数控机床加工仿真技术及应用探究

陈华伟

摘 要：社会经济的不断发展，使消费者对产品的要求也在不断提高。为满足消费者提出的需求，迎合时代的发展，生产企业要不断降低产品的研发时间，但是，产品零部件要求逐渐复杂，促使企业在数控机床加工中合理利用仿真技术，提高加工效率和加工质量，提高企业的竞争能力。文章希望通过研究数控机床加工仿真技术及应用，规避各种意外现象，提高数控机床的安全使用率。

关键词：数控机床;加工;仿真

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）11-065-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.022

目前，在数控机床加工中，仿真技术的应用得到广泛关注，其主要模拟实际工作中的机床加工状况，并利用计算机模拟技术实现。在企业加工生产过程中，合理应用仿真技术可以保障数控加工产品的精度要求，大幅缩短产品研制周期，在提高产品质量的同时提高企业综合竞争力。

1 数控机床仿真技术概述

随着中高档自动化数控机床应用的不断发展，机械制造技术的质量和生产技术水平也得到了极大提高。目前，数控机床不断提高制造工艺质量，在实现科学化生产的同时持续增强数控机床设备本身的实用功能，部分重要性能指标已经达到国际先进技术水平。

中高档大型工业数控系统技术在长时间的开发应用中取得了理想成效。在诸多科研人员自主创新研发、实现科学技术协同的基础上，数控控制系统让其产品设计与技术开发等各方面功能更加先进，通过这样的方式，解决各个方面存在的问题[1]。

数控仿真技术主要是通过物理模型、数字模型等技术，替代系统功能的实际运行，实现相对复杂的机床系统的设计与研究升级，其应用效果也变得更优越。数控加工机床仿真技术的合理应用，让传统人工操作机床加工方法逐渐转变为自动化、数字化、计算机化的计算机仿真处理形式，其主要基于一种人机交互的方式，通过可视化操作与图形仿真的虚拟性，为真实的数控机床的流程与加工步骤优化其实际加工环境，在技术方面获取一定优势。建模仿真主要是模拟分析数控机床实际的工作状态和相应的工作环境，让技术人员了解零件加工过程中的具体情况，掌握零件加工质量受到影响的原因。

数控加工模拟技术能够有效区分异常加工操作与正常操作之间的差异性，实现不稳定信息的自动化处理，反映干涉、碰撞等信息，满足故障预测的效果，制定有针对性的加工计划，减少加工故障发生的可能性，提高数控机床的实际运行效率。基于对数控机床加工仿真技术的合理研究与对实践经验分析，近年来，数控机床加工仿真技术在我国已经得到了广泛应用，对零件加工企业的具体发展提供了技术方面的巨大支持。所以，在实际教学环节，要重点关注数控机床的加工仿真技术[2]。

2 数控机床加工仿真技术的主要特征及现状

2.1 主要特征

2.1.1 仿真技术

在数控机床的加工过程之中，仿真技术的应用主要是能够满足对于零件加工程序以及加工工艺的全面分析，由此可以确保机床的加工质量，从而提高生产效率，其本身具有生产效率高的基本特点。在仿真技术之中应用数控仿真程序，其本身主要是利用检查、优化以及操作培训。在数控机床实际加工之中，数控指令直接控制机床的运动，这样就可以满足对于碰撞问题的检测与控制。

相比CL数据处理，NC仿真程序的实际操作更加结合具体情况。但是在这一个进程之中还需要重点考虑到数控机床的加工仿真操作，合理分析加工环境，分析其实际的影响因素，进而研究开发有效的解决措施，全面提高数控机床加工效率。

2.1.2 几何模拟功能

针对数控切削仿真，其主要包含了机械仿真与几何仿真两个模块。几何模拟并不要求对于切削力和切削参数等物理因素加以分析，但是其本身需要考虑到研究工件本身的几何形状以及对应的刀具路径运动。在这一进程之中，合理的应用仿真技术，就可以将产品设计到产品制造之中的中间粘合时间缩短，以此降低生产成本。针对数控机床的切削过程开展物理模拟，其本身基于动态机械特性加以分析，通过预计振动与工具损坏，以此满足整个切削过程的合理优化。在合计的开展之中应用几何仿真技术，一般使用的方法主要是在检测与分析特征建模之中加以应用，能够执行定量干扰验证以及对应的定性图形显示的需求。

2.1.3 显示功能

数控机床本身带有极高的自动化程度，在数控机床之中应用仿真技术就是为了能够集中的控制数控程序，保障程序执行的准确性。在生产环境之中，一般会要求通过容易切削的材料实现工件的替代，从而完成测试切削。在这一种模式之下，就可以先查看加工说明，能够了解其使用路径的显示方法，通过针头、钢笔加以应用，而不是考虑到利用工具实现二维图形之中工件加工路径的模拟。但是，这一类型的操作方法会导致使用成本的增加。通过仿真技术的合理应用，在实际的计算机系统程序窨井盖用之中，就可以直观仿真处理数控机床的程序环境以及处理流程。通过对于虚拟环境的观察分析，这样就能够及时了解数控机床加工之中面临的问题，并合理调整计划，最终满足工件加工工艺水平的要求。

2.2 现状分析

针对实际的生产加工，为了提高数控程序的正确率，在进行加工指令与试切檢验的时候，可以选择利用容易切割的材料加以替代，然后选择用笔替代刀具轨迹显示法。但是，上述几种方式会出现材料的耗费，这样不仅会导致生产成本的增加，同时也会增加生产周期。为了能够满足这一部分问题的解决，研究出了计算机仿真方法，这样就可以满足试切环境的模拟、仿真计算以及图形显示，并且能够不断朝着图形真实度以及模拟高精度的方向发展。

基于环境模型加以分析，NC切割仿真主要是包含了几何与力学方面的仿真。其中，力学包含了物理仿真范畴，在仿真切削过程中，就可以选择利用其动态力学的特点，从而满足对于刀具破损以及刀具振动的预测处理，同时能够实现切削参数的有效控制，以此达到切削的目的。

针对几何仿真，其本身也不需要考虑到切割参数、切削力以及其余物理因素的影响，这主要是因为其检验NC程序的正确与否，只需要通过仿真刀具—工件几何体的运动。几何仿真不仅能够将因为程序错误导致的机床损伤、夹具破坏、零件报废等问题加以消除，同时能够减少产品的实际制作时间，降低成本的投入。

此外，针对数据加工仿真，其主要包含以下几方面：第一，基于NC程序的数控加工过程的仿真，其本身主要是通过后置处理产生的NC程序进行对应的仿真处理。第二，基于刀位数据的数控加工过程进行仿真，其主要是在后置处理前的基础上，仿真处理刀位数据。其中，基于NC程序的仿真，一般是在检验碰撞、培训操作工以及对于NC程序正确性进行检验与优化处理之中加以应用。

同时，在实际的运用环节，基于NC程序的实际加工相比刀位数据的仿真更加的实用，这主要是因为用于驱动数控机床的指令属于NC指令。但是基于刀位数据仿真已经投入使用很长一段时间，目前已经形成了比较成熟的软件，其本身主要是检测刀位轨迹是否正确，保障零件本身的加工质量。

3 数控机床教学中仿真技术的应用

3.1 合作学习中融入仿真教学

考虑到仿真教学的重要性，在实际教学中要打破传统的教学模式，利用学生之间的合作开展教学。例如，针对某一零件的数控车削加工，可以通过学生的相互合作，选择不同的加工指令。因为学生的思考存在局限性，需要利用相互补充，进行数控加工的仿真分析。

3.2 强化教师仿真指导

开展数控仿真教学的进程中，学生对于部分仿真现象无法理解，例如，编辑完成指令后开始启动，但是仿真系统并不执行，这样会影响学生的积极性。所以，教师可以通过适当的鼓励，进行情感交流，针对学生的编辑进行合理分析，例如，坐标系的建立是否合理，对刀有无问题等，实现仿真加工。

3.3 尊重学生提问积极性

在数控教学中应用仿真加工，解决问题时要充分调动学生的积极性。学习数控加工的学生可能会面临各种问题，教师要给予合理引导，鼓励学生提出数控仿真加工方面面临的学习问题，这是学生对于教师的一份信任，也是对于数控加工学习兴趣的体现。这种情况下，教师不能认为学生提出的问题太过简单，或是上课时已经讲述的知识，需要耐心回答问题，循循善诱，引导学生掌握相应的学习内容。

3.4 分层式教学

数控仿真学习过程中，考虑到学生接受能力、学习能力的差异，要注重进行不同层次的多元化教学。由于仿真操作涉及具体的加工任务，需要结合学生的实际特点，有针对性地设置具有差异性的加工任务，让每一位学生都能根据自己的能力水平进行有针对性的练习，由此，可以激发学生学习的热情和积极性，在其能力范围内循序渐进地学习。

4 数控机床加工仿真步骤及应用

具体分析数控机床加工仿真步骤与应用的过程中，文章选择研究VERICUT Machine Simulation系统，配合具体分析，满足数控机床加工的需求。

4.1 VERICUT Machine Simulation系统

VERICUT Machine Simulation系统是目前数控加工软件中功能最为齐全的一个系统，可以满足对于机床的模拟使用和模拟控制处理，主要通过可识别数控代码文件的解释，基于数控代码实现机床加工模拟，并让这一加工过程实现可视化处理[3]。基于系统分析，进而了解工件与机床之间碰撞的可能性，避免由于碰撞导致经济出现损失。此外，可以有效识别加工轨迹，让技术人员做好有针对性的调整。同时，Machine Simulation内部蕴涵的数控代码模块还可以快速查询可能存在的错误，并将其逐一罗列出现，以便技术人员参考，如图1所示。

同时，VERICUT Machine Simulation系统的应用，可以为用户提供文件控制库和机床，让用户按照自身实际需求，实现对应的组合或者是用户自定义机床、编写相应的控制文件，获取对应的仿真环境和具体的加工过程。

4.2 加工仿真步骤与实际的应用

使用VERICUT Machine Simulation系统进行机床加工仿真时，其主要步骤包括：

第一，基于Machine Simulation软件实现机床运动学模型的建立，这一步骤主要通过系统之中控制文件库的直接调用，或者是针对文件进行修改之后使用，这样可以满足具体的设计需求。通过建模模块实现对于机床几何模型的建设，基于图纸确定初始位置，从而形成工作、机床和控制等对应的文件。

第二，基于VERICUT Machine Simulation系统的使用，可以满足毛坯与夹具的定义，在走道轨迹调入之后，可以针对其具体的文件和相关的刀具形状加以明确，再结合参数的适当设置，满足刀具轨迹的合理仿真处理。

此外，在Machine Simulation中，可以按照机床模型实现机床实体、毛坯实体、夹具相对应的添加，然后做好参数设定，这样就可以同时开展机床运动以及刀具轨迹的仿真。基于系统提供的LOG文件和仿真情況，合理修改刀具的轨迹文件和参数，直至仿真出来的产品完全符合具体要求[4]。

通过VERICUT Machine Simulation系统的使用，仿真Mikronwf72数控加工中心加工对于一个瓶子模型，其中，其控制器型号为Heidenhain415b型。通过仿真软件的模拟，就可以不断优化刀具轨迹文件和机床设施参数，在实际产品加工过程中，可以节约30%左右的加工时间，在满足成本投入降低的同时，进一步提高经济效益。

另外，针对AUTO-DIFF模块，可以对比设计模型与加工模型之间的相互差异，明确理论设计零件与实际已经完成加工零件之间的区别，然后利用显示方式和实际的误差设定，找到仿真过程中可能出现的问题。针对系统中的Opti Path模块，可以优化对应刀具轨迹，提高机床的实际利用率。

5 结语

随着生产自动化、智能化以及数字化等水平的不断提高，数控机床在工业生产领域的应用越来越广泛，数控机床技术也在不断更新换代中。其中，数控机床加工中的仿真技术应用就是一个突出的方面，主要是模拟数控机床加工的工作状态以及具体的环境变化等，仿真技术以及软件等在实际应用过程中，能够统一管控数控机床加工接基本的操作状态等，避免碰撞干涉等一系列安全问题出现，满足数控机床安全使用效率的全面提高，进一步促进制造业的可持续发展。

参考文献

[1] 顾刚.数控机床加工效率提升策略探讨[J].中国新通信，2020，22（14）：232.

[2] 杨南.数控机床加工的虚拟仿真技术探讨[J].现代制造技术与装备，2020（4）：179，187.

[3] 文德林.数控机床车削加工技术应用[J].金属加工（冷加工），2019（7）：64-67.

[4] 张明辰，王坤.数控机床加工中心技术研究[J].河南科技，2019（14）：66-68.