李炳銳

摘 要：隨著五軸數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，在其加工過(guò)程中進(jìn)行仿真越來(lái)越重要。分析了五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用VERICUT軟件建立了機(jī)床的虛擬仿真系統(tǒng)。實(shí)際加工驗(yàn)證表明，通過(guò)VERICUT的仿真能對(duì)NC程序進(jìn)行檢驗(yàn)，防止程序錯(cuò)誤造成的機(jī)床干涉碰撞、零件的過(guò)切欠切等問(wèn)題，提高加工的效率及安全性。

關(guān)鍵詞：VERICUT；數(shù)控機(jī)床；五軸機(jī)床；仿真加工

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9；TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.020

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械制造技術(shù)朝著越來(lái)越自動(dòng)化、精密化的方向發(fā)展。在這種情況下，數(shù)控機(jī)床得以出現(xiàn)和廣泛發(fā)展，尤其是五軸數(shù)控加工機(jī)床。但由于機(jī)床的整體軸加工復(fù)雜性，機(jī)床多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，造成NC程序比較復(fù)雜，其正確性無(wú)法得到保證，導(dǎo)致在加工過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)干涉和碰撞的現(xiàn)象，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。然而，通過(guò)虛擬環(huán)境下零件的仿真加工，可以構(gòu)建對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)實(shí)際加工進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)提高機(jī)床的使用效率和應(yīng)用的安全性具有實(shí)際意義。

1 五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)介紹

五軸加工機(jī)床是指具有3個(gè)數(shù)控直線移動(dòng)軸和2個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的機(jī)床。根據(jù)回轉(zhuǎn)軸的不同，五軸機(jī)床可分為3類(lèi)：工作臺(tái)回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)、刀具雙擺動(dòng)、工作臺(tái)回轉(zhuǎn)/刀具擺動(dòng)。本文針對(duì)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)五軸機(jī)床進(jìn)行仿真系統(tǒng)應(yīng)用研究。

該機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾下5個(gè)面的完全加工，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。A軸為傾斜軸，與Z軸夾角為55°，機(jī)床通過(guò)A軸的回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)不同位置的轉(zhuǎn)換。

2 構(gòu)建機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)

2.1 虛擬仿真系統(tǒng)的建立流程

虛擬仿真，又稱(chēng)“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”或“模擬技術(shù)”，就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬仿真系統(tǒng)是機(jī)床在計(jì)算機(jī)中的完整映射。該系統(tǒng)不消耗實(shí)際物料資源，能夠快速實(shí)現(xiàn)工件的加工，加工效率高、結(jié)果準(zhǔn)確，能夠?yàn)閷?shí)際加工提供依據(jù)。建立機(jī)床的虛擬仿真系統(tǒng)，不僅需要建立機(jī)床的三維模型，賦予機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，同時(shí)還要配置與實(shí)際一致的控制系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、機(jī)床運(yùn)行行程等內(nèi)容。圖2所示為建立虛擬仿真系統(tǒng)的流程圖。

2.2 三維建模

正確建立機(jī)床三維模型的前提是對(duì)實(shí)際機(jī)床尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。機(jī)床尺寸包括機(jī)床組成部件的外形、安裝尺寸、各運(yùn)動(dòng)部件間相對(duì)尺寸、回轉(zhuǎn)軸定位尺寸等，可通過(guò)測(cè)量工具及機(jī)床手冊(cè)完成機(jī)床尺寸的獲取。機(jī)床三維模型可以在VERICUT中建立，也可以在UG、CATIA等專(zhuān)業(yè)三維軟件中建立后導(dǎo)入VERICUT中。由于機(jī)床結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本文在UG中完成機(jī)床各部件三維模型并保存為STL格式后導(dǎo)入VERICUT中。

2.3 機(jī)床組件樹(shù)構(gòu)建

組件樹(shù)是機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系的基礎(chǔ)，其建立是根據(jù)實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)確定的。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系由2條運(yùn)動(dòng)鏈來(lái)表達(dá)，即“基座—刀具”“基座—工件”。根據(jù)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)系，依次添加機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸組件，完成機(jī)床組件樹(shù)的創(chuàng)建，如圖3所示。

完成組件樹(shù)后，將各運(yùn)動(dòng)部件模型添加到相應(yīng)組件下，完成機(jī)床實(shí)體模型的創(chuàng)建。添加幾何模型時(shí)，要考慮運(yùn)動(dòng)部件間的尺寸關(guān)系，根據(jù)實(shí)際機(jī)床的參數(shù)測(cè)量，要對(duì)組件坐標(biāo)或模型坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，使其結(jié)構(gòu)與實(shí)際機(jī)床保持一致。將機(jī)床部件完全添加進(jìn)組件樹(shù)后，機(jī)床的虛擬模型便基本建立完成了。

2.4 創(chuàng)建刀具庫(kù)

VERICUT刀具庫(kù)提供了多種刀具創(chuàng)建方式，可根據(jù)實(shí)際刀具的幾何尺寸，在VERICUT中直接創(chuàng)建刀具，也可在三維軟件中建立后再導(dǎo)入VERICUT中。刀具創(chuàng)建時(shí)，不僅要建立刀柄和刀片的幾何模型，還要對(duì)刀具的裝夾點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)點(diǎn)（對(duì)刀點(diǎn)）進(jìn)行正確設(shè)置，這樣在進(jìn)行刀具調(diào)用時(shí)，才能滿(mǎn)足加工使用的要求。

2.5 控制系統(tǒng)及機(jī)床參數(shù)設(shè)置

VERICUT中提供了多種控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際機(jī)床選取相應(yīng)的控制系統(tǒng)，對(duì)虛擬仿真加工系統(tǒng)進(jìn)行配置。由于VERICUT中提供的控制系統(tǒng)僅對(duì)通用控制代碼進(jìn)行了功能設(shè)置，而機(jī)床廠家對(duì)一些特殊功能做了專(zhuān)門(mén)的代碼定義，因此，要保持與實(shí)際機(jī)床的加工功能一致，就需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)配置。

完成機(jī)床虛擬模型及控制系統(tǒng)的配置后，還需對(duì)機(jī)床行程、碰撞檢測(cè)等進(jìn)行設(shè)置。其目的在于告知機(jī)床，當(dāng)加工中出現(xiàn)超程、碰撞等情況時(shí)，及時(shí)報(bào)警，用戶(hù)可根據(jù)錯(cuò)誤提示查找問(wèn)題所在，進(jìn)而改善加工中的不合理之處。

3 仿真加工及實(shí)際驗(yàn)證

建立好虛擬模型后，添加工件及相應(yīng)的程序就可以進(jìn)行實(shí)際的仿真了。本文以一葉輪零件為加工試件，對(duì)其進(jìn)行虛擬仿真加工，如圖4（a）所示。加工中，在VERICUT圖形窗口中觀察刀具的走刀路徑及機(jī)床形態(tài)，同時(shí)注意是否有超程、干涉、碰撞等情況。加工完成后，通過(guò)比較模塊對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行比較，檢查加工結(jié)果中存在的過(guò)切欠切情況，分析不合理的工藝并進(jìn)行改進(jìn)，如圖4（b）所示。

將虛擬仿真驗(yàn)證過(guò)的NC程序?qū)雽?shí)際機(jī)床中，添加工件毛坯后進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。觀察刀具的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是否與仿真加工中的一致。加工完成后，對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，分析實(shí)際與仿真加工結(jié)果是否一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，通過(guò)建立虛擬機(jī)床模型、控制系統(tǒng)配置、設(shè)置刀具庫(kù)構(gòu)建了五軸機(jī)床數(shù)控機(jī)床虛擬制造系統(tǒng)，保障了加工程序的準(zhǔn)確性，有效防止了加工過(guò)程中的碰撞和干涉現(xiàn)象，提高了加工的效率與加工質(zhì)量。本文就涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹和總結(jié)，可為實(shí)際機(jī)床的高效應(yīng)用提供技術(shù)支持。

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〔編輯：劉曉芳〕