基于虚拟制造技术问题跟踪反馈平台

韦守宁

珠海格力精密模具有限公司（广东珠海 519070）

1 引言

随着产品要求越来越高，生产设备的加工精度亦不断在提升，大部分高精数控机床采用电主轴或陶瓷主轴，不宜进行高负载重切削加工，适合进行小零件加工或大型零件的精加工部分工作。出于保护机床的精度和提高公司经济效益的目的，编程技术人员进行零件程序编制后，上传到机床数控系统中，由数控系统根据程序指令进技术部门策划，这些机床主要负责粗铣削加工后的零件精加工部分或进行高精度要求零件的加工行加工，完成零件的精加工。受编程技术人员的技术水平限制或作业习惯失误或编程错误的隐秘性无法识别等原因引起程序缺陷，机床加工过程中刀具、主轴与工件发生碰撞，导致设备撞机事故发生，造成机床主轴的精度不同程度降低，刀具刀杆报废导致公司财产损失。由此说明程序的安全对公司数控机床的安全是非常重要的，加工程序的安全变得非常重要，提出了如何让机床“想撞都撞不了”的目标。

二次放电加工主要是对零件结构中数控加工设备无法完成加工的部分需要通过基于模型进行电极设计，使用数控加工设备将电极零件进行加工制造，在电火花机上使用电极对零件进行放电腐蚀工件多余材料加工。在放电加工方面主要存在着干涉过切的问题，导致零件报废或过切，引起问题的根源在于技术员在设计放电电极时存在模型过切干涉的行为，行业一直追求着如何减少放电电极过切干涉问题的发生迫在眉睫。

数控加工程序模拟，经过对数控机床程序编制软件的深入研究发现，可以通过对软件进行二次开发，利用编程软件的接口函数，实现软件与外部功能指令的交互，达到软件自动操作执行计算，其次通过编程软件内部程序的各种参数读取并分析，可以利用可行的规则进行计算，识别出有缺陷的程序。基于这一点，现通过建立数控加工程序安全检测项目，安装严谨的技术研究和流程控制，自主研发程序安全检测技术，保证程序的安全，减少缺陷程序下游对公司机床造成的损害。

二次放电加工模拟是使用UG软件内部命令读取3D模型内的所有信息，包括每个电极的尺寸和夹具的规格。使用循环方法逐一选择每个子电极分离出来，通过对分离出来的电极进行电极加工方向抬高二次放电间隙加上恒定调整系数0.03mm，调用UG内部的碰撞干涉检查模块选择工件对每个电极进行过切干涉分析，输出分析结果到检测结果数据表中。因此需要依靠正确的当前3D模型、电极模型、夹具模型，来保证检测的准确性。

2 建设目标

基于虚拟制造技术问题跟踪反馈平台主要从以下几个方面完成建设目标：

（1）机加工撞机异常程序识别及拦截，解决机加工行业存在的生产设备安全问题。

应用虚拟制造技术手段，杜绝数控加工异常设备事故的发生，有效保护加工设备的主轴精度、设备丝杆系统运动精度不受影响，可以使设备使用寿命更加长久，进一步提高加工零件的质量。

（2）二次放电加工干涉过切检测识别，解决机加工行业存在的工件电打过切干涉问题。

通过自动化虚拟加工模拟技术的应用，可以成功在加工前识别并拦截二次放电加工中的干涉过切异常错误，防止加工环节造成模具零件报废或过切引起的返工加工流程带来的材料、人工、设备、工时成本的浪费。减少加工异常的发生，保证模具一次加工合格率，从本质上提高了模具加工质量。

（3）减少设备异常维修成本，产生效益，为公司节约制造成本。

模具公司高端的数控加工设备，实现加工高速化高精度化，价格昂贵，核心主轴部件是陶瓷电主轴类，比较脆弱，经不住重力碰撞，容易造成内部结构损伤变形，维修难度系数高，因此维修成本也非常高，如造成需要更换主轴部件的，维修成本至少20万元以上。减少设备加工异常事故发生，可以减少设备异常维修成本，减少不必要的维修成本浪费，给公司创造经济效益。

（4）体系化、闭环式异常问题反馈及整改关闭机制。

利用出加工资料时进行检测数据源采集，通过开发区域网计算机资源控制应用，自动识别区域网办公计算机的闲时时间启动模拟加工检测任务，识别到异常隐患数控加工程序或电极过切干涉问题点时自动触发电子通报邮件到负责人，第一时间通知负责人及时进行确认整改，完成后在系统上进行确认关闭。

（5）加工模拟检测自动化。

自动化进行数控加工程序安全和二次放电加工电极干涉过切检测，无需增设岗位和人员编制，实现24小时无人操作自动进行检测。

3 项目主要内容

3.1 项目开展流程简略

（1）安装配置SQL数据服务中心服务器，机房管理及控制，服务器测试调试使用。

（2） NCProgramToolpaths/ProjectData/HumanBom/ComputerID/ThreadControl/ProblemData数据表设计，用于系统运行数据服务源。检测采集方面，在输出程序信息单时将程序信息进行记录，需要开发输出加工资料应用程序，并设计收集检测数据源功能模块。

（3）通过vs进行应用程序开发，自动将程序进行传送到安全检测中心。

（4）开发基于编程软件的检测功能macro文件，电极过切干涉自动化检测功能开发，实现自动化检测过程。

（5）区域计算机资源控制模块过程开发，用于控制计算机批量启动和停止动作，便于快速响应各种突发状况时能够快速制止反应，同时便于检测文件工序和同步更新。

（6）建立自动检测中心工作站，并设定成服务器，专门用于程序安全检测，形成检测初始第一道防线。

（7）通过编写宏指令收集检测过程各种信息，包括程序的状态，路径切削信息，使用的参照工件模型等。

（8）建立检测结果记录和输出端，开发自动邮件模块，自动下发缺陷程序通报邮件到相关技术人员，并按次数要求整改及检查确认。

3.2 数据服务建立和应用设计

（1）建立编程技术人员信息表（HumanBom），包括编程计算机主机IP，人员邮箱等。

（2）VS开发程序收集检测数据源（NC Program Toolpaths和Project Data）。

（3）自动检测模块功能开发。

（4）Split Thread Toolpath Check自动检测功能VS应用程序开发。

（5）检测结构反馈和通报机制功能模块开发。

（6）Thread Control.exe检测进程自动控制模块开发。

（7）二次放电加工电极过切干涉后台检测功能模块开发。

3.3 虚拟数控程序加工模拟自动化检测

（1）虚拟数控程序加工模拟自动化检测过程概要。

以编程程序出加工卡为起点，通过开发应用程序自动进行Project Data表检查信息收集，其中包括检测ID、IP地址，档案名称，档案路径，编程员信息等。通过程序检测中心1自动进行程序碰撞过切检测，将检查有问题的路径输出到检测结果数据表ProblemData，同时将检测档案中的每条路径进行检测单元编号及上传到NC Program Toolpaths数据表中。通过开发建立计算机应用程序控制进程及程序检测中心2 Split Thread Toolpath Check进程，以NC Program Toolpaths数据表为数据源，利用多台计算机进行程序分散逐条模拟检测路径工艺问题。多台计算机资源的使用是通过进程监控计算机的鼠标状态来实现的，监控到鼠标停止移动事件超出规定后自动启动后台PM进行检测中心2的程序检测，同时鼠标移动事件发生时自 动停止检测，恢复计算机资源，防止占用技术员的计算机资源，影响工作效。虚拟数控程序加工模拟自动化检测流程如图1所示。

图1 虚拟数控程序加工模拟自动化检测流程

（2）虚拟数控程序加工模拟程序安检集中云服中心即“检测中心1”的主要功能简介。

虚拟数控程序加工模拟自动化检测中心1（见图2）主要对Project Data表中的待检项目进行碰撞过切检查，过程不对数控程序中的每条路径进行逐层分析，执行速度比较快，一般情况下，需要5min可完成一个档案的碰撞过切检查。碰撞过切检查主要是防止技术人员对自己编制的程序路径忘记进行检查，存在安全隐患并流入现场加工，导致设备事故。检测过程如果发现存在安全隐患的程序，则会系统自动发送通告邮件给技术员，要求整改，如图3所示。

图2 虚拟数控程序加工模拟自动化检测中心1

图3 虚拟数控程序加工模拟自动化检测中心1异常程序通告

检测中心1除了进行碰撞过切检查功能外，还进行了程序路径数据采集任务，为后续程序安检分散云服中心检测进行数据收集，数据包括程序路径模拟条数、程序刀具信息、程序加工时间等数据。

检测中心1在进行安全检测时需要将档案从远程计算机共享位置中进行传送到本机的操作，防止直接访问时因网络原因导致档案资料数据中断。传送进程是分开的一个过程，其要受主界面上的缓冲档案数量控制，这个过程是一个缓冲过程，一般情况下要设定合理的参数，防止传送过多检不过来或传送过少不够检。检测类型可以进行设定的，如果只进行碰撞过切检查，请在系统左上角上仅选择碰撞过切项，此时检查过程将不再为后续程序安检中心2收集检测数据，路径工艺问题将得不到检查。反之，当“残留模型检查”项打勾时，程序路径工艺问题数据正常进行采集入库。

系统设置中还可以设置同时进行多少档案检查，Powermill开启最大数为7，根据计算机的运行能力来设定，一般情况下设置4即可，过多可能会导致同时进行大档案检测时导致系统应用卡。

（3）虚拟数控程序加工模拟程序安检集中云服中心即“检测中心2”的主要功能简介。

检测中心2主要检查数控程序的路径工艺问题，其检测规则是使用PowerMILL软件内部命令读取重排刀具路径段内的所有信息，如图4所示路径段列表，其包括每条路径单段程序路径的长度及单段路径的总数。使用循环方法逐一选择路径段并将单段路径从整条路径中分离出来，通过对分离出来的路径进行Z方向抬高路径中的下切步距加上恒定调整系数0.5mm，使用软件自带的碰撞过切检测模块选择残留类型对路径进行检测，输出检测结果到检测结果数据表中。因此需要依靠正确的当前工序检测初始残留模型，来保证检测的准确性。

鉴于检测是基于区域计算机资源鼠标识别闲时启动检测的，当鼠标停止操作10min后，进程中的后台应用Split Thread Toolpath Check.exe自动从服务器中获取检测数据，从数据中读取虚拟模拟加工的档案位置及程序信息，按照路径列表的路径顺序进行逐条模拟。在模拟过程中，如果出现鼠标发生操作事件时，检测进程将自动退出，这样会照成如果某些程序路径列表内的程序模拟没有完成，系统会自动记录模拟到路径列表中的中断路径序号，并反馈记录到系统数据中，并标记未检查完成，待下次再次进入模拟检测时，Split Thread Toolpath Check.exe将自动按照上次中断的序号开始往下执行模拟检测。存在相当部分程序模拟段数超过1万段，据历史模拟时间记录，最高需要模拟检测时间高达32h，如果不做断点续检功能，这样的程序将无法完成模拟检测并取得结果。

图4 数控程序路径段列表

（4）虚拟数控程序加工模拟检测初始残留的创建标准及工序间残留模型流转图。

要求技术员在编程档案中必须创建标准初始检测残留，如图5所示，且参数为行距5mm，公差0.2mm，余量0.02mm，这样可以满足检测要求，加快检测过程。检测初始残留是本次编程工序开始时工件残料情况，必须保证残留的真实有效，才能保证检测结果的准确性。如果编程是首道工序时，按备料尺寸创建毛坯并生产检测初始残留，编程完成后，请将本道工序的检测初始残留进行复制，产生的残留中将所有路径添加进去，然后计算残留，生成下道工序的检测初始残留，计算完成后请将残留的参数进行去除，结束后请将下道工序检测残留进去上传系统，以方便下道工序编程进行下载，详细的残留模型流转如图6所示。

图5 检测初始残留模型

图6 工序间检测初始残留模型流转图

（5）虚拟数控程序加工模拟检测可识别的路径工艺问题安全隐患类型案例。

在模具数控加工程序编程行业领域，如果不进行缜密的加工前虚拟模拟加工检测，技术员是不能真正保证程序的百分百安全，部分程序实际加工不存在问题，可能也会存在切削过大不合理的现象，这种现象不会导致品质方面的问题发生，过大的切削量会慢性损伤机床精度及加工刀具。这种工艺问题非常的隐蔽，一般的人工检查不会被发现，这种现象没有明显不良结果体现，是不会引起被重视的。这样的工艺问题在虚拟数控程序加工模拟检测系统中是可以被识别的，因为系统设定了模拟检测标准参数，加工刀具干涉超出它的负载切削量，是被通报整改的，应用系统模拟检测这种的工艺不合理问题隐患可以杜绝，这也是本套模拟检测系统最大的优点。

此外，经过虚拟数控程序加工模拟检测上线实际验证应用后，在加工程序路径工艺问题安全隐患识别上取得非常成功的突破，超出行业领域内现有技术，基本上所有隐患问题都能在系统中识别出来，达到实现设备零事故发生。下面一些比较熟悉的经典案例，来加深理解系统的识别范围。

a.侧面拐角残料过大，加工底部平面路径在拐角处发生碰撞设备事故，如图7所示。

图7 拐角碰撞类

b.刀具刃长不够，导致擦刀柄类，在无切削能力的刀柄处发生碰撞设备事故，如图8所示。

图8 擦刀柄类

c.加工程序路径中间部分不连贯缺少，造成断层，在断层下层开始加工处发生碰撞设备事故，如图9所示。

图9 路径断层类

d.加工程序路径连接部分错误，在层与层连接过渡处发生碰撞设备事故，如图10所示。

图10 连接错误类

e.加工路径先加工底层再加工顶层顺序错误，加工开始时发生碰撞设备事故，如图11所示。

图11 路径加工顺序错误类

f.路径干涉残料类比较广泛，包括了未去除残料直接加工平面、参考加工路径错误引起清角路径干涉大量残料等，这些类型均属大型碰撞设备事故，一旦发生事故导致设备主轴精度重大损伤，如图12所示。

图12 路径干涉残料类

（6）虚拟数控程序加工模拟检测行业对标Vericut软件，突出表现先进技术水平。

VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC程序优化，缩短加工时间、延长刀具寿命、改进表面质量，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误;具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工；具有CAD/CAM接口，能实现与UG.CATIA及MasterCAM等软件的嵌套运行。VERICUT软件目前已广泛应用于航空航天、汽车、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真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。

从以上对Vericut软件的功能描述，分析出Vericut在程序检测方面不能进行自动化执行，在加工程序模拟检测方面不能识别程序加工工艺问题，模拟检测存在问题点需要靠人工发现等缺点，因此不广泛被行业所认可和应用。从以上分析，格力模具公司自主创新研究虚拟数控程序加工模拟检测识别异常程序技术的先进性。

（7）虚拟数控程序加工模拟检测异常通报结果处理方式。

a.碰撞类。如图13所示，打开自己的档案，再次进行碰撞检查，确认是否存在碰撞。

图13 碰撞类通报

b.过切类。如图14所示，打开自己的档案，再次进行过切检查，确认是否存在过切。

c.连接项过切检查没有打勾类。如图15所示,打开自己的档案，打开路径的连接“过切检查”是否是没有打勾，如果是，请确认连接是否安全。

图14 过切类通报

图15 连接项过切检查没有打勾类通报

d.碰撞过切残留模型撞机风险类。如图16所示，报警“碰撞过切残留模型撞机风险”之钻孔路径处理方式：①使用PMR2版本打开下载的档案，将刀具、路径、检测初始残留进行显示；②将刀具放在钻孔路径最深位置，检查是否是以下情况：ⓐ刃长不够刀柄干涉检查初始残留；ⓑ刀长不够干涉检查初始残留。

图16 碰撞过切残留模型撞机风险类通报

e.碰撞过切残留模型撞机风险类。报警“碰撞过切残留模型撞机风险”之非钻孔路径处理方式如图17、图18描述。

（8）虚拟数控程序加工模拟检测撞机风险异常点档案下载及查看方法。

当收到邮件通知时，打开并查看详细内容，如图19所示，其中如果存在“***碰撞过切残留撞机风险”条目时，选择该条目，并右击鼠标按钮，在弹出的下拉菜单中选择“下载碰撞残留刀路”即可将异常保存档案下载到本地，再使用PowerMILL R2软件打开档案进行异常点快速查看确认。

图17 碰撞过切残留模型撞机风险非钻孔类通报处理方式1

图18 碰撞过切残留模型撞机风险非钻孔类通报处理方式2

图19 碰撞过切残留模型撞机风险类下载

4 虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟自动化检测

（1）虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟检测过程概要。

如图20所示，首先在电极设计员报完工时通过后台进程将电极设计检测数据源自动记录到Project Data检测数据中心，数据包括设计档案的位置、计算机信息、人员信息等。

图20 虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟自动化检测结构图

其次处理服务器上的Back_Elec_Check.exe后台进程从Project Data数据表中获取检测信息，自动访问模拟数据的电极档案位置，启动检测软件并打开，执行模拟检测过程功能文件，达到无人干预自动化电极放电过切干涉模拟检查，将检测结果记录到检测数据中心。

最后通过数据中心后台进程AutoMail.exe识别分类统计检测结果记录，将存在有异常电极过切干涉问题点的档案信息、问题详细等内容自动发邮件通报相关技术员。

（2）虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟检测标准及判定设计条件规则。

a.图层放置标准。

第一，每个UG档只能放2个零件，包括正反面或侧面,针类例外；1～199层：电极编号与图层号对应放置；01层～230层：型芯、型腔放置层，型芯、型腔编号与图层编号对应放置。改模时201～209层对应放新模型，211～220层对应放旧模型。组合件时201～209层对应放组合模型，211～220层对应放单件或备料模型。方便查看资料；240层：坐标球，保存坐标系用；254层：图纸放置层。

第二，为了区分开同个零件正反面电打或不同零件的UG图层放置要求。

第三，【正面电打】（第一次）1～150为电极层，201～209为型芯、型腔层。

第四，【反面或侧面电打】（第二次）151～199为电极层，210为型芯、型腔层。

b.干涉体积与干涉厚度范围确定干涉标准。计算分析得出的干涉体的体积与干涉体的厚度达到要求记录干涉。

c.倒角避空。特殊要求需要局部做过切干涉处理，过滤记录干涉体。

（3）虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟检测可识别的路径工艺问题安全隐患类型案例。

符合虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟检测标准的，到达干涉范围内的都会分析出来，并自动生成干涉部分的实体模型，如图21所示。通常情况下，安全隐患类型分为电极过切工件类，夹具干涉工件类，移位欠切类。

图21 虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟自动化检测结构图

（4）虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟检测结果数据统计分析。

如图22所示，检测结果按照“特意做倒角避空”、“多零件错放图层”、“电极设计有异常”、“未关闭”4大类型进行统计，异常Top10排名，按上月、本月、上周、本周、昨天、今天7个时间阶段汇总，通过系统自动邮件的方式进行推送，及时掌控动态检测数据分析结果。

图22 虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟异常分析统计

（5）电极过切干涉检测异常点档案下载及查看方法。

如图23所示，当收到邮件通知时，打开并查看详细内容，其中如果存在“***电极干涉，所属*****”条目时，选择该条目，并右击鼠标按钮，在弹出的下拉菜单中选择“下载保存的干涉3D设计档案”即可将异常保存档案下载到本地，再使用UG软件打开档案进行异常点快速查看确认。

图23 虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟自动化检测结构图

（6）虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟检测异常通报结果处理方式。

虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟检测异常通报结果以邮件的方式通报给当事人，显示当事人信息、图档信息、查看与统计分析链接，通报样式详见图24所示。

图24 虚拟二次放电电极加工过切干涉模拟异常通报

5 项目实施成效

（1）解决机加工行业存在的生产设备撞机安全事故和电打干涉过切问题。

任何一个数据加工程序异常或二次放电加工电极过切干涉都将引来模具加工件的质量缺陷或设备事故的发生。质量缺陷上，对于减材加工制造模式，一旦造成质量过切缺陷，重则工件报废重做，轻则烧焊返工，额外消耗了高额不必要的加工工时和材料成本。发生设备事故来讲，普遍导致设备精度的损失，刀具的报废，及工件缺陷，额外消耗设备维修和精度下降折算成本，增加刀具物料成本，工件返工成本，因此虚拟模拟模具加工检测可识别异常点，降低模具制程返工成本，可提高模具加工质量。在加工制造前通过系统全面虚拟模拟模具加工检测，使用高端无人化检测技术手段，取代人工肉眼低效，低可靠性的检查模式，让异常隐患问题点无处躲藏，为安全生产竖起一道绿色安全保护屏障，真正实现了保证模具加工设备、刀具、工件及人身安全的目标，体现安全生产，和谐制造的新时代之音

（2）模具行业应用推广价值高，提高企业核心竞争力。

解决模具CNC加工行业撞机和放电加工干涉过切两大长期普遍存在问题，可为国内机加工行业设备安全生产保驾护航，整体提高模具加工质量水平，大幅度降低制程成本浪费。

随着社会发展，人们的生活水平提高，对物质的美观及功能要求也越来越高，制造企业之间竞争压力更加剧烈，高端高精产品是未来发展的趋势，高标准高要求的加工必然对加工设备有更高的要求，高速高精设备成本造价高，因此设备的生产安全是公司高度重视的，因此如何保证设备安全生产是模具制造行业所共同追求的目标，新型虚拟模拟加工检测技术的研究与应用正是行业所需，具备高的推广应用价值。

（3）体系化闭环式系统化管理，方便快捷。

整套系统具备完整的数据服务，从加工模拟数据源的收集到模拟过程应用到模拟结果的处理关闭，形成闭环体系化服务模式，按照自动化模拟检测的高要求理念设计，突破模具加工制造行业的技术痛点顽疾，体现绿色高效便捷运行模式。