如何通过数字孪生镜像技术确保安全可靠加工？

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机床损坏的最坏情况：机床头和零件，刀具和夹紧装置或主轴和机床工作台之间的碰撞可能是一个代价高昂的错误。有许多方法可以成功地提前检测和避免碰撞，如果使用正确的方法，几乎可以完全消除不必要的停机时间。

在简单的机床上，细心的操作员通常可以直观地发现潜在的碰撞，并及时按下紧急停止按钮。然而，快速和复杂的运动使得在现代高性能机床(如车铣中心或五轴联动机床)上手动中断加工成为不可能。有碰撞风险时，这些机床可以通过集成的保护机制自动停止。但是，即使手动或自动停止机床，结果也是一样的：机床处于停机状态。为了防止机床停机和碰撞，应在实际加工前检测并避免碰撞。TEBIS CAD/CAM和数字孪生制造技术服务商提供了高价值的数字化解决方案，优化CNC制造过程，确保安全可靠。

在机床加工前检测和避免碰撞：方法比对

主要区别：方法1中，CAM 系统中的 NC 编程最初独立于加工中实际使用的组件（包括机床、加工刀具和夹紧装置）执行。然后使用仿真软件验证刀具路径。方法2是在 CAM 编程中集成这些组件的数字孪生。刀具路径直接在 CAM 系统中进行验证，无需额外的仿真软件。

方法1：在 CAM 系统中进行 NC 编程，并使用附加仿真软件验证刀具路径。

方法2：在CAD/CAM系统中集成验证刀具路径的NC编程。

工艺流程方法

方法1：在CAM系统中进行与机床无关的NC编程，并使用附加的仿真软件对NC代码进行验证。

在这种方法中，首先在CAM环境中生成NC程序（独立于机床），刀具和夹紧装置模型(数字孪生)(1)。只有在此之后，根据系统(2)，在NC输出之前或之后，数据才会补充机床，刀具和夹紧装置信息。然后，CAM程序员或机床操作员使用单独的仿真软件来验证NC代码。

如果没有检测到碰撞，NC程序转移到生产(5)。

在发生碰撞或其他问题时，有两种选择：可以手动修正NC代码，然后重新模拟(如果NC程序稍后再次生成，例如由于零件的变化，必须重新修正和模拟)(4a)。对于较大的修正，在CAM环境中修正误差(4b)。该NC程序还必须在Tebis数字孪生制造环境中再次验证，以确保校正成功(4c)。

方法2：在Tebis CAD/CAM系统中进行与机床相关的数控编程和刀具轨迹验证

在第二种方法中，计划、编程和验证是在CAM环境中使用真实生产环境的数字孪生进行的:CAM程序员使用来自相关机床和刀具的所有制造相关数据，检查系统中的加工碰撞并纠正任何错误(1)。这意味着输出的程序已经完全进行了碰撞检查(2)。然后NC代码直接发送到制造部门进行零件加工(3)。

两种方法的对比表明，方法2：集成数字孪生技术和碰撞检测具有许多优点:

l 减少接口运行和校正循环

l 规划更容易，因为CAM程序员可以访问虚拟工艺库中的所有虚拟制造组件

l 操作更简单，因为CAM程序员不需要任何机床代码或其他仿真软件的特殊知识

l 无需手动更正NC代码，以免危及制造过程的安全

l 所有校正都会自动回流到 CAM 环境中，因此永远不会重复错误

l 数字孪生在CAD/CAM环境中只管理一次，而不是在CAM环境和仿真软件中“冗余”

并非所有的数字孪生都是一样的

然而，第二种方法——完全集成的数字化解决方案，须满足两个基本先决条件，这样它才能安全可靠地运行：首先，尽可能多的组件，包括机床、刀具组件、夹紧装置和限位开关，必须在数字孪生虚拟制造环境中精确地显示为数字孪生。简化的几何显示可能会带来验证结果不正确的风险。其次，所有的运动学信息——即参考点、刀具更换位置和运动，在检查中都要考虑进去，这是绝对必要的。CAD/CAM提供商需要完全满足这两个要求，没有例外。

复杂机床和带有特殊附加设备的机床的所有性能都需要精确测量并传输到CAD/CAM系统中，这使得真实加工环境与虚拟加工环境一一对应，从而优化加工参数和工艺，确保安全可靠加工。

规划虚拟环境中的设置

完全集成数字化解决方案的另一个优点是：因为CAM程序员在工作站上有权访问将在实际生产中使用的所有虚拟组件，他们已经有了在规划阶段(在CAM编程和刀具路径验证之前)识别和防止潜在碰撞和限制开关问题的综合选项。许多错误在成为问题之前就被纠正了，程序员手动将虚拟机床与holder中的刀具移动到可能至关重要的位置。这使他们能够图形化和交互式地指定刀具长度和夹紧位置。如果由于头部的几何形状而确定夹紧情况不切实际，则机床或零件将旋转 180 度。

基于智能避免碰撞策略的CAM编程

CAM程序检测到的碰撞可以通过集成在NC模板中的自动避免碰撞策略来防止。最合适的策略主要取决于具体的零件几何形状，加工任务，特别是可用的机床。这些知识应该存储在NC模板中：这意味着 CAM 编程人员只需选择机床和加工元件。自动分配适当的防撞策略，包括减小面积、5 轴联动避让铣削或分度加工。

自动减小面积通常用于 3 轴粗加工：由于与机床头碰撞而无法使用刀具加工的铣削区域会自动停用。

具有高切削值的短刀具可以更好地用于 3 轴粗加工。因此，只有具有碰撞风险的区域才会使用更长的刀具。

在精加工中，为了获得最佳的表面质量，尽可能连续地使用短刀具是有用的。如果机床运动学允许，5轴联动避让铣削可以采用适当的防撞策略。

在5轴联动避免铣削中，同时5轴铣削程序完全由固定的可定位轴的3+2轴NC程序自动生成。

残余毛坯区域的加工经常被索引。例如，对于由于动态特性而不适合 5 轴联动加工的多轴机床，建议使用分度防撞。在某些情况下，加工性能甚至更好，表面质量也优于使用5轴避让铣削。

在分度加工中，可以在同一倾斜方向上加工无碰撞的铣削区域被自动检测和组合，相应的倾斜方向也会自动计算。

整个加工区域的仿真

作为一个附加的选择，一旦所有的策略都被计算出来，就应该可以在批量处理模式下使用整个加工区域对制造过程进行全面测试，还应该可以单独调整缩回运动。集成数字孪生镜像技术考虑了所有倾斜方向、所有刀具部件以及所有运动和刀具更换的整个机床，这确保了在每种装夹情况下的加工都是无碰撞的。

结论

在制造过程中，越早避免碰撞越好，这就要求所有虚拟组件真实并精确还原实际车间环境,这使得在Tebis CAD/CAM环境中，从规划和CAM编程到数字孪生，所有预防碰撞的选项都能得到最佳利用，从而优化加工参数和工艺，确保安全可靠加工。