機床仿真的實(shí)現

由于需要提高生產(chǎn)效率，或者需要通過(guò)加工更復雜、更高價(jià)值的零件來(lái)贏(yíng)得更多訂單，工廠(chǎng)紛紛投資購買(mǎi)先進(jìn)機床，而這種情況越來(lái)越普遍。由于這些機床非常先進(jìn)，因此機床仿真就成為NC編程人員必不可少的武器，而不僅僅是作為一個(gè)有用的程序驗證工具。

　　加工仿真已經(jīng)經(jīng)過(guò)多個(gè)階段的演變，現在大多數CAM系統都具有一定的仿真功能。不過(guò)，這些系統并不是都以同樣的方法運行。當編程人員需要確定其在數字世界里面模擬發(fā)生的事情是否會(huì )真正發(fā)生在機床上時(shí)，這些差別就顯得尤為重要。因此，要為手上的工作選擇正確的過(guò)程，就需要了解不同機床仿真之間的差別。

　　Vynce Paradise先生是Siemens PLM Software NX CAM行銷(xiāo)總監，他認為機床仿真非常重要，且需甄別刀具路徑驗證

　　最簡(jiǎn)單層次的仿真是CAM系統多年來(lái)所做而且現在還在做的事情。CAM系統通過(guò)坯料的一個(gè)3D模型的切削變化來(lái)表示切削過(guò)程，驗證坯料的刀具路徑。該模式一般被稱(chēng)為“刀具路徑驗證”，即使沒(méi)有機床表示也可以執行該模式。在標準的銑削或車(chē)削作業(yè)中，對刀具路徑的這種驗證層次通常已經(jīng)綽綽有余了。選定了自動(dòng)材料切除選項之后，以現在的PC速度加上軟件算法的進(jìn)步，可以很好地改善這一層次的刀具路徑驗證，對驗證內部刀具路徑這一工作來(lái)說(shuō)是合適的。用戶(hù)可以輕易讀取刀具路徑的內部定義，清楚地知道刀具與被加工表面的相對位置。

　　內部刀具路徑定義

　　具有不同的基本運動(dòng)自由度或者多任務(wù)功能的更高級的機床則需要一種不同的仿真。我們需要了解并顯示當NC控制器和機床識別推薦的刀具路徑數據時(shí)，這些數據會(huì )做什么。需要把機床運動(dòng)作為一個(gè)完整系統來(lái)看待，而不僅僅是切削刀具相對于坯料的運動(dòng)。

　　CAM 供應商達到這一目的的最簡(jiǎn)單方法就是開(kāi)發(fā)一種著(zhù)眼于內部刀具路徑定義的軟件，就像用于基本刀具路徑驗證的軟件一樣，然后該軟件會(huì )將其轉換為一種通用運動(dòng)輸出形式。這種運動(dòng)與3D CAD各個(gè)軸相連接。該方法的優(yōu)點(diǎn)是它非常簡(jiǎn)單易用，最重要的是它具有相對的通用性。在軟件發(fā)展的這一階段，運動(dòng)定義相對獨立于最終的目標機床和控制器的造型和模型。在這種情況下，大多數CAM供應商都采用一個(gè)通用的第三方插件應用程序，將其用于3D運動(dòng)學(xué)和運動(dòng)顯示，創(chuàng )建機床仿真解決方案。

　　后處理器

　　人們顯然低估了后處理器的地位，它并不是整個(gè)計算機數控(CNC)系統中微不足道的一部分。在大多數情況下，大多數后處理器向機床控制器傳輸數據的惟一方法是采用眾人皆知的“G代碼和M代碼”。這些代碼是一組標準化的代碼，在某個(gè)層次上是通用的。但是與所有標準一樣，每個(gè)控制器制造商和機床車(chē)間都用很多不同的方法來(lái)延伸和解釋這些代碼。由于在大多數情況下控制器只擁有這些代碼以及與這些代碼相關(guān)的數值，因此解釋這些代碼的確切方法就至關(guān)重要。

　　問(wèn)題的關(guān)鍵是，如果仿真系統要正確并完整地對機床運動(dòng)進(jìn)行仿真，則仿真系統需要讀取后處理器的輸出即被發(fā)送到控制器的數據。為此，仿真系統需要一個(gè)軟件組件，該軟件組件比基于內部刀具路徑的仿真驅動(dòng)程序要先進(jìn)一倍。

G代碼和M代碼

　　為了提供由后處理器輸出驅動(dòng)的仿真，系統必須能夠解讀G代碼和M代碼以及控制器專(zhuān)用的其他命令和相關(guān)數據區，然后系統會(huì )把這些信息轉化為機床上每個(gè)軸或可控制裝置的相應運動(dòng)輸入。這就要求詳細了解具體的目標機床和控制器，甚至需要詳細到了解一個(gè)特定客戶(hù)對該機床的預期目標配置。這是對后處理器所創(chuàng )建內容的逆向工程，即該逆向工程的方法最好與機床控制器執行該任務(wù)的方法相同，其結果是3D仿真，驅動(dòng)該3D仿真的代碼與進(jìn)入機床對真實(shí)零件進(jìn)行切割的G代碼和M代碼相同。

　　該軟件還可以看到由處理器的邏輯增加的、但是在內部刀具路徑階段早期并不存在的其他動(dòng)作，從而對機床實(shí)際加工進(jìn)行更加真實(shí)、更加完整的仿真。在很多高級機床(尤其那些具有真實(shí)、同步多任務(wù)功能的機床)的封閉、復雜環(huán)境中，非常關(guān)鍵。

　　機床車(chē)間可以檢查CAM系統是否能夠進(jìn)行G代碼驅動(dòng)的機床仿真。其中一項測試方法是檢查CAM系統是否能夠對一個(gè)外部來(lái)源的NC程序進(jìn)行讀入并仿真，如手動(dòng)創(chuàng )建或修改的，或者從機床讀入用G代碼和M代碼編寫(xiě)的NC程序。要做到這一點(diǎn)，就要能夠對給定機床和控制器的這些代碼進(jìn)行逆向工程。

　　另外，還有一些獨立軟件包，能夠提供后期的G代碼和M代碼驗證，這些代碼能夠讀入來(lái)自CAM系統的輸出。不僅如此，這些軟件包還能夠完全以上面描述的方式使用數據。很多機床車(chē)間均已投資于這些外部機床仿真軟件，即使投資超出了它們在CAM軟件上的投資。

　　NC編程

　　如果把G代碼驅動(dòng)的單獨仿真應用程序用作大多數CAM系統的附件，則在同步多通道機床的各個(gè)單獨元件時(shí)又會(huì )產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題。編程人員希望看到在任何情況下機床的關(guān)鍵部件、夾具和切削刀具的準確位置，在編程人員用軟件來(lái)向程序運行順序添加“等待”和“同步”代碼時(shí)更是如此。就像繁忙路口的交通信號燈一樣，這些代碼在管理多加工順序方面起到了關(guān)鍵作用，確保多任務(wù)機床不成為“多沖突”機床。

　　為了實(shí)現可靠的同步，必須確定每次操作或者每個(gè)NC程序塊的準確時(shí)間。為了計算準確時(shí)間，需要準確表示控制器功能以及軸的參數(加速度、最大速度、速度、急跳限值、準確的停止時(shí)間等)。通用機床仿真只能提供大概值，但是當編程人員使用所有機床功能時(shí)，對于快速運動(dòng)設備和小公差而言，只有這些大概值是不夠的。與實(shí)際沖突風(fēng)險相差甚遠。

　　一些編程人員會(huì )用手動(dòng)方式把這些“同步和等待”代碼增加到其CAM系統后處理器的輸出，然后用外部、第三方機床仿真軟件包來(lái)進(jìn)行全面測試。當然，如果發(fā)現問(wèn)題，他們會(huì )對G代碼和M代碼進(jìn)行一些局部、手動(dòng)編輯，或者回到CAM系統，在反復試驗的基礎上重新按順序運行。當編程人員對整套作業(yè)進(jìn)行同步處理時(shí)，車(chē)間最好擁有 CAM系統內的所有功能。

　　事實(shí)上，真正需要的是完整集成后處理器功能和內部“G代碼驅動(dòng)”機床仿真，把該組合與CAM系統內的仿真功能直接連接，意味著(zhù)NC編程人員可以在同一套軟件內完成所有操作。