吳康福

（廣東理工學院，廣東 肇慶 526100）

數(shù)控機床加工是當前機械現(xiàn)代化發(fā)展的重要構成部分。為了保障數(shù)控加工的準確性，穩(wěn)定數(shù)控加工質(zhì)量，在編制數(shù)控程序后需要對其進行進一步驗證，以避免在加工過程中由于程序問題導致欠切、碰撞等一系列問題。因此，在數(shù)控機床加工應用過程中，需要運用仿真技術來對數(shù)控加工進行模擬，以全面、客觀的判斷數(shù)控程序的準確性，驗證數(shù)控加工工藝是否合理，避免在加工過程中出現(xiàn)各種異常情況，以提升加工生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

1 數(shù)控機床加工仿真技術

仿真技術是模擬技術更成熟、更精準的階段，主要是利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來模擬某數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使得模仿的系統(tǒng)可以與被模仿的系統(tǒng)一樣進行相同的數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行相同的工作程序，進而獲得相同的結果。運用計算機技術來模擬機床加工能夠?qū)?shù)控加工程序的安全性、可靠性進行判斷，并對切削過程進行預測。數(shù)控機床加工仿真技術的核心在于虛擬數(shù)控機床，其與計算機之間是相互連接的。通過運行數(shù)控車床加工程序完成車刀與其他位置的移動，以完成加工處理。通過在相關系統(tǒng)中模擬完成零件的切削過程，能夠明確掌握數(shù)控程序是否正常，且在觀察過程中判斷程序運行過程中出現(xiàn)錯誤與問題，以便在仿真系統(tǒng)中進行調(diào)整、修改與跟蹤，進而完善數(shù)控機床加工程序。當前數(shù)控機床加工仿真技術已經(jīng)普遍應用到工業(yè)設計、模擬生產(chǎn)等領域中。數(shù)控機床中加工仿真技術的運用可以分為幾何仿真與物理仿真兩種類型。第一，幾何仿真。幾何仿真沒有考慮在切削過程中不同參數(shù)與切削力等其他物理因素的影響。在計算機仿真系統(tǒng)中，主要是利用仿真道具與工件在空間中移動，以完成不同加工需求。這一過程中的主要目的在于對NC程序的正確性進行驗證。如出現(xiàn)問題與或缺陷則需要進行人工調(diào)整，直至達到各項要求；第二，物理仿真。物理仿真是一種相對于幾何仿真而言的仿真方法。物理仿真也可以被看作力學仿真，主要原理是利用力學的特性來探索數(shù)控機床加工過程中車刀的實際使用情況，如磨損程度、摩擦力大小等，以滿足構件數(shù)控加工的需要。

2 數(shù)控機床加工仿真技術的優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)數(shù)控機床加工技術，仿真技術在數(shù)控機床加工中應用的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，在數(shù)控機床加工零件前，可以程序進行全面而精準的檢查，避免在實際加工過程中出現(xiàn)紕漏，導致零件生產(chǎn)出現(xiàn)損失，進而耽誤生產(chǎn)時間；第二，數(shù)控機床加工仿真技術應用能夠被應用在機械加工專業(yè)課程教學中，在實訓教學中，機械專業(yè)學生可以利用數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)對自己所涉及的零件以及的加工零件程序進行核對判斷。且數(shù)控機床加工仿真技術能夠解決當前高校機械加工專業(yè)硬件設施相對較少，難以滿足實訓學習需求的問題，并安全性較高，降低教師在實訓教學中負擔，提升系機械工程課程教學效率；第三，數(shù)控機床加工仿真技術能夠有效節(jié)省實際生產(chǎn)中的成本，還可以一定程度上降低生產(chǎn)不合格率，保障零件加工質(zhì)量。

3 數(shù)控機床中加工仿真技術的運用過程

3.1 數(shù)控機床加工仿真技術運用流程

當前，數(shù)控機床加工仿真技術以幾何仿真為主，其主要過程為利用數(shù)控代碼作為驅(qū)動源，運用三維建模技術與過程仿真技術自動生成道具移動的模擬軌跡，再利用軌跡形狀與被加工幾何體進行相關運算，進而生成坐標數(shù)據(jù)以及加工后零件形狀參數(shù)等，最后，再利用三維建模與動畫展示技術，把過程結果展現(xiàn)在計算機屏幕中，具體流程如圖1所示。

圖1

在對圖1中數(shù)控機床加工仿真流程進行分析后可以看出，要完成對零件加工過程的仿真模擬，需要運用數(shù)控代碼處理技術、三維圖形建模技術、動畫仿真技術、碰撞干涉檢測技術等。用戶通過人際交互界面對系統(tǒng)進行操作，在經(jīng)過數(shù)控代碼處理技術、三維圖形建模技術、動畫仿真技術、碰撞干涉檢測技術處理后，獲得加工過程的模擬仿真結果，仿真結果回傳至人際交互界面，用戶即可獲知。

3.2 數(shù)控機床加工仿真技術運用的關鍵技術

（1）數(shù)控代碼處理技術。計算機是無法直接讀取數(shù)控代碼的，因此，需要使用編譯器對數(shù)控源程序進行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為計算機能夠讀取并執(zhí)行的中間結果，來作為加工仿真的驅(qū)動源。

因此，在數(shù)控機床系統(tǒng)中，數(shù)控代碼編譯處理技術系統(tǒng)的重要功能模塊。數(shù)控代碼處理主要可以分為三步，分別是數(shù)控代碼檢查、數(shù)控代碼翻譯以及刀心軌跡計算。其中，數(shù)控代碼檢錯主要是針對數(shù)控代碼的詞法、語法、語義等進行分析，而數(shù)控代碼翻譯則是從數(shù)控代碼中提取出控制機床加工運行的指令與狀態(tài)；在翻譯后得到刀心軌跡位移數(shù)據(jù)后，則存儲至數(shù)據(jù)結構中，最后根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動驅(qū)動機床進行仿真模擬運動。

（2）三維建模技術。數(shù)控機床實體模型是進行加工仿真模擬的基礎。在進行機床運動工程設計、整體結構布局設計與尺寸設計后，在機械制圖Auto CAD軟件下根據(jù)設計圖紙中的機床尺寸進行樣機建模。

三維建模過程可以分為兩個階段，一是根據(jù)零件實際規(guī)模尺寸對零件個體進行造型設計；二是按照零件裝配約束類型來對模擬機床的裝配過程進行動態(tài)模擬裝配?；谌S實體模型，可以使用Auto CAD軟件終端渲染功能對三維模型的色彩、材質(zhì)、紋理、光影等進行加工處理，以強化虛擬樣機的真實感。

（3）動畫仿真技術。數(shù)控加工仿真技術應用中動畫仿真技術十分關鍵，仿真效果的情況將會直接影響仿真結果。動畫仿真技術主要針對道具運動軌跡以及材料去除過程進行仿真模擬。數(shù)控機床加工仿真中，主要運用幀動畫以及雙緩存技術來進行動態(tài)仿真。在系統(tǒng)后緩沖區(qū)域，需要顯示道具位置以及零件顯示模型的每幀畫面，再經(jīng)過后緩存區(qū)域傳輸?shù)角熬彺鎱^(qū)域，再顯示在計算機屏幕中，從而實現(xiàn)動畫序列播放。

（4）碰撞干涉檢測技術。碰撞干涉檢測技術是數(shù)控機床加工仿實現(xiàn)的關鍵步驟。數(shù)控機床加工仿真主要應用了三維空間碰撞干涉檢測技術?；谌S立體空間中，動態(tài)碰撞檢測應用的是基于圖像空間碰撞檢測與物體空間碰撞檢測算法。其中，圖像空間碰撞檢測是使用三維模型在二維平面進行投影處理，同時，在深度上運用深度緩存進行計算，以判斷是否會發(fā)生碰撞。

3.3 數(shù)控機床加工仿真技術發(fā)展趨勢

雖然當前數(shù)控機床中加工仿真技術的應用已經(jīng)取得一定成果，但是，在機械加工生產(chǎn)行業(yè)中依然存在較大的發(fā)展空間，有部分理論與實際問題有待進一步解決。

數(shù)控機床加工仿真技術發(fā)展呈現(xiàn)以下幾個趨勢：第一，數(shù)控機床加工仿真過程朝向真實化、準確化發(fā)展。伴隨和計算機仿真技術的成熟，物理仿真技術中的切削熱、零件加工變形預測、刀具磨損等綜合到仿真系統(tǒng)中，以實現(xiàn)幾何仿真與物理仿真的高度融合，使得數(shù)控機床加工仿真過程更加真實、更加準確；第二，數(shù)控機床加工仿真過程朝向網(wǎng)絡化發(fā)展。將互聯(lián)網(wǎng)技術運用數(shù)控機床加工仿真過程中，可以使得數(shù)控機床仿真系統(tǒng)與計算機實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交換與共享，從而與其他主流軟件進行無縫對接，如CAD、CAM、ERP、CAPP等主流系統(tǒng)。并且可以獲取基于互聯(lián)網(wǎng)的各項原創(chuàng)數(shù)據(jù)控制服務的支持，支持遠程在線編程、數(shù)控加工與遠程在線控制等；第三，數(shù)控機床加工仿真更加智能化。在人工智能技術、云計算技術、大數(shù)據(jù)技術快速發(fā)展的環(huán)境下，降數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)與新興科技相結合能夠開發(fā)出操作更智能、功能更齊全的數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)，以滿足不同形式的數(shù)控加工需求。

4 結語

伴隨著我國機械行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控機床的加工仿真技術已經(jīng)獲得了一定進展。該技術憑借著加工效率較高、加工質(zhì)量優(yōu)良、加工經(jīng)濟效益立項等優(yōu)勢在機械加工行業(yè)快速普及。伴隨著我國機械工業(yè)的進步，對零件加工要求的不斷提升，數(shù)控機床程序會愈加復雜，這也對數(shù)控機床加工仿真技術的應用提出了更高的要求。相信在計算機技術、人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術不斷成熟的未來，數(shù)控機床加工仿真技術將會得到質(zhì)的發(fā)展與飛躍。