1.前言　　

數控加工仿真是在CAM生成加工軌跡并經由后處理生成數控加工程序后、數控機床實加工前進行的加工程序檢驗和優化過程，能夠模擬試加工狀態，檢測可能存在的過切、干涉、碰撞及其它加工錯誤，降低加工風險，節省試加工的成本。

其中，加工中的主要風險為：　　1)過切刀具對工件的過切削　　2)干涉刀具對工件其他部位的誤切削　　3)碰撞刀具、主軸、換刀機構等運動部件碰撞至數控機床的相對靜止部件，如夾具、刀庫、轉臺、機床體等　　4)超程執行加工時可能超過數控機床的有效行數控加工仿真系統不但要通過圖形化的交互方式檢查加工過程中可能出現的風險，并能夠基于包括幾何原理和加工工藝的專家知識庫對加工過程中的重要元素進行優化，如加工軌跡、加工速度和加速度等。更進一步的，未來的數控加工仿真系統需要能夠更進一步地虛擬現實加工環境，預測加工風險并優化加工程序。

2.數控程序的仿真和驗證　　

作為數控加工仿真技術的基本功能之一，工件的仿真和驗證一直為數控加工仿真系統商所重視。隨著計算機圖形學特別是OpenCL的發展，仿真過程中的圖形顯示真實度已經有極大的提高，仿真過程中隨時基于實體進行加工細節的放大和旋轉功能已經較為成熟。

　　數控加工仿真系統中能夠導入CAD模型，將仿真加工后的實體與CAD模型進行對比，高亮顯示欠切和過切區域，提示數控編程人員調整程序。同時，仿真系統還能夠提示加工是否可能超程或發生干涉、碰撞，以高亮顏色進行顯示。

　　2.1五軸數控加工仿真　　

五軸數控加工是在三軸數控加工的基礎上增加ABC中的兩個回轉軸，從而達到更多種刀具姿態，允許使用較短的刀具進行加工；通過一次裝夾實現復雜曲面、重疊面的加工，提高數控加工機床的加工效率。同時，由于五軸數控加工引入兩個回轉軸，增加了數控編程的難度和不確定性，數控加工仿真更具必要性。　　

目前，幾乎所有的CAM系統都能夠在刀具加工軌跡生成后進行加工仿真，在數控編程中盡可能消除過切、欠切等加工問題。但是，由于數控機床最終使用的程序往往是G代碼，而非CAM系統直接生成的CLF文件（Cutter Location File，刀具路徑文件）。CLF文件還需要經設定好數控機床結構的后置處理器轉化成被數控機床識別的G代碼等機器識別碼用于加工。在后置處理的過程中，依然存在CAM系統生成的加工軌跡無法正確轉換為G代碼的風險，因此，針對G代碼進行五軸數控加工程序的仿真尤為重要。

　　2.2車銑復合加工仿真　　

隨著加工零件的復雜性不斷提高，數控機床的類型也越來越多，目前許多機床制造商把車銑復合加工機床作為研發和推廣的重點，如DMG、MAZAK、MORI SEIKI等。車銑復合加工是目前機械加工領域前沿的技術之一，它把車削和銑削加工工藝在一臺機床上實現，從而具有更高的效率、柔性。同時，由于車銑復合加工將傳統的在車床上加工后再到銑床/加工中心上進行加工的方式升級為在一臺機床上進行加工，一次裝夾因而避免了因重復裝夾造成的誤差，提高了加工精度。　　

許多成熟的CAM軟件和數控加工仿真系統針對車銑復合加工的特點，開發了具有針對性的仿真模塊，如PartMaker、VERICUT、EdgeCAM等。

3.數控加工程序的優化　　

3.1減少冗余加工路徑　　根據工件的幾何特征和數控加工工藝安排，CAM系統會將待加工余量分成多個工序，生成多個工件加工軌跡。因此，往往會存在許多冗余刀具路徑的情形，刀具在上一級工序中的切削量處空切，不但造成加工中刀具受力不平穩，刀具振動從而降低刀具壽命，還大大浪費了加工時間，增加制造成本。　　目前先進的CAM系統能夠基于上一級工序的加工余量進行加工軌跡規劃，減少空切量。但是，由于CAM系統和數控加工仿真系統往往由不同的供應商提供，加之CAM系統良莠不齊，數控仿真具備加工路徑優化功能十分必要。　　

3.2加工速度的優化　　CAM系統往往會基于設定的加工速度進行設定，在加工速度上可能會存在過于程式化的問題，不能充分考慮實際工件的幾何特點和物理特征。先進數控加工仿真系統能夠在上一步加工工序余量的基礎上，考慮刀具單位時間加工量，對加工速度進行優化。同時，保持刀具在單位時間內的切削量一致會提高數控機床在加工中的穩定性，減少機床振動，從而提高工件的表面質量。優化加工速度需要基于加工知識庫和專家系統，充分考慮機床的結構和剛性、夾具的剛性、刀具材質和刀齒數量，才能夠進行適當的優化，提升加工效率。　　

著名仿真軟件公司CGTECH的VERICUT軟件能夠根據加工余量，調整加工速度，保持單位時間內的切削量接近恒定，從而有效利用數控機床的加工能力，提高加工效率和表面質量。

4.虛擬機床　　

虛擬機床是將數控后置處理、數控程序、控制系統模型和數控機床幾何模型置于同一平臺下，進行更高一步的加工仿真過程，可以在最大程度上消除可能的編程錯誤、后置處理錯誤和加工工藝的不合理設置。虛擬機床技術需要良好的計算機圖形學支持，以獲得良好的仿真效果。例如，線框模型、局部試圖、透明顯示、高逼真實體顯示等。　　

基于虛擬機床進行后置處理，可以更加充分的考慮到機床的各個幾何特征和控制系統的特性，將CAM系統生成的CLF文件優化轉換為數控加工程序，良好地消除加工過程中的干涉、碰撞和超程等問題。同時，仿真加工中的各個階段在同一虛擬機床平臺上執行，可以形成鏈接關系，每當其中一個環節有所更新，其余后續環節會相應的自動更新。　　

利用虛擬機床對數控加工操作人員進行培訓非常有意義，這樣可以使得培訓在辦公環境下進行，而不擠占數控機床的使用時間。　　

現今，領先的數控仿真系統已經將流行的控制系統模型集成其中，如Heidenhain/Fanuc/Siemens/Bosch/Cincinnati Milacron/Fadal等。

5.小結　　

現代數控仿真技術不斷適應并提升著現代數控機床技術的發展，它不但能夠高品質的驗證、仿真五軸加工、車銑復合加工等復雜的數控加工程序，還能夠對加工程序進行優化，最終實現基于虛擬機床進行最高品質的仿真和驗證，對實際加工進行前瞻和指導。