几何量及运动关系是否正确；力热仿真与刀具磨损的预测等通常称为物理仿真，主要是用于仿真数控加工过程中物理量，并可以对加工后的工件变形与质量进行分析。

2 数控加工中几何仿真

几何仿真系统是将数控机床、刀具、工件和夹具组成的工艺系统当作一个刚性系统，不考虑系统的各种物理因素而建立的仿真系统，对加工过程进行直观动态图形描述和精度检验。几何仿真方面主要分为两类：不带机床的轨迹验证和带完整机床的轨迹验证。不带机床的轨迹验证主要用于检验CAM软件中轨迹的正确性，并对加工过程中可能出现的过切或欠切、碰撞干涉等进行判断。目前主流的CAD/CAM软件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等数控加工仿真软件都具备较为成熟的轨迹验证功能，这一仿真技术发展已较为成熟。带完整机床的轨迹验证除了可以对加工轨迹本身的正确性进行验证外，还可以对机床的运动过程、潜在的机床碰撞等进行分析。加工过程中，一旦发生碰撞事故，不仅维修难度大、费用高，延误生产计划，造成严重经济损失，更会对机床操作工人的人身安全带来威胁。因此，数控机床运动的防碰撞成为了数控加工的关键问题之一。目前主流的CAD/CAM软件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等数控加工仿真软件都具备带完整机床的仿真功能。通过对完整加工环境的建模与配置，可以实现对加工过程的仿真上述软件的仿真过程通常为离线仿真，针对数控机床加工现场的诸多不确定性因素，西安交通大学发展了一种对数控加工碰撞干涉检测的在线监测方法，开发了数控机床在线运动防碰撞系统。该系统建立了虚拟数控机床，通过从数控机床编码器中实时获取数控机床运动信息进行在线运动仿真，实现对碰撞干涉的检测。这是数控加工过程几何仿真的一种新发展。

3 数控加工仿真技术存在问题

3.1 几何模型的准确性。目前的仿真技术中，刀具的几何模型通常采用简化的三维模型进行仿真计算这导致在仿真精度上受到很大的影响。同时，准确计算多轴加工过程中的切屑厚度也是提高几何与物理融合仿真精度的重要途径。

3.2 基础切削数据库支持。几何与物理融合的仿真技术已成为数控加工仿真技术的重要仿真方向，为进行复杂加工过程中的仿真与预测，通常需要大量的基础切削数据支持。这些数据包括：刀具和工件材料的基础数据、基于真实试验的基础切削数据(力、热、应力数据等)。这些基础数据的完整性与准确性对切削加工过程的物理仿真，以及几何与物理融合仿真的准确性有着重要作用。

3.3 更多真实物理因素的仿真与预测。在实际加工过程中，仍有很多对加工过程有重要影响的因素尚未被充分反映到目前的仿真系统中。例如，在真实安装过程中，刀具一般会存在或多或少的偏心，而偏心的尺度通常会接近甚至超过切削过程中未变形切屑的厚度。这将严重影响铣刀的每齿负载并造成崩刃或加速磨损，导致实际加工结果和预测结果差距较大。因此，考虑到更多对加工过程有重要影响的真实物理因素会对仿真精度的提高有重要作用。

4 数控加工仿真技术的融合发展

从几何仿真与物理仿真的发展及涉及到的关键技术可以看出，两种仿真方式由于计算量的差别一般相对独立发展。然而，随着加工技术的发展，对工件加工表面完整性、加工变形控制、尺寸精度控制等提出了同等要求。因此，如何将几何仿真与物理仿真相结合，并达到实时的仿真速度与精度成为数控加工仿真技术发展的重要方向。近年来，工业界与学术界针对几何与物理的集成仿真开展了大量研究工作，取得了重要进展。数控加工过程仿真技术的发展已经从单纯的几何与运动仿真发展到了几何与物理融合仿真。