说到仿真软件，眼见为实

厌倦了按红色按钮？仿真软件是实现更安全、更短机器设置的关键。

在一个完美的 CNC 世界中，第一部分总是一个好的部分。无需额外的毛坯或棒料。设置时间只需更换一些工具和加载新程序所需的时间。永远不会发生崩溃，永远不需要重新编写低效的代码。操作员只需按下绿色按钮，几分钟或几小时后就会弹出一个完成的工件。

使这个世界成为可能的神奇技术是什么？它被称为模拟软件，尽管它使很少有商店达到上述制造必杀技的状态，但它是朝着这个方向迈出的重要一步。

通过让程序员能够模拟关于加工过程的一切——刀架、主轴和转塔、不断变化的工件以及在其中移动和穿过它的切削刀具——软件开发人员正在将他们的虚拟世界变成对将发生的一切的高度准确的预测器一旦那个绿色按钮被按下。底线很清楚；如果您的车间没有使用刀具路径仿真软件来验证其 NC 程序，那么您不仅会浪费宝贵的生产时间，还会使昂贵的机床和您的安全记录面临风险。

购买保险

但请稍等——我们的 CAM 软件已经具备模拟功能，您在想。如果我们当前的系统可以完成工作，我们为什么要投入额外的资金？ Mastercam CAD/CAM 开发商 CNC Software Inc.（康涅狄格州托兰）的高级市场分析师 Ben Mund 表示，这样做可能有一些很好的理由。

“今天的大多数 CAM 系统都提供了某种程度的刀具路径模拟，这对于大多数加工应用来说是完全可以接受的，”他说。 “该软件与专用仿真软件的区别在于，CAM 软件包通常不会读取机床使用的实际后处理 G 代码。正因为如此，独立的刀具路径模拟为极高价值的工作和复杂的加工应用提供了一层额外的安全保障。这就像买一份保险单。”

然而，与制造业中的其他一切一样，CAM 软件的功能越来越强大，其中包括模拟更多加工过程的能力——切削工具和工件的粗线框模型曾经是常态，Mastercam 和其他软件现在提供了令人惊讶的逼真度整个加工环境的表示，包括工件夹具、刀架，甚至 CNC 本身。

Mund 将这种发展等同于 CAD 和 CAM 的逐渐融合——两者曾经是完全独立的产品，而今天的 CAM 变得非常类似于 CAD，反之亦然。

“许多商店不再需要独立的 CAD 系统，因为他们的 CAM 软件包可以满足他们的所有需求，”他说。 “机器和刀具路径仿真软件的情况非常相似——CAM 可能无法提供相同深度的验证，但同样，除非你想要更高级别的安全性，否则它可以胜任——并且不断进步。”

通电

Autodesk Inc.（加利福尼亚州圣拉斐尔）的 PowerMill 产品经理 Craig Chester 同意 Mund 的评估。 “我们很少有客户使用专门的仿真包，因为他们对 CAM 仿真的可靠性充满信心，”他说。

Chester 解释说，一小部分投资独立软件包的客户通常会这样做，因为他们拥有多个 CAM 解决方案，可能来自不同的供应商，而单一的专业解决方案可以提供一致的结果。这些通常是较大的客户，例如航空航天或国防公司，也往往是为他们的车铣床、五轴加工中心、EDM 设备等使用不同 CAM 软件包的客户。

具有讽刺意味的是，独立仿真软件的最大优势——读取机器 G 代码的能力——也可能是它的致命弱点。

“在 CAM 程序之外进行仿真的缺点是用户只有在零件编程后才发现问题，”Chester 指出。 “如果错误出现在加工过程的早期，那么许多后续的刀具路径将需要重新编程。但通过模拟 CAM 程序中的所有内容，可以避免这些不必要且代价高昂的重新计算。”

但没那么快。 Autodesk CAM 和混合制造集团产品管理总监 Tom McCollough 同意内置仿真使程序员能够快速确定刀具路径变化的影响，但他补充说，这并不是一个完整的、最终的解决方案多家公司。

“想象一下，对一个非常大的汽车工具进行了数周的粗加工和半精加工，却在最后阶段撞到了毛坯，损坏了零件和主轴，”他说。 “这不仅会对相关工作产生不利影响，还会对队列中的其他工作（针对其他客户）产生不利影响。潜在影响是巨大的，这就是为什么高价值组件制造商有动力从独立软件中获得‘第二意见’。”

Siemens NX CAM 中的 G 代码驱动仿真使用与驱动机床相同的 NC 程序。据 Siemens 称，高精度仿真可帮助公司消除故障、提高零件质量并延长机器正常运行时间。

做我一个坚实的

Dassault Systèmes（马萨诸塞州沃尔瑟姆）的 DELMIA 角色经理 Jean-Marc Cauzac 提供了类似的建议。与本文采访的其他软件供应商一样，达索系统的 CAM 产品提供准确、逼真的模拟功能，具有完整的机床 3D 表示，包括夹紧装置、卡盘和卡爪以及分度头。

Cauzac 表示，这对大多数零件制造商来说已经足够了，因为大多数碰撞问题都可以（而且应该）在机器代码生成之前就被消除。 “一个集成系统允许在程序定义的早期检查所有可访问性和可达性挑战，包括刀具路径错误，例如快速遍历材料或过度激进的切削参数，以及刚刚列出的任何元素之间可能发生的碰撞。”

然而，Cauzac 指出，集成 CAM 仿真在某些方面存在局限性：一些客户不想相信仿真来自创建刀具路径的软件，担心软件供应商不能同时担任法官和陪审团。

当客户在其设施中使用多个 CAM 解决方案时，单个外部仿真程序（假设它具有与 CAM 软件的准确接口）因其提供同质验证的能力而受到青睐。

专用仿真软件通常比基于 CAM 的仿真更全面，后者更倾向于以刀具路径为导向，并且不考虑大多数控件上使用的固定循环和子程序。

除了支持外部仿真软件的论点之外，Cauzac 建议集成系统更快且更不容易出错。 “它们提供了完美的数字连续性，因为模拟中使用的所有 3D 元素都具有相同的来源，”她说。 “不需要在两个系统之间传输数据，这会带来额外的工作量和信息丢失的可能性。”

使用原力

正如 Mastercam 的 Ben Mund 之前提到的，读取机器控制器使用的代码可能是独立和集成仿真软件之间的关键区别。 VERICUT 刀具路径仿真和验证软件供应商 CGTech Inc.（加利福尼亚州尔湾市）的产品经理 Gene Granata 对这个主题有很多话要说。

他说：“许多人试图通过声称没有必要或矫枉过正来消除第三方模拟的价值。” “但为了实现机床和加工过程的数字化双胞胎，您必须包括五轴补偿、刀具长度和夹具偏移、宏和子程序，以及刀具在定位模式下如何真正移动，在使用来自 CAM 系统的内部指令来构建模拟时未考虑的元素。”

虽然关于机械车间是否需要这种级别的模拟精度争论不休，但 Granata 很快指出了他们确实需要的东西：优化。 “这是一个狗咬狗的世界，维持业务通常是基于微薄的利润率。为此，人们非常关注刀具路径优化。”

对 Granata 来说，优化不是针对 CAM 特定的例程，专注于有效的型腔清理和恒定的切屑负载，尽管这些都是加工方程式的必要部分。他说，更重要的是，根据所使用的工件材料和切削工具，根据机床的能力找到优化刀具路径的方法。

这就是 Force 的用武之地，它是 VERICUT 套件中的一个软件模块，它补充了刀具路径模拟和 CAM 软件等类似软件，无论盒子上的标志是谁。

“这代表了工业 4.0 编程智能的全新水平，CGTech 以及其他软件开发人员实际上只是触及了这种能力的表面，”他说。 “每个切削刀具制造商都会告诉您，他们的刀具可以更努力地推动，而优化是实现这一目标的最佳方式。”

阅读 G

Siemens PLM Software Inc. (Plano, TX) 跨越了独立仿真和集成仿真之间的界限，它是 CGTech 最早的合作伙伴之一，并一直延续至今。但正如西门子高级零件制造高级总监 Vynce Paradise 所解释的那样，该公司决定一路开发自己的模拟旋转，这是其 NX CAM 软件不可或缺的一部分。

“市面上有很多优秀的 CAM 系统，都提供了一定程度的刀具路径模拟，但重要的是要认识到有多个级别可用，”他说。 “在基本模拟中，您可以看到库存模型、切削刀具，也许还有刀架，每一个都相对于彼此移动。我们称之为刀具路径验证，虽然有用，但它只是一个起点。”

更进一步，您将拥有真正的机器模拟，即 CGTech 的 Granata 提到的“数字双胞胎”，以及西门子任何人都熟悉的术语。 “这就是我们今天关注的重点，”Paradise 指出。 “它超越了刚刚描述的基础知识，包括加工设置的所有方面，每个方面都有自己的动力学和相对运动。今天的许多 CAM 系统都显示了这一点，但我们的不同之处在于，我们会即时发布 NC 代码并将其用于 NX CAM 中的仿真，从而提供“两全其美”的解决方案。”

天堂提供了以下类比：如果你想成为一名航空公司飞行员，你是愿意在使用通用飞行模拟软件的飞行模拟器中学习，还是在更接近真实飞机控制环境的模拟器中学习？ “使用实际 G 代码的 CAM 集成模拟与后者非常相似，并且仍然是复制加工过程中将要发生的事情的最完整方式。”

弹簧前进

Spring Technologies Inc.（波士顿）于今年早些时候被技术解决方案提供商 Hexagon 收购，是 CNC 机床仿真和验证软件的另一家开发商。总经理 Silvère Proisy 同意他的同事关于刀具路径优化和 G 代码验证的优点，但为那些可能在其中一个软件系统上踢轮胎的人添加了其他一些注意事项。

首先是模拟不仅适用于拥有高度复杂的机床或昂贵零件的车间。 “当然，我们的主要客户是拥有多通道车床和五轴加工中心的客户，但我们看到希望优化其 NC 程序的车间越来越多，其中包括那些拥有基本两轴和三轴机械的车间，”普罗西说。 “虽然没有人能够承受损坏任何固定设备的费用，但当这一不幸事件发生时，受影响最大的是较小的商店。我们的 NCSIMUL 软件消除了这种风险。”

据该公司称，CGTech 的 Vericut 刀具路径模拟和验证软件的刀具路径优化基于预计的切削力，有助于提高刀具寿命并消除导致颤振的振动。

借助刀具路径模拟，程序员始终知道刀具在哪里，以及接下来要去哪里，例如在这个 Mastercam 模块中。

对于那些认为使用独立仿真软件既费时又容易出错的批评者，Proisy 表示用户应该将自动化视为刀具路径仿真的下一步。通过在连接到车间网络的服务器上安装 NCSIMUL，可以将刀具路径文件发送到“黑匣子”并自动验证它们——除非出现问题，唯一的工作就是阅读电子邮件报告，说明 G 代码是很好走。这只是自动化道路上的第一步。

根据 Prosiy 的说法，他公司的软件目前能够重新处理 NC 程序以用于其他机床，并且“只需按一下按钮”即可。展望未来，他设想了一个灵活但智能的界面，该界面将根据作业被分配到哪台机器自动处理该步骤。

“第三点是连通性，”他说。 “由于我们与海克斯康的合作，我们预计我们很快就能从机床上的传感器中提取数据，并使用这些值实时更新程序。它可能是刀具长度偏移或夹具位置，也可能是主轴负载和振动的反馈。我们距离工业 4.0 还没有那么远，但它肯定是即将到来的。”

制作模拟人生谜题

CAMplete Solutions Inc. (Kitchener, ON) 的销售和营销副总裁 Jeff Fritsch 也将目光投向了工业 4.0 和 IIoT（工业物联网）。该公司的 TruePath 软件“提供在集成 3D 环境中分析、修改、优化和模拟五轴刀具路径所需的一切”，而其 Lite 和 TurnMill 产品分别为三轴铣床和动力车床提供类似的功能。

然而，就工业 4.0 的功能而言，CAMplete 的智能保护系统 (IPS) 为制造社区的发展方向提供了最清晰的指标。 IPS 是与机器制造商 Matsuura 合作开发的，它利用 TruePath 的模拟功能提供基于过程中机器数据的智能预测。据 Fritsch 称，其结果是一个几乎防碰撞的机器环境，即使在手动操作模式下也是如此。

考虑到复杂的车铣复合车床和多任务机床的使用越来越多，准确的加工模拟（例如 Dassault Systèmes 的 DELMIA 提供的模拟）比以往任何时候都更加重要。

与其他模拟系统一样，TruePath 读取 G 代码并验证它在机器中运行是否安全，”他说。 “但归根结底，没有人能确保操作员确实将正确的工具放入主轴中，并且零件位于应有的位置。”

他说，IPS 与 TruePath 一起工作以消除这个潜在的问题。无需依赖 CAM 系统来获取各种值，而是通过高速光纤直接连接到机器控制器 - 无需对偏移或宏值进行假设，因为它们是实时读取的，并且机器会停止安全地在有问题的位置之前。

虽然其他机器品牌尚不可用，但 IPS 即将到来，智能机器探测也即将推出，它将测量零件、进行适当的偏移，并自动重新运行程序的任何部分，以纠正超出公差的情况。

“这与人类操作员所做的没有什么不同，但我们是用软件来做的，”弗里奇说。 “现在我们正在构建这种逻辑，以便机器可以开始依靠自动反馈来做出决策，最终提高零件质量，同时减少周期时间和运营成本。商店不应该为了制造一个好的零件而必须加工两个或三个零件，或者浪费时间从机器中取出零件进行测量——它应该是第一个零件，好的零件，没有所有的人工干预。这就是我们的目标。”