機床模擬設計

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機床模擬設計簡介
     由於需要提高生產效率,或者需要通過加工更複雜、更高價值的零件來贏得更多訂單,工廠紛紛投資購買先進機床,而這種情況越來越普遍。由於這些機床非常先進……
機床模擬設計正文
    

由於需要提高生產效率,或者需要通過加工更複雜、更高價值的零件來贏得更多訂單,工廠紛紛投資購買先進機床,而這種情況越來越普遍。由於這些機床非常先進,因此機床模擬就成為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證工具。


加工模擬已經經過多個階段的演變,現在大多數CAM系統都具有一定的模擬功能。不過,這些系統並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裡面模擬發生的事情是否會真正發生在機床上時,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,就需要了解不同機床模擬之間的差別。


Vynce Paradise先生是Siemens PLM Software NX CAM行銷總監,他認為機床模擬非常重要,且需甄別


刀具路徑驗證


最簡單層次的模擬是CAM系統多年來所做而且現在還在做的事情。CAM系統通過坯料的一個3D模型的切削變化來表示切削過程,驗證坯料的刀具路徑。該模式一般被稱為「刀具路徑驗證」,即使沒有機床表示也可以執行該模式。在標準的銑削或車削作業中,對刀具路徑的這種驗證層次通常已經綽綽有餘了。選定了自動材料切除選項之後,以現在的PC速度加上軟體演算法的進步,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說是合適的。用戶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自由度或者多任務功能的更高級的機床則需要一種不同的模擬。我們需要了解並顯示當NC控制器和機床識別推薦的刀具路徑數據時,這些數據會做什麼。需要把機床運動作為一個完整系統來看待,而不僅僅是切削刀具相對於坯料的運動。


CAM供應商達到這一目的的最簡單方法就是開發一種著眼於內部刀具路徑定義的軟體,就像用於基本刀具路徑驗證的軟體一樣,然後該軟體會將其轉換為一種通用運動輸出形式。這種運動與3D CAD各個軸相連接。該方法的優點是它非常簡單易用,最重要的是它具有相對的通用性。在軟體發展的這一階段,運動定義相對獨立於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供應商都採用一個通用的第三方插件應用程序,將其用於3D運動學和運動顯示,創建機床模擬解決方案。


后處理器


人們顯然低估了后處理器的地位,它並不是整個計算機數控(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採用眾人皆知的「G代碼和M代碼」。這些代碼是一組標準化的代碼,在某個層次上是通用的。但是與所有標準一樣,每個控制器製造商和機床車間都用很多不同的方法來延伸和解釋這些代碼。由於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的數值,因此解釋這些代碼的確切方法就至關重要。

問題的關鍵是,如果模擬系統要正確並完整地對機床運動進行模擬,則模擬系統需要讀取后處理器的輸出即被發送到控制器的數據。為此,模擬系統需要一個軟體組件,該軟體組件比基於內部刀具路徑的模擬驅動程序要先進一倍。


G代碼和M代碼


為了提供由后處理器輸出驅動的模擬,系統必須能夠解讀G代碼和M代碼以及控制器專用的其他命令和相關數據區,然後系統會把這些信息轉化為機床上每個軸或可控制裝置的相應運動輸入。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特定客戶對該機床的預期目標配置。這是對后處理器所創建內容的逆向工程,即該逆向工程的方法最好與機床控制器執行該任務的方法相同,其結果是3D模擬,驅動該3D模擬的代碼與進入機床對真實零件進行切割的G代碼和M代碼相同。


該軟體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並不存在的其他動作,從而對機床實際加工進行更加真實、更加完整的模擬。在很多高級機床(尤其那些具有真實、同步多任務功能的機床)的封閉、複雜環境中,非常關鍵。


機床車間可以檢查CAM系統是否能夠進行G代碼驅動的機床模擬。其中一項測試方法是檢查CAM系統是否能夠對一個外部來源的NC程序進行讀入並模擬,如手動創建或修改的,或者從機床讀入用G代碼和M代碼編寫的NC程序。要做到這一點,就要能夠對給定機床和控制器的這些代碼進行逆向工程。


另外,還有一些獨立軟體包,能夠提供後期的G代碼和M代碼驗證,這些代碼能夠讀入來自CAM系統的輸出。不僅如此,這些軟體包還能夠完全以上面描述的方式使用數據。很多機床車間均已投資於這些外部機床模擬軟體,即使投資超出了它們在CAM軟體上的投資。


NC編程


如果把G代碼驅動的單獨模擬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單獨元件時又會產生另外一個問題。編程人員希望看到在任何情況下機床的關鍵部件、夾具和切削刀具的準確位置,在編程人員用軟體來向程序運行順序添加「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鍵作用,確保多任務機床不成為「多衝突」機床。


為了實現可靠的同步,必須確定每次操作或者每個NC程序塊的準確時間。為了計算準確時間,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、準確的停止時間等)。通用機床模擬只能提供大概值,但是當編程人員使用所有機床功能時,對於快速運動設備和小公差而言,只有這些大概值是不夠的。與實際衝突風險相差甚遠。


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系統后處理器的輸出,然後用外部、第三方機床模擬軟體包來進行全面測試。當然,如果發現問題,他們會對G代碼和M代碼進行一些局部、手動編輯,或者回到CAM系統,在反覆試驗的基礎上重新按順序運行。當編程人員對整套作業進行同步處理時,車間最好擁有CAM系統內的所有功能。


事實上,真正需要的是完整集成后處理器功能和內部「G代碼驅動」機床模擬,把該組合與CAM系統內的模擬功能直接連接,意味著NC編程人員可以在同一套軟體內完成所有操作。

發展:真正的控制器


與基本內部刀具路徑驅動的模擬相比,雖然G代碼和M代碼驅動的模擬取得了很大的進步,但是它不僅要依賴於軟體對代碼的翻譯質量高低,而且還取決於用來測試以及匹配機床控制器和機床行為的運動演算法。


要盡量接近現實,需要採取的下一個步驟是準確複製機床控制器是如何處理這些G代碼、M代碼以及所附的數據區的。所有控制器的黑匣子裡面都有軟體,大多數擁有複雜演算法,這些演算法用於解釋來自CAM軟體包后處理器的數據。在這方面,沒有兩個控制器是完全一樣的,因此如果要對機床運動進行真正地模擬,需要找到一個好的方法來複制在給定的G代碼和M代碼順序下某個特定控制器軟體會如何運行。


要做到這一點,理想的方法是得到實際機床控制器中使用的一個軟體版本,然後將其插入車床模擬軟體。在後面一種情況下,可以用控制器製造商提供的「黑匣子」軟體來解釋CAM系統的虛擬、數字世界內的G代碼和M代碼,這樣可以進行「控制器驅動的機床模擬」。事實上,對於CAM系統或基於車間的模擬器,控制器驅動的模擬可以全面提高機床模擬的完整性和準確性水平。


目前只有極少數控制器製造商才能夠提供控制器軟體(可以加到機床模擬器軟體)的插件版本,而西門子就是其中一個。西門子的Sinumerik 840D控制器把基於PC的軟體作為其標準構造的一部分。西門子自動化和驅動集團(A&D)旗下機構Siemens PLM Software已經採用了該軟體,在其NXTMCAM系統內提供基於CAM的控制器驅動模擬。另外,西門子和Siemens PLM Software已經與一些機床製造商攜手開發最完整的獨立車間機床模擬器,將其作為某些機床的附件選項。不僅如此,還提供了控制器的人機界面以提高模擬器的真實感和價值。


NX CAM工具


針對多功能機床一類的先進機床,Siemens PLM Software可以提供完整的「機床支持工具箱」,這些工具不僅僅包括后處理器,而且還包括機床的3D實體裝配模型、G代碼模擬驅動器、標準的加工作業模板、零件樣品以及文件。對於使用西門子Sinumerik 840D控制器的機床,還可以選擇增加控制器驅動的功能。


一個CAM軟體包裡面可能有看起來很酷的3D模擬,讓3D模型上有金屬質感和光澤反射的外表。不過,更重要的是在計算機屏幕上的數字世界裡面看到的東西是否與按下實際機床上的啟動按鈕后真正發生加工過程相同。


為了提供最佳結果,大多數先進機床可能需要在CAM系統的內部機床模擬器裡面安裝一個G代碼驅動器。為了使機床投資價值最大化,可以採用「控制器驅動的模擬」,安裝在CAM系統用於執行編程任務,也可以安裝在車間里的一個獨立機床模擬器內用於最終實現虛擬功效 

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