关于仿真技术在数控加工中应用的思考

摘 要：随着产品竞争的激烈，产品研制周期缩短，由于零件形状越来越复杂，借助计算机辅助设计制造软件-CATIA，实现三维环境下的刀具加工轨迹仿真，并验证在后置处理前，刀具轨迹的正确性。通过后置处理，生成数控机床可识别的代码，在程序下发，开始真实制造之前，借助VERICUT数控加工仿真软件进行数控程序的仿真，模拟真实加工环境，检测加工过程中可能存在的问题。现代制造技术正朝着提高效率、高速度、高精度、高集成和高智能方向发展，加工智能化和虚拟制造已成为现代制造业中最重要的组成和发展方向，并成为提高产品国际竞争力的关键技术。通过仿真技术的应用，在复杂零件的加工中，消除了由于程序错误导致的切伤工件、损坏夹具、折断刀具或碰撞机床的现象；减少了废品和重复地调试程序；大幅度地提高了加工效率，改善了加工质量，缩短了研制周期，对现代制造业的发展具有重要意义。

关键词：仿真； 数控加工

中图分类号：TP15 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2014）11-155-002

随着激烈的产品竞争，产品研制周期缩短，若还是以原来的编程方式、验证程序准确性的方式研制产品，周期将会严重滞后，而且研制风险也会增大。由于零件形状越来越复杂，机床刀具轨迹的生成过程中一般不考虑机床的具体结构和工件的装夹方式，所以不能确保编写出的数控加工程序能够安全、正确的执行，尽管目前在工艺规划和刀具轨迹生成等技术方面已经取得了很大的进展，但是由于这些零件形状的复杂多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序并不存在任何问题仍十分困难。如果能在零件制造前，就能验证程序准确性，提前发现程序错误，可以避免因试加工造成的零件报废，避免重复的编写程序，提高工作效率，节省大量时间。

一、仿真的概念及意义

1.何为仿真

仿真就是将所研究的对象用其他手段加以模仿的一种活动。如曹冲称象、军事演习、飞行器风洞试验、核爆炸试验等，属于实物仿真的例子。计算机仿真是一种非实物仿真方法，它是利用计算机对一个宏观复杂系统的结构和行为进行动态模仿，从而获得该系统及其变化过程的特性指标，以评价或预测系统的行为效果，为决策提供信息的一种方法。简而言之，对某系统的计算机仿真就是建立该系统的仿真模型，并就该模型在计算上进行试验。

2.为什么要进行仿真

第一，有利于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。

第二，可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数模型结果的比较之中，选择最佳模型。

第三，对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。

第四，对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。

二、数控机床仿真系统

1.VERICUT系统

该系统是应用最为广泛的数控加工仿真软件，它不仅可以模拟数控代码查证步骤，还可以最大限度的提高去料切削效率。

VERICUT是交互的模拟数控加工轨迹代码的去料切削运动的。VERICUT模拟的部分将可视的显示在计算机屏幕上，验证刀具轨迹的精度，并确保经验证的部分达到设计标准。在正式的加工开始之前，VERICUT发现那些阻碍加工过程的矛盾并且确认出可靠的加工轨迹序列号以便迅速便捷的修改。

几乎所有形式的刀具轨迹代码都可以作为VERICUT的输入程序。M&G代码与APT形式的CL文件一样，都可以被VERICUT直接执行。类似于真实加工的是，VERICUT需要走刀轨迹代码，需要对于被加工的原材料的描述，也需要对于切削刀具的描述。这个验证过程的结果之一是一个加工过的（三维）固体模型——即产品；之二是一个报告——在模拟加工过程所监测到的所有错误的日志文件。而且VERICUT的模型可以被检测，保存或用来作为其他走刀轨迹的原材料。

VERICUT可以模拟直至5轴的铣削﹑钻孔或线框EDM操作，也可以模拟车削和铣车组合的加工运动。由于有了一系列增加特征与机械性的专用模块，VERICUT真的是一个全方位的模拟﹑验证﹑优化的方法。这种方法可以很好的解决提高数控加工效率的问题。

2.VERICUT Machine Simulation系统

VERICUT Machine Simulation系统是目前数控加工仿真软件中功能最强大，对机床的使用、控制过程的模拟最易实现的一个。

VERICUT Machine Simulation系统主要的功能是解释可识别的数控代码（G—代码）文件，并且可见地模拟机床按照G—代码进行加工的过程。一些较为复杂的数控加工技术，如刀具直径补偿、刀具长度补偿、加工坐标系等都可以进行仿真。Machine·Simulation系统通常与VERICUT系统及其他验证软件一起使用，这样的结合可以得到功能最全面的一个验证系统。在该系统中，Machine·Simulation模拟机床运动，探测机床碰撞及过程等错误，而VERICUT则模拟工件切割过程，检验数控代码的正确性。这就为数控加工过程提供了全面的错误检测系统，使加工过程的效率达到了最高。

三、数控机床加工仿真软件VERICUT应用

应用VERICUT机床仿真系统进行一般的机床加工仿真，需要首先通过Machine Simulation系统建立机床运动学模型，系统提供部分控制文件库供使用者调用或修改以满足定制要求，然后利用建模模块建立机床的几何模型，按照图纸设定机床初始位置，形成相应的控制文件、机床文件和工作文件。

其次，通过VERICUT系统定义夹具和毛坯，调入走到轨迹，定义刀具形状和文件，设定相应的参数，即可进行刀具轨迹的仿真。再次，在VERICUT系统中进入Machine Simulation，按照机床模型添加机床实体，夹具和毛坯实体，设定相应的参数，即可同时进行刀具轨迹和机床运动仿真。按照仿真的状况和系统提供的LOG文件，可以修改相应的刀具轨迹文件和部分参数，直至仿真完全达到要求为止。

此外，还可以利用系统提供的AUTO-DIFF模块进行加工后模型和设计模型的比较，以进一步比较仿真加工出的零件与理论设计的零件之间的差异，通过设定误差和显示方式来探测仿真中存在的过切和欠切情况；利用系统提供的OptiPath模块来优化刀具轨迹，提高加工效率和机床利用率。利用系统提供的二次开发功能识别和仿真特殊的刀具轨迹等等。

四、零件的仿真加工

VERICUT是当前全球数控加工程序验证、机床模拟、工艺优化软件领域的领先者，被广泛应用于三轴及多轴的实际生产中。VERICUT采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，可以验证和检测NC程序可能存在的碰撞、干涉、过切、欠切、切削参数不合理等问题。同时在教学中，利用该软件的定量检测及分析功能，可评判学生确定工艺方案的合理性，以达到了解学生对所学知识和技能掌握情况的目的。

对于数控工艺分解和制定来说，加工工艺路线的确定是重点，刀具的选择和加工参数的选择是加工工序的难点。在相同的工艺路线下，选择不同刀具和加工参数直接影响零件的加工效率和质量。无论是三轴加工复杂的零件外轮廓和不规则的腔体，还是五轴加工零件，恰当的选择刀具半径和长度都是难点，将直接影响加工结果。

现阶段被广泛使用的虚拟加工技术可完成G代码的验证，验证工艺路线选择的正确性，但对于刀具选择和参数选择只能做到定性的分析，但VERICUT软件则可以给出相关的定量分析。用VERICUT的“自动比对”功能，在工件加工时帮助操作者稳、准、快地选择刀具。熟练掌握VERICUT的功能后，您会发现该软件不仅能对NC程序进行仿真、验证、分析及优化，而且还能模拟出各学校的实训设备、实习环境，根据虚拟的现实加工条件进行验证，以检测加工过程中可能存在的问题，并优化工艺方案。

利用VERICUT系统建立的虚拟机床进行零件的仿真加工，与实际机床加工效果相对比，验证了利用VERICUT软件进行零件的仿真加工与虚拟制造是行之有效的办法。软件所采用的一些仿真软件，如用户可自行进行机床、刀具与夹具的开发设计、逼真实用的仿真控制与界面等，可实现全过程的数控加工仿真。采用该方法不仅可以缩减程序的调试时间，还可以减少加工设备和资源的消耗。通过仿真技术的应用，在复杂零件的加工中，消除了由于程序错误导致的切伤工件、损坏夹具、折断刀具或碰撞机床的现象；减少了废品和重复的调试程序；大幅度地提高了加工效率，改善了加工质量，缩短了研制周期，对现代制造业的发展具有重要意义。

参考文献：

[1]陈波，赵福令.基于VERICUT的数控加工过程仿真技术[J]机械设计与制造，2006，45 （6）

[2]张惠林，轩继花，姜士湖.基于VERICUT的五轴联动数控加工仿真[J]现代制造工程，2006，29（7）