1.前言　　

數(shù)控加工仿真是在CAM生成加工軌跡并經(jīng)由后處理生成數(shù)控加工程序后、數(shù)控機(jī)床實(shí)加工前進(jìn)行的加工程序檢驗(yàn)和優(yōu)化過程，能夠模擬試加工狀態(tài)，檢測可能存在的過切、干涉、碰撞及其它加工錯誤，降低加工風(fēng)險，節(jié)省試加工的成本。

其中，加工中的主要風(fēng)險為：　　1)過切刀具對工件的過切削　　2)干涉刀具對工件其他部位的誤切削　　3)碰撞刀具、主軸、換刀機(jī)構(gòu)等運(yùn)動部件碰撞至數(shù)控機(jī)床的相對靜止部件，如夾具、刀庫、轉(zhuǎn)臺、機(jī)床體等　　4)超程執(zhí)行加工時可能超過數(shù)控機(jī)床的有效行數(shù)控加工仿真系統(tǒng)不但要通過圖形化的交互方式檢查加工過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險，并能夠基于包括幾何原理和加工工藝的專家知識庫對加工過程中的重要元素進(jìn)行優(yōu)化，如加工軌跡、加工速度和加速度等。更進(jìn)一步的，未來的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)需要能夠更進(jìn)一步地虛擬現(xiàn)實(shí)加工環(huán)境，預(yù)測加工風(fēng)險并優(yōu)化加工程序。

2.數(shù)控程序的仿真和驗(yàn)證　　

作為數(shù)控加工仿真技術(shù)的基本功能之一，工件的仿真和驗(yàn)證一直為數(shù)控加工仿真系統(tǒng)商所重視。隨著計算機(jī)圖形學(xué)特別是OpenCL的發(fā)展，仿真過程中的圖形顯示真實(shí)度已經(jīng)有極大的提高，仿真過程中隨時基于實(shí)體進(jìn)行加工細(xì)節(jié)的放大和旋轉(zhuǎn)功能已經(jīng)較為成熟。

　　數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中能夠?qū)隒AD模型，將仿真加工后的實(shí)體與CAD模型進(jìn)行對比，高亮顯示欠切和過切區(qū)域，提示數(shù)控編程人員調(diào)整程序。同時，仿真系統(tǒng)還能夠提示加工是否可能超程或發(fā)生干涉、碰撞，以高亮顏色進(jìn)行顯示。

　　2.1五軸數(shù)控加工仿真　　

五軸數(shù)控加工是在三軸數(shù)控加工的基礎(chǔ)上增加ABC中的兩個回轉(zhuǎn)軸，從而達(dá)到更多種刀具姿態(tài)，允許使用較短的刀具進(jìn)行加工；通過一次裝夾實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面、重疊面的加工，提高數(shù)控加工機(jī)床的加工效率。同時，由于五軸數(shù)控加工引入兩個回轉(zhuǎn)軸，增加了數(shù)控編程的難度和不確定性，數(shù)控加工仿真更具必要性。　　

目前，幾乎所有的CAM系統(tǒng)都能夠在刀具加工軌跡生成后進(jìn)行加工仿真，在數(shù)控編程中盡可能消除過切、欠切等加工問題。但是，由于數(shù)控機(jī)床最終使用的程序往往是G代碼，而非CAM系統(tǒng)直接生成的CLF文件（Cutter Location File，刀具路徑文件）。CLF文件還需要經(jīng)設(shè)定好數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的后置處理器轉(zhuǎn)化成被數(shù)控機(jī)床識別的G代碼等機(jī)器識別碼用于加工。在后置處理的過程中，依然存在CAM系統(tǒng)生成的加工軌跡無法正確轉(zhuǎn)換為G代碼的風(fēng)險，因此，針對G代碼進(jìn)行五軸數(shù)控加工程序的仿真尤為重要。

　　2.2車銑復(fù)合加工仿真　　

隨著加工零件的復(fù)雜性不斷提高，數(shù)控機(jī)床的類型也越來越多，目前許多機(jī)床制造商把車銑復(fù)合加工機(jī)床作為研發(fā)和推廣的重點(diǎn)，如DMG、MAZAK、MORI SEIKI等。車銑復(fù)合加工是目前機(jī)械加工領(lǐng)域前沿的技術(shù)之一，它把車削和銑削加工工藝在一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，從而具有更高的效率、柔性。同時，由于車銑復(fù)合加工將傳統(tǒng)的在車床上加工后再到銑床/加工中心上進(jìn)行加工的方式升級為在一臺機(jī)床上進(jìn)行加工，一次裝夾因而避免了因重復(fù)裝夾造成的誤差，提高了加工精度。　　

許多成熟的CAM軟件和數(shù)控加工仿真系統(tǒng)針對車銑復(fù)合加工的特點(diǎn)，開發(fā)了具有針對性的仿真模塊，如PartMaker、VERICUT、EdgeCAM等。

3.數(shù)控加工程序的優(yōu)化　　

3.1減少冗余加工路徑　　根據(jù)工件的幾何特征和數(shù)控加工工藝安排，CAM系統(tǒng)會將待加工余量分成多個工序，生成多個工件加工軌跡。因此，往往會存在許多冗余刀具路徑的情形，刀具在上一級工序中的切削量處空切，不但造成加工中刀具受力不平穩(wěn)，刀具振動從而降低刀具壽命，還大大浪費(fèi)了加工時間，增加制造成本?！　∧壳跋冗M(jìn)的CAM系統(tǒng)能夠基于上一級工序的加工余量進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃，減少空切量。但是，由于CAM系統(tǒng)和數(shù)控加工仿真系統(tǒng)往往由不同的供應(yīng)商提供，加之CAM系統(tǒng)良莠不齊，數(shù)控仿真具備加工路徑優(yōu)化功能十分必要?！　?/span>

3.2加工速度的優(yōu)化　　CAM系統(tǒng)往往會基于設(shè)定的加工速度進(jìn)行設(shè)定，在加工速度上可能會存在過于程式化的問題，不能充分考慮實(shí)際工件的幾何特點(diǎn)和物理特征。先進(jìn)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能夠在上一步加工工序余量的基礎(chǔ)上，考慮刀具單位時間加工量，對加工速度進(jìn)行優(yōu)化。同時，保持刀具在單位時間內(nèi)的切削量一致會提高數(shù)控機(jī)床在加工中的穩(wěn)定性，減少機(jī)床振動，從而提高工件的表面質(zhì)量。優(yōu)化加工速度需要基于加工知識庫和專家系統(tǒng)，充分考慮機(jī)床的結(jié)構(gòu)和剛性、夾具的剛性、刀具材質(zhì)和刀齒數(shù)量，才能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，提升加工效率?！　?/span>

著名仿真軟件公司CGTECH的VERICUT軟件能夠根據(jù)加工余量，調(diào)整加工速度，保持單位時間內(nèi)的切削量接近恒定，從而有效利用數(shù)控機(jī)床的加工能力，提高加工效率和表面質(zhì)量。

4.虛擬機(jī)床　　

虛擬機(jī)床是將數(shù)控后置處理、數(shù)控程序、控制系統(tǒng)模型和數(shù)控機(jī)床幾何模型置于同一平臺下，進(jìn)行更高一步的加工仿真過程，可以在最大程度上消除可能的編程錯誤、后置處理錯誤和加工工藝的不合理設(shè)置。虛擬機(jī)床技術(shù)需要良好的計算機(jī)圖形學(xué)支持，以獲得良好的仿真效果。例如，線框模型、局部試圖、透明顯示、高逼真實(shí)體顯示等。　　

基于虛擬機(jī)床進(jìn)行后置處理，可以更加充分的考慮到機(jī)床的各個幾何特征和控制系統(tǒng)的特性，將CAM系統(tǒng)生成的CLF文件優(yōu)化轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工程序，良好地消除加工過程中的干涉、碰撞和超程等問題。同時，仿真加工中的各個階段在同一虛擬機(jī)床平臺上執(zhí)行，可以形成鏈接關(guān)系，每當(dāng)其中一個環(huán)節(jié)有所更新，其余后續(xù)環(huán)節(jié)會相應(yīng)的自動更新?！　?/span>

利用虛擬機(jī)床對數(shù)控加工操作人員進(jìn)行培訓(xùn)非常有意義，這樣可以使得培訓(xùn)在辦公環(huán)境下進(jìn)行，而不擠占數(shù)控機(jī)床的使用時間?！　?/span>

現(xiàn)今，領(lǐng)先的數(shù)控仿真系統(tǒng)已經(jīng)將流行的控制系統(tǒng)模型集成其中，如Heidenhain/Fanuc/Siemens/Bosch/Cincinnati Milacron/Fadal等。

5.小結(jié)　　

現(xiàn)代數(shù)控仿真技術(shù)不斷適應(yīng)并提升著現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，它不但能夠高品質(zhì)的驗(yàn)證、仿真五軸加工、車銑復(fù)合加工等復(fù)雜的數(shù)控加工程序，還能夠?qū)庸こ绦蜻M(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)基于虛擬機(jī)床進(jìn)行最高品質(zhì)的仿真和驗(yàn)證，對實(shí)際加工進(jìn)行前瞻和指導(dǎo)。