仿真系统在数控加工中的应用研究

朱磊

摘 要：随着机械制造技术的飞速发展，机械零部件越来越复杂，为了提高机械数控加工的质量和效率，本文设计一个仿真系统，为数控加工提供模拟仿真，该系统具有较高仿真效率和易用性，同时具有较强的扩展性，具有较高的实用价值。

关键词：数控加工；仿真；系统

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0023-01

1 引言

随着数控加工技术的不断发展，各种高精尖技术也逐渐应用到数控加工领域，被加工零部件的体积越来越大，精度要求越来越高，对数控加工的效率和质量控制要求非常高。特别对于现代化的航空制造业，各类复杂曲面的机械加工尤其多，传统的数控加工技术已经远远不能满足这种复杂曲面的数控加工精度，这使得虚拟仿真变得更加复杂。近年来，计算机仿真技术发展日新月异，这使得计算机仿真技术应用到数控加工中有了可能，数控加工中的仿真是在计算机上利用三维图形技术来模拟仿真机械数控加工的全过程，以此来检验数控加工程序参数的合理性，能够有效降低成本和大幅提高工作效率。由于数控仿真技术不需要原材料，校验过程具有敏捷性、直观性和柔性等特点，具有十分可观的经济价值。

2 UG软件介绍

UG（Unigraphics NX）软件是Siemens PLM Software公司出品的一个集CAD、CAE、CAM于一体的计算机辅助机械设计产品工程解决方案，可以为用户的产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段，它功能十分强大，能够轻松地实现各种复杂实体和造型的建模，最初主要在计算机工作站上运行，随着个人计算机技术的不断发展，它在个人计算机上的应用越来越多，目前，已经成为机械工程师在磨具、机械产品三维图形设计的重要工具。

一般情况下UG具有三个设计层次：结构设计、子系统设计、组间设计。它给用户提供了一个界面友好的图形化操作窗口，使得用户可以以图形方式直观地观测刀具沿轨迹运动方向，同时可以灵活对此进行修改优化，比如延伸缩短刀具的轨迹等。用户可以灵活的定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库，把所有能够标准化的初始加工、精加工等操作参数全部归一化，提高优化加工工艺的质量和效率。

在航空制造业，UG软件具有强大的功能，能够解决航空制造复杂曲面机械零部件的建模设计优化，能够设计实体造型、曲面造型、虚拟装配和输出工程图等，还能够进行复杂的数学建模运算，能够进行有限元分析，机构运动分析、动力学分析、仿真数学运算等，使用该款设计软件能够大幅降低机械设计工程师的劳动强度，提高机械产品设计质量和效率，大幅提高设计制造的机械零部件的产品竞争力。本文设计的仿真系统也是基于该软件进行二次开发。

3 仿真设计及验证

仿真设计一般首先需要进行数学建模，通过工具软件建模一般是实时交互的建立模型的过程，通过旋转、拉伸、扫掠等方法来逐步构建数学模型，尤其是对于较为复雜的模型，一般还会涉及到曲面建模问题。

机床建模最为关键的是刀具的建模，这直接决定了整个仿真过程的成败，刀具模型形状和结构直接决定了数控机械加工过程的动态仿真全过程，是整个仿真系统刀具库设计开发的关键环节，刀具建模其实就是刀具的各类参数的设计优化，最为关键的是能够提取出各类刀具的全部基础参数，能够控制刀具模型的几何特征。随着现代机械制造技术的发展，各种新型的数控机床层出不穷，与之带来的是数控机床的刀具五花八门，种类繁多，形状各异，所以有必要先对刀具进行分门别类管理，刀具一般有七大类：端铣刀、车刀、槽刀、T型铣刀、桶状铣刀、螺纹刀和钻头。不同的刀具具有不同的加工参数和几何特征。这里，有必要建立每一类刀具的通用集合模型，在进行实际仿真过程中，直接调用某一类刀具，通过修改刀具参数来进行仿真。

本文设计的仿真系统主要基于UG软件进行二次开发。该仿真系统主要包括以下几个模块：数控加工建模模块、数控加工模拟面板模块、数控加工代码解析模块、仿真系统数据仓模块、网络通讯模块和人机交互模块。仿真系统必须具有较高的鲁棒性和可靠性，同时对用户来说要具有较强的易用性，可以让用户能够通过直观友好的人机交互接口很快的掌握基本仿真操作，同时仿真系统具有较高的优化和仿真效率，较高的整体性能，同时仿真系统还要具有较高的复用性和可扩展性，由于人工智能技术发展迅速，各种仿真算法迭代速度非常快，所以仿真系统必须能够可复用和扩展，为以后的功能升级预留充足的接口。

数控加工建模模块是整个仿真系统设计的核心部分，是整个可视化仿真系统的关键部分，通过本文设计的仿真系统，机械工件模型加工过程能够以图形化的方式直观地显示出来，整个数控加工的刀具走刀轨迹、机械工件的测量和数控加工中的可能存在碰撞都可以以图形化的方式呈现，使用户在仿真过程中直观地模拟实际数控加工过程的各个方面。本文设计的仿真系统主要采用构造实体几何法的建模方法，将实体通过简单的布尔运算来搭建复杂的机械数控加工模型，该方法具有直观、效率高的优点。数控机床的建模是模拟实际的数控机床和模拟加工过程的几何仿真，通过检测实际数控机床的各种参数，来层层细分数控机床的几何结构，按照相似性原则对种类繁多的零部件进行归一化处理，来逐步构建数控机床的本体模型。核心思想就是利用简单的形体建模组合来模拟出数控机床本体的复杂建模过程。

数控加工模拟面板模块主要是直观地显示仿真系统中数控机床的各种状态信息，可以方便地进行数控加工代码的编辑修改，以图形化直观的方式为用户提供友好的操作界面。

数控加工代码解析模块主要是对数控加工仿真计算机程序的二进制翻译，转化为系统可以识别的语言进行自动化仿真操作。

仿真系统数据仓模块主要是为刀具库各种参数数据提供存储和仿真系统调用，为用户方便的使用各类刀具进行系统仿真提供便利。

网络通讯模块主要包含RS232串口通讯模块和Internet网络通讯模块，RS232串口通讯主要是为了计算机和数控机床之间的数据传输提供服务，Internet网络通讯主要是为了给机械工程师操作仿真系统时与Internet网络交互提供数据传输使用，能够更加方便机械工程师更好的利用Internet网络资源，提高数控仿真的仿真质量和工作效率。

人机交互模块主要是为用户便捷地操作数控仿真系统提供友好的操作界面，建立良好的人机交互，方便快捷的为用户和仿真系统之间搭建各类信息、数据交换的平台。

对本文设计的仿真系统进行测试验证，本文设计的仿真系统具有较强的实时性和易用性，同时能够将仿真的内容进行三维图形显示，能够科学地、直观地验证仿真设计的合理性，能够满足绝大多数机械数控加工的仿真要求，具有较高的实用价值。

4 结语

数控加工技术的进步使得数控加工的复杂度和难度不断地加大，各种复杂曲面的机械零部件应用越来越多，为了提高数控加工的效率，本文设计了一种仿真系统来模拟数控加工的全过程，通过实际测试验证，本仿真系统具有较高的直观性和高效率。

参考文献

[1]余湛悦，周来水，张臣，庄海军.提高数控加工仿真速度和效果的关键技术研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004，（05）：642-647.

[2]罗亚波，陈定方，肖田元.远程数控仿真的一种编程实现方法[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2004，（01）：62-65.

[3]李安泰.UG软件在数控加工中的应用[J].电子工艺技术，2007，（02）：115-117.

[4]武小鹏，张玮，卢继平.虚拟数控机床模型与实现[J].机械工程师，2003，（06）：16-18.