莊朱協(xié) 高偉強

(廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006)

五軸數(shù)控加工程序的檢驗是五軸數(shù)控加工的關鍵技術之一。五軸聯(lián)動數(shù)控機床運動關系復雜，加工過程中極易出現(xiàn)干涉、碰撞等現(xiàn)象。五軸聯(lián)動數(shù)控機床造價昂貴，一旦損壞功能部件將造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，沒有經(jīng)過反復檢驗的數(shù)控程序一般不能用于加工。五軸數(shù)控機床結構有96種［1］，不同結構的機床，數(shù)控程序互不相同。因此，數(shù)控程序的檢驗難度較大。

試切法是最典型的數(shù)控程序檢驗方法，該方法的缺點是無法保證不碰刀而且檢驗時間長。筆者用石蠟試切(精加工葉輪的一個流道，大約需要6 h，而準備石蠟毛坯和粗加工流道(分2層)等需要20 h。顯然，試切法無法滿足企業(yè)對效率的要求。

數(shù)控程序檢驗的目的在于：①檢驗刀具路徑及刀位文件是否正確；①檢驗加工過程中是否發(fā)生干涉、碰撞等現(xiàn)象。以此為目標，Pro/ENGINEER［2］、Unigraphics NX［3］、Cimatron［4］等大型商業(yè)化軟件都提供功能強大的數(shù)控加工仿真模塊，但它們只能對刀位文件進行仿真。VERICUT軟件能同時進行刀位文件和機床運動仿真，仿真程度極高［5］。但該軟件價格昂貴，市場覆蓋率低。

綜上所述，隨著五軸數(shù)控加工技術開始走向大眾化，探討一種直接檢驗數(shù)控程序的快速有效的方案勢在必行。因此，本文提出了基于參數(shù)化CAD系統(tǒng)的仿真方案。

1 基于參數(shù)化CAD系統(tǒng)的仿真方案

利用現(xiàn)有的商業(yè)化CAD系統(tǒng)，可以建立描述加工過程的五軸數(shù)控加工工藝系統(tǒng)(含刀具-機床-工件等)三維約束模型。逐行提取數(shù)控程序中的加工參數(shù)，通過參數(shù)驅動三維模型連續(xù)變化，可觀察、檢驗數(shù)控加工過程中是否發(fā)生干涉、碰撞等現(xiàn)象，并生成三維動畫文件。

但普通CAD系統(tǒng)不提供數(shù)控程序的識別和參數(shù)提取功能。為此本文提出如下方案：利用T-FLEX 3D CAD系統(tǒng)，針對具體五軸數(shù)控加工工藝系統(tǒng)建立具有參數(shù)約束的三維模型。開發(fā)軟件系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能：

(1)語法編輯功能：讀取數(shù)控程序并進行語法診斷、識別。如果檢驗出錯，可對數(shù)控程序進行編輯。

(2)接口程序功能：利用OLE自動機制建立與T-FLEX CAD系統(tǒng)的嵌入連接，使T-FLEX CAD系統(tǒng)中的三維模型變成OLE控制對象，并與軟件系統(tǒng)中的數(shù)控程序連接。逐行提取數(shù)控程序中的五軸坐標，通過Active X函數(shù)將五軸坐標傳送給T-FLEX CAD系統(tǒng)中描述三維模型的參數(shù)，由參數(shù)驅動模型連續(xù)變化，從而動態(tài)仿真加工過程并產(chǎn)生動畫文件，進而快速有效地檢驗數(shù)控程序。接口程序有數(shù)據(jù)中轉、Active X自動機制兩種實現(xiàn)方式(下文詳述)。系統(tǒng)流程圖如圖1所示，數(shù)控程序預處理流程圖如圖2所示。

該方案的優(yōu)點如下：①不需要設計復雜的仿真系統(tǒng)，只需要建立仿真模型和設計接口程序；①通過采用時間分割法的插補，實現(xiàn)精確的仿真；③由于該方案在計算機中實現(xiàn)，因此可靠、穩(wěn)定、成本低。

2 方案實現(xiàn)

基于T-FLEX CAD系統(tǒng)的仿真方案分三步實現(xiàn)：第一步，建立仿真模型；第二步，編程實現(xiàn)接口程序；第三步，動態(tài)仿真。

2.1 建立仿真模型

為仿真機床運動，加工工藝系統(tǒng)除了必須包含工件、刀具、機床模型外，更重要的是通過裝配約束嚴格定義機床結構和五個運動自由度。

五軸數(shù)控機床的結構有雙回轉工作臺、雙擺動主軸、回轉工作臺加擺動主軸三種形式，對應的三種幾何模型如圖3、4、5 所示。

根據(jù)文獻［1］的研究結果，帶動工件直線運動的坐標記為X、Y、Z，帶動主軸直線運動的坐標記為X'、Y'、Z'，A、B、C 同理，則在樣本空間(X、Y、Z 、A、B、C、X'、Y'、Z'、A'、B'、C')中，如圖 3 所示的機架、主動軸回轉臺、依賴軸回轉臺、刀具系統(tǒng)，可裝配出24種機床結構形式。圖3a、b分別列出其中的兩種形式。

本方案根據(jù)機床的實際結構，通過裝配約束嚴格定義該系統(tǒng)的五個自由度如下：機架實現(xiàn)X、Y軸的直線運動，主動軸旋轉臺裝配在機架上，實現(xiàn)B軸的旋轉運動，依賴軸旋轉臺裝配在主動軸旋轉臺上，實現(xiàn)C軸的旋轉運動。刀具安裝在主軸上，實現(xiàn)Z軸的直線運動。系統(tǒng)裝配后為BCXYZ'的結構形式，只保留如上文所述的五個自由度，有兩條傳動鏈，分別為：機架——B 軸回轉臺——C 軸回轉臺——工件；刀具——工件。在此基礎上，如要更真實仿真機床運動，可增加夾具等零件。在裝配過程中，零件的幾何尺寸、五個自由度的運動量都以變量的形式保存到變量表(即“變量編輯器”，如圖6所示)中，根據(jù)不同機床的實際結構修改變量值。該模型便描述了結構為BCXYZ'的一類機床。

2.2 編程實現(xiàn)接口程序

筆者已使用Delphi7.0語言開發(fā)出“五軸數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)”。并正在申請軟件版權。該系統(tǒng)分數(shù)據(jù)中轉、Active X自動化兩種方式實現(xiàn)接口程序，其核心程序如下：

(1)數(shù)據(jù)中轉方式的實現(xiàn)

使用T-FLEX CAD系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫函數(shù)“mdb(“外部數(shù)據(jù)庫名”，“數(shù)據(jù)庫表名”，“數(shù)據(jù)庫字段名”，“條件表達式”)”建立仿真模型與數(shù)據(jù)庫之間的參數(shù)約束關系。如用語句 mdb(“NC5D.mdb”，“Coord”，“C”，“N=｛n｝”)”實現(xiàn)C軸旋轉角度與數(shù)據(jù)表的參數(shù)約束。

(2)Active X自動化機制的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中先定義如下一個創(chuàng)建T-FLEX OLE控制對象的函數(shù)：

在該函數(shù)中寫入如下語句：

其中“CreateOLEObject()”函數(shù)用于創(chuàng)建一個TFLEX CAD系統(tǒng)OLE控制對象，“TFW32.SERVER”語句用于建立與T-FLEX CAD系統(tǒng)的連接，以后TFLEX CAD系統(tǒng)打開的文檔即可作為本系統(tǒng)的操作對象。

本系統(tǒng)具備插補仿真功能，因此該系統(tǒng)的仿真精度很高。該系統(tǒng)能實時計算并顯示插補過程中的插補點，為數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提供算法的檢驗工具。

2.3 動態(tài)仿真

對應接口程序的兩種實現(xiàn)方式，分別有兩種仿真方法：

第一種是把五軸坐標儲存到mdb數(shù)據(jù)庫中，每行數(shù)控程序對應數(shù)據(jù)表中的一條記錄。仿真時，使用T-FLEX CAD系統(tǒng)中的“動態(tài)模擬”功能，以數(shù)據(jù)表的記錄號為指針，逐行讀取數(shù)據(jù)表中的五軸坐標，驅動仿真模型連續(xù)變化，并生成仿真過程的AVI動畫文件。

第二種是在應用上文所述的Active X自動化機制建立高級語言程序與T-FLEX CAD系統(tǒng)的連接后，逐行提取每行數(shù)控程序中的五軸坐標，連續(xù)修改變量表(如圖6“變量編輯器”所示)中的變量值，驅動仿真模型連續(xù)變化，實現(xiàn)動態(tài)仿真。

3 實例驗證

以葉輪的五軸數(shù)控加工過程仿真為例，筆者首先使用Cimatron E8.5軟件生成數(shù)控程序。再用“五軸數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)”讀入數(shù)控程序并動態(tài)仿真數(shù)控程序(圖 7)。

在仿真過程中，使用T-FLEX CAD系統(tǒng)提供的動態(tài)旋轉、放大、測量等功能，檢測、測量刀具與工件、夾具等的距離，沒有發(fā)現(xiàn)干涉、碰撞等問題。說明該數(shù)控程序正確，可直接用于數(shù)控加工。在計算機上仿真(精加工)該葉輪的一個流道，由于無需仿真粗加工，因此只需15 min。與試切法相比，有效地減少了檢驗時間。

4 結語

本文提出一種基于T-FLEX 3D CAD系統(tǒng)的數(shù)控程序檢驗方案，并在此基礎上開發(fā)出具備自主知識產(chǎn)權的“五軸數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)”軟件。該系統(tǒng)能直接仿真數(shù)控程序并實現(xiàn)插補仿真，對數(shù)控程序的檢驗快速有效。經(jīng)該系統(tǒng)檢驗并調試的數(shù)控程序，可直接應用于數(shù)控加工，極大地縮短了五軸數(shù)控程序的準備周期。

［1］全榮，等.五坐標聯(lián)動數(shù)控技術［M］.長沙：湖南科學技術出版社，1995.

［2］張瀅.Pro/E Wildfire數(shù)控加工及二次開發(fā)技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］黃毓榮，陳大治.UG NX4高級銑應用技術［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［4］衛(wèi)兵工作室.Cimatron E中文版數(shù)控編程入門與實例進階［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［5］李云龍，曹巖.數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)VERICUT［M］.西安：西安交通大學出版社，2005.