基于NCSIMUL的数控加工仿真技术研究

1 概述

数控加工仿真是CAD／CAM技术中的关键技术，是数控技术、仿真技术与虚拟现实技术等先进技术的交叉应用。

实际数控加工过程中，常常为了校验数控程序的正确性，需进行一次或多次试切，同时数控加工参数也需要不断调试，直到确认数控程序能够完成预定的加工要求。这样不仅浪费资源、效率低下，而且可能因操作过程中的碰撞或干涉等问题造成经济损失。数控加工过程仿真则可以很好地解决以上问题，在加工仿真领域，数控加工仿真既是目前理论研究的热点，又是制造业应用的重点。

由于零件的三维形状越来越复杂，机床是多轴联动，在加工过程中，加工参数的选择是否合理，零件与机床干涉否，是否存在过切等现象既相互关联又各自遵循自己的变化规律。工艺人员以现有的工艺水平以及分析计算手段很难考虑到方方面面，所以必须给技术人员提供一种能综合考虑各个因素，能制定、优化数控工艺流程的辅助手段。为此迫切需要应用相对成熟的仿真技术对数控加工过程进行真实加工前的演示与分析，以便在早期及时发现解决问题，避免造成不必要的损失。以便缩短产品的生产周期，提高生产效率，从而降低生产成本。

制造业正在进行着以信息技术为载体的技术革命。法国SPRING Technologies公司开发的NCSIMUL软件是世界上应用最广泛的专业数控加工仿真系统，具有强大的三维加工仿真、验证、优化等功能，可运行于WINDOWS的计算机上。2008年推出的最新版本8.5版为过程仿真提供了有效的支持。NCSIMUL软件目前已广泛应用于汽车制造、航空航天、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，能仿真CAD／CAM后置处理的NC程序，其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等。图1为NCSIMUL在整个数控加工中的定位。

2 NCSIMUL的性能特点

NCSIMUL的产品结构是以客户所需要的高质量解决方案为目标而建立的。解决方案以标准形式提供了所有用于仿真数控机床运动状态、执行生产前检验和分析NC 程序的功能。这些标准功能分为：NC程序分析；加工仿真；结果输出；程序优化-OPTITOOL。图2为NCSIMUL仿真校验的过程。

图2 NCSIMUL仿真校验过程

2.1 NC程序分析
为了最大限度地减少用户用于验证NC程序的时间，NCSIMUL被设计用于分析经过后置处理或手工编制的NC程序。为了广泛满足工业界的需要，NCSIMUL支持结构化的程序(客户编制的子程序)以及使用系统变量、循环、宏程序等。

在NCSIMUL帮助下，没有必要因为确定某些程序问题而对工件加工进行仿真。从加工任务的上载起，NCSIMUL可提供以下功能：
（1）刀具轨迹显示
用户可自行设定刀具轨迹显示，允许进行可视化的分析，用于排除明显碰撞或可能的加工原点错误。
（2）错误报告
在实际加工过程仿真之前，NCSIMUL也可检测并列出相当数量类型的错误，如下所示：
句法错误；
超行程；
刀具补偿错误；
插补错误；
超速错误。
（3）动态链接的窗口
所有的加工信息、3D视图、程序窗口等被紧密地链接。任何信息的改变将被动态更新，因此程序员可凭借远超过真实数控机床上的交互性对NC程序进行分析。
（4）刀具序列的循环时间
从程序被上载起，NCSIMUL将以表格的形式显示详细的报告，包括每个刀具和每个运动类型的不同时间(快速运动时间、实际加工时间以及总时间等)。NCSIMUL为每个轴计算进给速度、转速、加速度，这会在加工之前使操作人员获得对加工循环时间的精确估计。
（5）集成化编辑器下的交互式程序修改
NCSIMUL的集成化程序编辑器可让程序员修正检查到的错误或对程序的即时修改进行测试。

2.2 加工仿真
（1）支持复杂运动仿真
在25年的研发成果基础上，NCSIMUL能够对任何加工中心或多通道铣削加工进行仿真，并无任何轴数目的限制。NCSIMUL以标准形式支持所有机床环境元素(如机床控制面板、传送装置、回转头等)。NCSIMUL被很多知名的大企业所采用，因为它具有能够处理并联机构机床的能力，尤其是机器人、TRICEPT机床等。
（2）接近真实环境的仿真
基于创新的技术，NCSIMUL能够在仿真机床运动的同时仿真材料的去除。其具有的3D OpenGL技术能够在不中断仿真过程和不影响仿真性能的情况下轻松进行3D操作(缩放、旋转和平移)，或者在多个视窗中动态切换。在任何时候，都可以自动 (如每次报警、换刀等) 或手动地中断仿真，以查看被加工工件。nextpage
（3）探测
NCSIMUL以标准形式管理所有的探测工作周期。
工件探测：原点获取，不对中补偿，测量；
刀具探测：机械或激光。
（4）加工事故的检测
在仿真过程中，可以设置对所有类型的碰撞和切削事故(刀具不匹配、主轴停转，刀具在加工工件中的快速移动)进行检测报警，并在3D视窗中以红色显示报警区域，如图3所示。

图3 加工碰撞检测

（5）刀具相对于夹具的伸出长度优化
NCSIMUL集成了刀具伸出长度优化功能。此功能被用于：
为每个刀具确定允许的最小伸出长度，以避免刀架和加工环境中的元素(毛坯、夹具)间出现可能的碰撞；
最小化每个刀具的挠度效应，以提高工件表面的加工质量。

2.3 重新定位仿真结果
（1）测量
NCSIMUL提供所有的测量功能，让用户在加工中和加工后检查被加工工件。NCSIMUL也支持钻和镗功能，能够执行所有的直径、中心距或镗孔的测量。
（2）3D比较
NCSIMUL可执行被加工工件与理论CAD模型的比较。用户可以自己设定检查公差，进而以不同颜色动态显示公差范围之外的加工区域(如过切、残余料等)，如图4所示。

图4 仿真结果分析

（3）动态剖面图
用户可通过在被加工工件上创建动态剖面，实现内部结构尺寸分析。这些剖面能被转换成在NCSIMUL中用于测量的2D图，或者直接输出到CAD软件，用于其他用途（工艺文档2D图，在其他系统中测量等）。
（4）3D结果输出
任何情况下，加工工件可以3D格式输出，用于NCSIMUL下的其他加工操作，或在CAM系统中使用。

2.4 程序优化—OPTITOOL
所谓基于NCSIMUL的优化设计，是指通过重新计算进给速度或主轴转速产生一个优化的刀具轨迹文件。优化刀具轨迹并不改变刀具加工的路线，而是确保所产生的优化轨迹文件拥有最佳的进给速度或主轴转速，这样会在最少的时间里生产出高质量的产品。
（1）切削条件的分析
对刀具轨迹进行分段并计算切削条件，依据特定条件对切削条件进行分析。
（2）空行程优化
通过设置进退刀的切削参数，在保证安全的前提下减少进刀和退刀运动，提高切削效率。
（3）切削条件优化
依据刀具与切削区域接触面积的大小调整进给速度，使材料去除率保持恒定。该种方法主要用于粗加工，毛坯余量较大的情况，用此方法优化后的数控加工程序可以高效率地去除零件余量，同时使机床在切削过程中运行平稳。它也可用于对一般要求的精加工程序优化，获得较好的加工表面质量和较高的加工效率。图5所示为针对切削条件的优化。

图5 OPTITOOL针对切削条件的优化

综上所述，运用NCSIMUL软件对数控加工进行仿真，验证了其在实际应用中的可行性，解决了数控编程和实际制造加工过程中的过切、欠切，以及刀具、工件与机床部件和工夹具的碰撞问题，降低了材料消耗和生产成本，提高了工作效率。作为今后的一个重要发展方向，数控加工仿真可进一步提高仿真精度和效率，并有利于实现制造系统的集成，将为我国制造业的信息化起到很大的推动作用。

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