數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)及應(yīng)用

1、第20卷第4期文章編號:1006-9348(2003)04-0092-03計(jì)算機(jī)仿真2003年4月數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)及應(yīng)用李軍鋒,李劍,席平(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京100083)摘要:該文簡要論述了數(shù)控機(jī)床加工仿真技術(shù)及其研究現(xiàn)狀,介紹了目前國外成熟的數(shù)控機(jī)床加工仿真軟件VERICUT,并且充分應(yīng)用這種軟件的各項(xiàng)功能進(jìn)行了具體的機(jī)床加工仿真和干涉檢查及代碼優(yōu)化。關(guān)鍵詞:數(shù)控加工;加工仿真;干涉檢查;代碼優(yōu)化中圖分類號:TP391.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B1概述數(shù)控加工是一個(gè)自動(dòng)過程,需要工藝人員事先確定加工過程的工藝流程。在制訂流程的過程中,工藝人員不僅需要考慮各種加工工藝因素

2、,同時(shí)還要考慮到干涉問題件形狀是空間三維形狀,機(jī)床是幾軸聯(lián)動(dòng),工參數(shù)的選擇是否合理、,。所以必須、計(jì)算的可視化環(huán)境,能制定、優(yōu)化工藝流程的輔助手段,以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短制造周期的目的。為此迫切需要應(yīng)用相對成熟的仿真技術(shù)對產(chǎn)品的數(shù)控加工過程進(jìn)行真實(shí)加工前的觀察,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和盡快解決問題,避免造成不必要的損失?？刂魄邢鲄?shù),。目前常用,CL(CutterLoca2tion,即刀位)數(shù)據(jù)還是采用NC代碼,數(shù)據(jù)加工仿真可分為兩類:一類是基于后置處理前的數(shù)據(jù)(CL數(shù)據(jù))所進(jìn)行的仿真,即基于CL數(shù)據(jù)的數(shù)控加工過程仿真;另一類是基于后置處理所產(chǎn)生的NC程序而進(jìn)行的仿真,即基于NC程序的數(shù)控加工過程仿真

3、?；贑L數(shù)據(jù)的仿真不考慮切削參數(shù)、切削力及其物理因素的影響,只有仿真工件刀具的運(yùn)動(dòng),主要目的是檢驗(yàn)刀位軌跡的正確性,以保證零件的加工質(zhì)量。這類仿真方法開展得比較早,到目前為止已有一些比較成熟的思想和商品化軟件?；贜C程序的仿真主要用途可以概括為三方面:NC程序的正確性檢驗(yàn)與優(yōu)化、操作工培訓(xùn)、碰撞檢驗(yàn)。由于驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的是NC指令,所以基于NC程序的加工過程仿真比基于CL數(shù)據(jù)的加工過程仿真更接近實(shí)際,但也由于在仿真過程中考慮了加工環(huán)境,從而增加了仿真難度。目前數(shù)控加工仿真的研究大量集中在刀具軌跡方面,對于三坐標(biāo)以下的零件加工來說,效果是令人滿意的。但是對于三坐標(biāo)以上的數(shù)控設(shè)備來講,僅僅檢

4、查刀具軌跡是不夠的,還需對機(jī)床加工過程進(jìn)行仿真,以檢驗(yàn)加工過程中刀具過切、刀具與夾具及機(jī)床的碰撞等,此外,在機(jī)床應(yīng)用效率方面,也須考慮刀具加工文件的優(yōu)化問題,以便在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下,提高零件加工效率和機(jī)床的利用率。國內(nèi)對于數(shù)控機(jī)床加工仿真的研究主要在具體應(yīng)用對象方面,在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也主要是應(yīng)用OpenGL顯示動(dòng)畫技術(shù),也有少量是應(yīng)用部分CAD/CAM系統(tǒng)的仿真模塊實(shí)現(xiàn)的,如UG系統(tǒng)的Unisim模塊。但在機(jī)床加工仿真的通用性方面,做的研究相對較少。2數(shù)控加工仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀為確保數(shù)控程序的正確性,在生產(chǎn)中,常采用易切削的材料代替工件進(jìn)行試切,檢驗(yàn)加工指令。也有采用軌跡顯示法,即以劃針

5、或筆代替刀具,以著色板或紙代替工件來仿真刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的二維圖形(也可以顯示二維半的加工軌跡)。但這些方法費(fèi)工費(fèi)料,使生產(chǎn)成本上升,增加了生產(chǎn)周期。為此,人們一直在研究能逐步代替試切的計(jì)算機(jī)仿真方法,并在試切環(huán)境的模型化、仿真計(jì)算和圖形顯示等方面取得了重要的進(jìn)展,目前正向提高模型的精確度、仿真計(jì)算實(shí)時(shí)化和改善圖形顯示的真實(shí)感等方向發(fā)展。從試制環(huán)境的模型特點(diǎn)來看,目前數(shù)控(NC)切削過程仿真分幾何仿真和力學(xué)仿真兩個(gè)方面。幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力及其它物理因素的影響,只仿真刀具-工件幾何體的運(yùn)動(dòng),以驗(yàn)證NC程序的正確性。它可以減少或消除因程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷、夾具破壞或刀具折斷、零件報(bào)廢等

6、問題;同時(shí)可以減少從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的時(shí)間,降低生產(chǎn)成本。切削過程的力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇,它通過仿真切削過程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測刀具破損、刀具振動(dòng)、收稿日期:2002-03-0692© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3機(jī)床仿真系統(tǒng)3.1VERICUT系統(tǒng)件中功能最強(qiáng)大,對機(jī)床的使用、控制過程的模擬最易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)。該系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)控加工仿真軟件,它不僅可以模擬數(shù)控代碼查證步驟,還可以最大限度的提高去料切削效率。圖2使用VERICUT和Mach

7、ineSimulation的驗(yàn)證系統(tǒng)VERICUTMachineSimulation系統(tǒng)主要的功能是解釋可識別的數(shù)控代碼(G代碼)文件,并且可見地模擬機(jī)床按照G代碼進(jìn)行加工的過程。一些較為復(fù)雜的數(shù)控加工技術(shù),如刀具直徑補(bǔ)償、刀具長度補(bǔ)償、加工坐標(biāo)系等都可以進(jìn)行仿真。在真正開始加工之前可以發(fā)現(xiàn)機(jī),損失;,并且識別出最圖1應(yīng)用VERICUT查證刀具軌跡的過程,方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。在Machine,并在錯(cuò)誤表列里一VERICUT一列出,作為參考之用。MachineSimulation系統(tǒng)通常與VERICUT系統(tǒng)及其它驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)的。VERIC上,準(zhǔn)。,VERICUT發(fā)現(xiàn)那些阻礙加工過程的矛盾并且確認(rèn)出可靠的

8、加工軌跡序列號以便迅速便捷的修改。幾乎所有形式的刀具軌跡代碼都可以作為VERICUT的輸入程序。M&G代碼與APT形式的CL文件一樣,都可以被VERICUT直接執(zhí)行。類似于真實(shí)加工的是,VERICUT需要軟件一起使用,這樣的結(jié)合可以得到功能最全面的一個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,MachineSimulation模擬機(jī)床運(yùn)動(dòng),探測機(jī)床碰撞及過行程等錯(cuò)誤,而VERICUT則模擬工件切割過程,檢驗(yàn)數(shù)控代碼的正確性。這就為數(shù)控加工過程提供了全面的錯(cuò)誤檢測系統(tǒng),使加工過程的效率達(dá)到了最高。除了機(jī)床和控制過程的仿真,MachineSimulation還提供不同類別數(shù)控代碼的轉(zhuǎn)換技術(shù),它可以把一些陳舊的

9、不能使用的數(shù)控代碼轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的ASCAPT刀具軌跡文件。這種通用的APT刀具軌跡文件可應(yīng)用于大多數(shù)通用數(shù)控機(jī)床,或者用VERICUT進(jìn)行仿真。系統(tǒng)應(yīng)具備有關(guān)數(shù)控機(jī)床的物理特性的信息,還應(yīng)該具有用數(shù)控命令解釋數(shù)控代碼的能力,這兩者決定了系統(tǒng)可以控制模擬仿真的全過程。軟件本身還為用戶提供了機(jī)床和控制文件庫,用戶可根據(jù)自己的需要任意進(jìn)行組合得到所需的加工系統(tǒng)。同時(shí)還允許用戶自己定義機(jī)床,編制控制文件,得到自己希望的仿真環(huán)境和過程。它的主要模塊和功能有:1)機(jī)床構(gòu)建器走刀軌跡代碼,需要對于被加工的原材料的描述,也需要對于切削刀具的描述.這個(gè)驗(yàn)證過程的結(jié)果之一是一個(gè)加工過的(三維)固體模型即產(chǎn)品;之二是

10、一個(gè)報(bào)告在模擬加工過程所監(jiān)測到的所有錯(cuò)誤的日志文件。而且,VERICUT的模型可以被檢測,保存或用來作為其他走刀軌跡的原材料。除了簡化并使驗(yàn)證過程更有效率之外,VERICUT還大大的提高了工廠的生產(chǎn)率。在VERICUT中的優(yōu)化設(shè)置是自動(dòng)化的,并且是用戶可選擇的。這讓用戶可以使去料切削效率最大。基于切削深度、切削寬度、切削角度,每一刀具軌跡的進(jìn)給速度和切削速度都被調(diào)節(jié)到最佳。事實(shí)上,你甚至可以為你的操作設(shè)置VERICUT進(jìn)行刀具補(bǔ)償或其它一些獨(dú)一無二的設(shè)置。VERICUT可以模擬直至5軸的銑削、鉆孔或線框EDM操機(jī)床構(gòu)建功能為修改現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床和控制指令提供了工具,同時(shí)也可以利用它根據(jù)仿真環(huán)境的

11、需要添加新的設(shè)備。這些“數(shù)字”設(shè)備以可見的圖形方式在一個(gè)簡單卻功能強(qiáng)大的用戶界面下被組裝、修改和測試。在MachineSimulation中可以用實(shí)體模型(如長方體、圓柱體、圓錐體等體素)或從CAD系統(tǒng)引入的其他模型(如IGES模型、線框模型)來對機(jī)床的部件(如直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)、主軸、夾具、夾子等等)以及其他一些細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。程序還提供了各種方法來實(shí)現(xiàn)一些更高級的功能,如刀具直徑作,也可以模擬車削和銑車組合的加工運(yùn)動(dòng)。由于有了一系列增加特征與機(jī)械性的專用模塊,VERICUT真的是一個(gè)全方位的模擬、驗(yàn)證、優(yōu)化的方法。這種方法可以很好的解決提高數(shù)控加工效率的問題。3.2MachineSimu

12、lation系統(tǒng)VERICUTMachineSimulation系統(tǒng)是目前數(shù)控加工仿真軟93© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 補(bǔ)償、刀具長度補(bǔ)償、加工坐標(biāo)系、計(jì)量長度編程、變量編程、宏指令、子程序等等。機(jī)床構(gòu)建器還可以將標(biāo)準(zhǔn)的ASC數(shù)控代碼轉(zhuǎn)化成其他形式的代碼。通過轉(zhuǎn)化格式,使得一些陳舊的或者存在問題的數(shù)控程序被重新利用成為可能,這就大大節(jié)省了機(jī)床的耗費(fèi)和程序員的時(shí)間。直接把舊的刀具軌跡程序轉(zhuǎn)化并運(yùn)行于一個(gè)適合目前需要的機(jī)床/控制組合,也遠(yuǎn)勝于重新編

13、輯舊的程序。日志文件可以顯示原先的數(shù)控代碼與轉(zhuǎn)化后運(yùn)行情況之間的關(guān)系。2)機(jī)床開發(fā)工具箱4一個(gè)實(shí)例應(yīng)用Vericut機(jī)床仿真系統(tǒng)進(jìn)行一般的機(jī)床加工仿真,需要進(jìn)行如下步驟:1)通過MachineSimulation系統(tǒng)建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,系統(tǒng)提供部分控制文件庫供使用者調(diào)用或修改,以滿足定制要求,然后利用建模模塊建立機(jī)床的幾何模型,按照圖紙?jiān)O(shè)定機(jī)床初始位置形成相應(yīng)的控制文件、機(jī)床文件和工作文件。2)通過Vericut系統(tǒng)定義夾具和毛坯,調(diào)入走到軌跡,定義刀具形狀和文件,設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)即可進(jìn)行刀具軌跡的仿真。3)在Vericut系統(tǒng)中進(jìn)入MachineSimulation,按照機(jī)床模當(dāng)Machine

14、Simulation的功能對于大多數(shù)數(shù)控模擬都較為理想時(shí),機(jī)床開發(fā)工具箱可以滿足一些特殊的仿真和加工要求。這個(gè)模塊是一個(gè)高層面的編程工具。它可以提高VERI2CUT解讀復(fù)雜的和特殊的數(shù)控代碼的能力,來滿足一些特殊型添加機(jī)床實(shí)體、夾具和毛坯實(shí)體,設(shè)定相應(yīng)的參數(shù),即可同時(shí)進(jìn)行刀具軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真。4)文件可以修改相的需要。機(jī)床開發(fā)工具箱提供編程工具和方法,首先需要定義VERICUT解讀數(shù)控代碼所需要的宏,然后宏被編譯到與標(biāo)準(zhǔn)文件庫相連的目標(biāo)文件中,這樣就得到一個(gè)新的CGTech可執(zhí)行宏文件,又稱“CME文件”何來源的數(shù)控代碼都可以解讀,出。3)AUTO-AUTO-DIFF要用比較設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)與

15、VERICUT組件的同異,從而快速的識別出設(shè)計(jì)的和模擬的切止O-DIFF模塊進(jìn)行加,以進(jìn)一步比較仿真加工出的零,通過設(shè)定誤差和顯示方式來探測仿真中存在的過切和欠切情況;利用系統(tǒng)提供的Opti2Path模塊來優(yōu)化刀具軌跡,提高加工效率和機(jī)床利用率。利用系統(tǒng)提供的二次開發(fā)功能識別和仿真特殊的刀具軌跡等等。以下利用該系統(tǒng)仿真Mikronwf72數(shù)控加工中心加工一個(gè)瓶子模型的實(shí)例,控制器為Heidenhain415b型。經(jīng)過驗(yàn)證后和優(yōu)化后的刀具軌跡文件以及機(jī)床設(shè)置參數(shù),在實(shí)際的加工過程中,完全可用并且加工時(shí)間節(jié)省了50%。割部分的差別。AUTO-DIFF就是要通過在實(shí)際加工之前檢測發(fā)現(xiàn)問題來減少數(shù)控加

16、工過程的總成本。AUTO-DIFF可以比較從CAD系統(tǒng)引入的仿真模型與設(shè)計(jì)的剖面模型的幾何特性。通過比較IGES準(zhǔn)確數(shù)學(xué)描述的模型和用于仿真的模型,VERICUT系統(tǒng)對錯(cuò)誤的檢測可以達(dá)到相當(dāng)高的精度。有了AU2TO-DIFF的比較,加工中留在工件上的諸如切削不足或過切的部分就可以自動(dòng)地識別并顯示出來。AUTO-DIFF在節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間和成本的同時(shí),也提高了首輪加工的質(zhì)量。4)幾何工具包幾何工具包可以將各種CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成STL文件或者其他CGTech產(chǎn)品可用的文件。還可以修復(fù)存在問題的模型文件,或從表面模型生成實(shí)體模型。這一功能可以使那些沒用或應(yīng)用有限的模型轉(zhuǎn)化成可利用的如組件、夾具等實(shí)體,還

17、可以轉(zhuǎn)化為CGTech產(chǎn)品及其它應(yīng)用軟件可利用的設(shè)計(jì)模型。5)數(shù)控最優(yōu)化圖3有MachineSimulation的VERICUT刀具軌跡仿真系統(tǒng)數(shù)控最優(yōu)化功能包括數(shù)控驗(yàn)證的全部功能,而且還可以根據(jù)不同材料的進(jìn)給率和機(jī)床轉(zhuǎn)速來優(yōu)化數(shù)控加工軌跡,檢驗(yàn)刀具根部和刀柄的碰撞,進(jìn)一步提高機(jī)床的利用率。參考文獻(xiàn):1喬詠梅,張定華.數(shù)控仿真技術(shù)的回顧與評述J.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào),1995.101HT5”SS(下轉(zhuǎn)第59頁)94© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

18、 中的真空度、集油室的溫度和污油以及配套泵的工作壓力等參數(shù),以判斷模型建立是否正確。該模型已成功被運(yùn)用到我校為上海海校和廣海培訓(xùn)中心研制的WMS-2000型輪機(jī)仿真訓(xùn)練器中,并且驗(yàn)證正確。最后,根據(jù)需要設(shè)置一些故障,即建立仿真對象非正常態(tài)的數(shù)學(xué)模型,并產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警反應(yīng)。參考文獻(xiàn):1游景玉著.實(shí)時(shí)仿真技術(shù)及其應(yīng)用M.珠海出版社,1997-712陳輝等.船用柴油機(jī)非正常態(tài)建模及其在輪機(jī)仿真訓(xùn)練器中的5結(jié)論通過上述油水分離器裝置在WMS-2000型輪機(jī)仿真訓(xùn)練器中的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程,我們不難看出物理仿真機(jī)中仿真對象的設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)仿真建模具有如下特點(diǎn):首先,確定仿真對象,根據(jù)仿真需要設(shè)計(jì)仿真表盤;其次,

19、建立仿真對象正常態(tài)的全物理過程的數(shù)學(xué)模型,不管數(shù)學(xué)模型多么復(fù)雜,最終都必須以代數(shù)式來表達(dá),在算法選擇時(shí),一定要保證每一數(shù)學(xué)模型在運(yùn)算過程得到收斂的結(jié)果,并且算法必須是精確而又快速的;應(yīng)用J.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào),1996-1013孫俊.實(shí)時(shí)仿真建模技術(shù)及其在輪機(jī)仿真訓(xùn)練器中的應(yīng)用J.計(jì)算機(jī)仿真,2000-21作者簡介孫俊(1968-),男(漢族),湖北武漢人,講師,在職博士生,1994年畢業(yè)于武漢交通科技大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè),現(xiàn)在武漢理工大學(xué)輪機(jī)仿真中心工作。RealizationandDesignofInSUNJunofTechnologyMarinesimulationCenter,Wuhan

20、Hubei430063,China)ABSTRACT:Thispaperpresentsthedesignprocessofobjectofsimulationinphysicalsimulator,andthemethod&thecharacteristicofmod2elingofthereal-timesimulation.Bywayofasuccessfulexample:therealizationanddesignofanti-pollutionplantoil-waterseperatorinWMS-2000marinemachinerysimulator.KEYWORDS:Marineanti-pollutionplant;Simulator;Design;Realization(上接第94頁)2陳志偉.國外NC加工仿真技術(shù)的現(xiàn)狀分析J.成組技術(shù)與生作者簡介李軍鋒(1973.2-),男(漢族),陜西三原人,講師,碩士。主要從事虛擬制造及加工仿真技術(shù)的研究。產(chǎn)現(xiàn)代化,1996.613李小平,段正澄.數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)的研究J.制造業(yè)自動(dòng)化,2000.21李劍(1977.3-),男(漢族),遼寧沈陽人,碩士研究生。研究方向CAD/CAM