探讨数控程序的检验与仿真

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无论是采用语言自动编程方法还是采用图形自动编程方法生成的数控加工程序，在加工过程中是否发生过切、少切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台是否干涉和碰撞等，编程人员往往事先很难预料，结果可能导致工件形状不符合要求，出现废品，有时还会损坏机床、刀具。随着NC编程的复杂化，NC代码的错误率也越来越高。因此，零件的数控加工程序在投入实际的加工之前，如何有效地检验和验证数控加工程序的正确性、确保投入实际应用的数控加工程序正确，是数控加工编程中的重要环节。 目前数控程序检验方法主要有：试切、刀具轨迹仿真、三维动态切削仿真和虚拟加工仿真等方法。 试切法是NC程序检验的有效方法。传统的试切是采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行的，通过塑模、蜡模或木模零件尺寸的正确性来判断数控加工程序是否正确。但试切过程不仅占用了加工设备的工作时间，需要操作人员在整个加工周期内进行监控，而且加工中的各种危险同样难以避免。 用计算机仿真模拟系统，从软件上实现零件的试切过程，将数控程序的执行过程在计算机屏幕上显示出来，是数控加工程序检验的有效方法。在动态模拟时，刀具可以实时在屏幕上移动，刀具与工件接触之处，工件的形状就会按刀具移动的轨迹发生相应的变化。观察者可在屏幕上看到的是连续的、逼真的加工过程。利用这种视觉检验装置，就可以很容易发现刀具和工件之间的碰撞及其它错误的程序指令。　　刀位轨迹仿真法(一)
　　一般在后置处理之前进行。通过读取刀位数据文件检查刀具位置计算是否正确，加工过程中是否发生过切，所选刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，刀位轨迹是否正确，刀具与约束面是否发生干涉与碰撞。这种仿真一般可以采用动画显示的方法，效果逼真。由于该方法是在后置处理之前进行刀位轨迹仿真，可以脱离具体的数控系统环境进行。刀位轨迹仿真法是目前比较成熟有效的仿真方法，应用比较普遍。主要有刀具轨迹显示验证、截面法验证和数值验证三种方式。
# d$ E2 f2 r% z, h2 I) i　　刀具轨迹显示验证
　　刀具轨迹显示验证的基本方法是：当待加工零件的刀具轨迹计算完成以后，将刀具轨迹在图形显示器上显示出来，从而判断刀具轨迹是否连续，检查刀位计算是否正确。下图是采用球形棒铣刀五坐标侧铣图加工透平压缩机叶轮叶片型面的显示验证图，从图中可看出刀具轨迹与叶型的相对位置是合理的。
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　　刀具轨迹截面法验证

　　截面法验证是先构造一个截面，然后求该截面与待验证的刀位点上的刀具外形表面、加工表面及其约束面的交线，构成一幅截面图显示在屏幕上，从而判断所选择的刀具是否合理，检查刀具与约束面是否发生干涉与碰撞，加工过程中是否存在过切。 截面法验证主要应用于侧铣加工、型腔加工及通道加工的刀具轨迹验证。截面形式有横截面、纵截面及曲截面等三种方法。 采用横截面方式时，构造一个与走刀路线上刀具的刀轴方向大致垂直的平面，然后用该平面去剖截待验证的刀位点上的刀具表面、加工表面及其约束面，从而得到一张所选刀位点上刀具与加工表面及其约束面的截面图。该截面图能反映出加工过程中刀杆与加工表面及其约束面的接触情况。下图是采用二坐标端铣加工型腔及二坐标侧铣加工轮廓时的横截面验证图。

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1 U# E: e1 D# \9 O; t　　纵截面验证不仅可以得到一张反映刀杆与加工表面、刀尖与导动面的接触情况的定性验证图，还可以得到一个定量的干涉分析结果表。如图所示，在用球形刀加工自由曲面时，若选择的刀具半径大于曲面的最小曲率半径，则可能出现过切干涉或加工不到位。

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　　刀位轨迹仿真法(二)
' Y" j# u* x0 @$ t4 t　　刀具轨迹数值验证
　　刀具轨迹数值验证也称为距离验证，是一种刀具轨迹的定量验证方法。它通过计算各刀位点上刀具表面与加工表面之间的距离进行判断，若此距离为正，表示刀具离开加工表面一个距离;若距离为负，表示刀具与加工表面过切。 如图所示，选取加工过程中某刀位点上的刀心，然后计算刀心到所加工表面的距离，则刀具表面到加工表面的距离为刀心到加工表面的距离减去球形刀刀具半径。设C表示加工刀具的刀心，d是刀心到加工表面的距离，R表示刀具半径，则刀具表面到加工表面的距离：δ=d-R。
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　　三维动态切削仿真法

　　三维动态切削图形仿真验证是采用实体造型技术建立加工零件毛坯、机床、夹具及刀具在加工过程中的实体几何模型，然后将加工零件毛坯及刀具的几何模型进行快速布尔运算(一般为减运算)，最后采用真实感图形显示技术，把加工过程中的零件模型、机床模型、夹具模型及刀具模型动态地显示出来，模拟零件的实际加工过程。 三维动态切削仿真法特点：仿真过程的真实感较强，基本上具有试切加工的验证效果。 现代数控加工过程的动态仿真验证的典型方法有两种： 一种是只显示刀具模型和零件模型的加工过程动态仿真。 另一种是同时动态显示刀具模型、零件模型、夹具模型和机床模型的机床仿真系统。如图所示。
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　　从仿真检验的内容看，可以仿真刀位文件，也可仿真NC代码。
* e: F0 o! L# ?* h7 |　　虚拟加工仿真法
　　虚拟加工方法是应用虚拟现实技术实现加工过程的仿真技术。虚拟加工法主要要解决加工过程和实际加工环境中，工艺系统间的干涉碰撞问题和运动关系。由于加工过程是一个动态的过程，刀具与工件、夹具、机床之间的相对位置是变化的，工件从毛坯开始经过若干道工序的加工，在形状和尺寸上均在不断变化，因此虚拟加工法是在各组成环节确定的工艺系统上进行动态仿真。
' Q: _6 B: }& Y4 G　　虚拟加工法与刀位轨迹仿真方法不同，虚拟加工方法能够利用多媒体技术实现虚拟加工，不只是解决刀具与工件之间的相对运动仿真，它更重视对整个工艺系统的仿真，虚拟加工软件一般直接读取数控程序，模仿数控系统逐段翻译，并模拟执行，利用三维真实感图形显示技术，模拟整个工艺系统的状态，还可以在一定程度上模拟加工过程中的声音等，提供更加逼真的加工环境效果。
6 f# w  _. c2 c9 r　　从发展前景看，一些专家学者正在研究开发考虑加工系统物理学、力学特性情况下的虚拟加工，一旦成功，数控加工仿真技术将发生质的飞跃