機(jī)床軟件仿真的實(shí)現(xiàn)

由于需要提高生產(chǎn)效率，或者需要通過加工更復(fù)雜、更高價值的零件來贏得更多訂單，工廠紛紛投資購買先進(jìn)機(jī)床，而這種情況越來越普遍。由于這些機(jī)床非常先進(jìn)，因此機(jī)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有用的程序驗(yàn)證工具。

　　加工仿真已經(jīng)經(jīng)過多個階段的演變，現(xiàn)在大多數(shù)CAM系統(tǒng)都具有一定的仿真功能。不過，這些系統(tǒng)并不是都以同樣的方法運(yùn)行。當(dāng)編程人員需要確定其在數(shù)字世界里面模擬發(fā)生的事情是否會真正發(fā)生在機(jī)床上時，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程，就需要了解不同機(jī)床仿真之間的差別。

　　Vynce Paradise先生是Siemens PLM Software NX CAM行銷總監(jiān)，他認(rèn)為機(jī)床仿真非常重要，且需甄別刀具路徑驗(yàn)證

　　最簡單層次的仿真是CAM系統(tǒng)多年來所做而且現(xiàn)在還在做的事情。CAM系統(tǒng)通過坯料的一個3D模型的切削變化來表示切削過程，驗(yàn)證坯料的刀具路徑。該模式一般被稱為“刀具路徑驗(yàn)證”，即使沒有機(jī)床表示也可以執(zhí)行該模式。在標(biāo)準(zhǔn)的銑削或車削作業(yè)中，對刀具路徑的這種驗(yàn)證層次通常已經(jīng)綽綽有余了。選定了自動材料切除選項(xiàng)之后，以現(xiàn)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(yàn)證，對驗(yàn)證內(nèi)部刀具路徑這一工作來說是合適的。用戶可以輕易讀取刀具路徑的內(nèi)部定義，清楚地知道刀具與被加工表面的相對位置。

　　內(nèi)部刀具路徑定義

　　具有不同的基本運(yùn)動自由度或者多任務(wù)功能的更高級的機(jī)床則需要一種不同的仿真。我們需要了解并顯示當(dāng)NC控制器和機(jī)床識別推薦的刀具路徑數(shù)據(jù)時，這些數(shù)據(jù)會做什么。需要把機(jī)床運(yùn)動作為一個完整系統(tǒng)來看待，而不僅僅是切削刀具相對于坯料的運(yùn)動。

　　CAM 供應(yīng)商達(dá)到這一目的的最簡單方法就是開發(fā)一種著眼于內(nèi)部刀具路徑定義的軟件，就像用于基本刀具路徑驗(yàn)證的軟件一樣，然后該軟件會將其轉(zhuǎn)換為一種通用運(yùn)動輸出形式。這種運(yùn)動與3D CAD各個軸相連接。該方法的優(yōu)點(diǎn)是它非常簡單易用，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(yùn)動定義相對獨(dú)立于最終的目標(biāo)機(jī)床和控制器的造型和模型。在這種情況下，大多數(shù)CAM供應(yīng)商都采用一個通用的第三方插件應(yīng)用程序，將其用于3D運(yùn)動學(xué)和運(yùn)動顯示，創(chuàng)建機(jī)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，它并不是整個計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)中微不足道的一部分。在大多數(shù)情況下，大多數(shù)后處理器向機(jī)床控制器傳輸數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)化的代碼，在某個層次上是通用的。但是與所有標(biāo)準(zhǔn)一樣，每個控制器制造商和機(jī)床車間都用很多不同的方法來延伸和解釋這些代碼。由于在大多數(shù)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(shù)值，因此解釋這些代碼的確切方法就至關(guān)重要。

　　問題的關(guān)鍵是，如果仿真系統(tǒng)要正確并完整地對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行仿真，則仿真系統(tǒng)需要讀取后處理器的輸出即被發(fā)送到控制器的數(shù)據(jù)。為此，仿真系統(tǒng)需要一個軟件組件，該軟件組件比基于內(nèi)部刀具路徑的仿真驅(qū)動程序要先進(jìn)一倍。

G代碼和M代碼

　　為了提供由后處理器輸出驅(qū)動的仿真，系統(tǒng)必須能夠解讀G代碼和M代碼以及控制器專用的其他命令和相關(guān)數(shù)據(jù)區(qū)，然后系統(tǒng)會把這些信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床上每個軸或可控制裝置的相應(yīng)運(yùn)動輸入。這就要求詳細(xì)了解具體的目標(biāo)機(jī)床和控制器，甚至需要詳細(xì)到了解一個特定客戶對該機(jī)床的預(yù)期目標(biāo)配置。這是對后處理器所創(chuàng)建內(nèi)容的逆向工程，即該逆向工程的方法最好與機(jī)床控制器執(zhí)行該任務(wù)的方法相同，其結(jié)果是3D仿真，驅(qū)動該3D仿真的代碼與進(jìn)入機(jī)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(nèi)部刀具路徑階段早期并不存在的其他動作，從而對機(jī)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(jī)床(尤其那些具有真實(shí)、同步多任務(wù)功能的機(jī)床)的封閉、復(fù)雜環(huán)境中，非常關(guān)鍵。

　　機(jī)床車間可以檢查CAM系統(tǒng)是否能夠進(jìn)行G代碼驅(qū)動的機(jī)床仿真。其中一項(xiàng)測試方法是檢查CAM系統(tǒng)是否能夠?qū)σ粋€外部來源的NC程序進(jìn)行讀入并仿真，如手動創(chuàng)建或修改的，或者從機(jī)床讀入用G代碼和M代碼編寫的NC程序。要做到這一點(diǎn)，就要能夠?qū)o定機(jī)床和控制器的這些代碼進(jìn)行逆向工程。

　　另外，還有一些獨(dú)立軟件包，能夠提供后期的G代碼和M代碼驗(yàn)證，這些代碼能夠讀入來自CAM系統(tǒng)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(shù)據(jù)。很多機(jī)床車間均已投資于這些外部機(jī)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(qū)動的單獨(dú)仿真應(yīng)用程序用作大多數(shù)CAM系統(tǒng)的附件，則在同步多通道機(jī)床的各個單獨(dú)元件時又會產(chǎn)生另外一個問題。編程人員希望看到在任何情況下機(jī)床的關(guān)鍵部件、夾具和切削刀具的準(zhǔn)確位置，在編程人員用軟件來向程序運(yùn)行順序添加“等待”和“同步”代碼時更是如此。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(jī)床不成為“多沖突”機(jī)床。

　　為了實(shí)現(xiàn)可靠的同步，必須確定每次操作或者每個NC程序塊的準(zhǔn)確時間。為了計(jì)算準(zhǔn)確時間，需要準(zhǔn)確表示控制器功能以及軸的參數(shù)(加速度、最大速度、速度、急跳限值、準(zhǔn)確的停止時間等)。通用機(jī)床仿真只能提供大概值，但是當(dāng)編程人員使用所有機(jī)床功能時，對于快速運(yùn)動設(shè)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(yuǎn)。

　　一些編程人員會用手動方式把這些“同步和等待”代碼增加到其CAM系統(tǒng)后處理器的輸出，然后用外部、第三方機(jī)床仿真軟件包來進(jìn)行全面測試。當(dāng)然，如果發(fā)現(xiàn)問題，他們會對G代碼和M代碼進(jìn)行一些局部、手動編輯，或者回到CAM系統(tǒng)，在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上重新按順序運(yùn)行。當(dāng)編程人員對整套作業(yè)進(jìn)行同步處理時，車間最好擁有 CAM系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)部“G代碼驅(qū)動”機(jī)床仿真，把該組合與CAM系統(tǒng)內(nèi)的仿真功能直接連接，意味著NC編程人員可以在同一套軟件內(nèi)完成所有操作。
發(fā)展：真正的控制器

　　與基本內(nèi)部刀具路徑驅(qū)動的仿真相比，雖然G代碼和M代碼驅(qū)動的仿真取得了很大的進(jìn)步，但是它不僅要依賴于軟件對代碼的翻譯質(zhì)量高低，而且還取決于用來測試以及匹配機(jī)床控制器和機(jī)床行為的運(yùn)動算法。

　　要盡量接近現(xiàn)實(shí)，需要采取的下一個步驟是準(zhǔn)確復(fù)制機(jī)床控制器是如何處理這些G代碼、M代碼以及所附的數(shù)據(jù)區(qū)的。所有控制器的黑匣子里面都有軟件，大多數(shù)擁有復(fù)雜算法，這些算法用于解釋來自CAM軟件包后處理器的數(shù)據(jù)。在這方面，沒有兩個控制器是完全一樣的，因此如果要對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行真正地仿真，需要找到一個好的方法來復(fù)制在給定的G代碼和M代碼順序下某個特定控制器軟件會如何運(yùn)行。

　　要做到這一點(diǎn)，理想的方法是得到實(shí)際機(jī)床控制器中使用的一個軟件版本，然后將其插入車床仿真軟件。在后面一種情況下，可以用控制器制造商提供的“黑匣子”軟件來解釋CAM系統(tǒng)的虛擬、數(shù)字世界內(nèi)的G代碼和M 代碼，這樣可以進(jìn)行“控制器驅(qū)動的機(jī)床仿真”。事實(shí)上，對于CAM系統(tǒng)或基于車間的仿真器，控制器驅(qū)動的仿真可以全面提高機(jī)床仿真的完整性和準(zhǔn)確性水平。

　　目前只有極少數(shù)控制器制造商才能夠提供控制器軟件(可以加到機(jī)床仿真器軟件)的插件版本，而西門子就是其中一個。西門子的Sinumerik 840D控制器把基于PC的軟件作為其標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的一部分。西門子自動化和驅(qū)動集團(tuán)(A&D)旗下機(jī)構(gòu)Siemens PLM Software已經(jīng)采用了該軟件，在其NXTMCAM系統(tǒng)內(nèi)提供基于CAM的控制器驅(qū)動仿真。另外，西門子和Siemens PLM Software已經(jīng)與一些機(jī)床制造商攜手開發(fā)最完整的獨(dú)立車間機(jī)床仿真器，將其作為某些機(jī)床的附件選項(xiàng)。不僅如此，還提供了控制器的人機(jī)界面以提高仿真器的真實(shí)感和價值。

　　NX CAM工具

　　針對多功能機(jī)床一類的先進(jìn)機(jī)床，Siemens PLM Software可以提供完整的“機(jī)床支持工具箱”，這些工具不僅僅包括后處理器，而且還包括機(jī)床的3D實(shí)體裝配模型、G代碼仿真驅(qū)動器、標(biāo)準(zhǔn)的加工作業(yè)模板、零件樣品以及文件。對于使用西門子Sinumerik 840D 控制器的機(jī)床，還可以選擇增加控制器驅(qū)動的功能。

　　一個 CAM 軟件包里面可能有看起來很酷的3D仿真，讓3D模型上有金屬質(zhì)感和光澤反射的外表。不過，更重要的是在計(jì)算機(jī)屏幕上的數(shù)字世界里面看到的東西是否與按下實(shí)際機(jī)床上的啟動按鈕后真正發(fā)生加工過程相同。

　　為了提供最佳結(jié)果，大多數(shù)先進(jìn)機(jī)床可能需要在CAM系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)床仿真器里面安裝一個G代碼驅(qū)動器。為了使機(jī)床投資價值最大化，可以采用“控制器驅(qū)動的仿真”，安裝在CAM系統(tǒng)用于執(zhí)行編程任務(wù)，也可以安裝在車間里的一個獨(dú)立機(jī)床仿真器內(nèi)用于最終實(shí)現(xiàn)虛擬功效。