鐘如全

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 四川廣元 628017）

在《中國(guó)制造2025》中明確提出發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)社會(huì)的需求，很多企業(yè)及職業(yè)院校都購(gòu)買了五軸數(shù)控機(jī)床。由于在五軸聯(lián)動(dòng)加工過(guò)程中，刀具旋轉(zhuǎn)或工件旋轉(zhuǎn)很容易發(fā)生干涉和碰撞現(xiàn)象，造成工件、刀具甚至機(jī)床的損壞。因此，在實(shí)際加工前，必須進(jìn)行虛擬仿真加工。虛擬仿真加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其技術(shù)的應(yīng)用成為制造企業(yè)加工過(guò)程中急待解決的重大研究課題，也是有效提高數(shù)控設(shè)備利用率、提升數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平的技術(shù)關(guān)鍵。

本文采用VERICUT7.4數(shù)控加工仿真軟件，按照DMU 50五軸加工中心的真實(shí)機(jī)床參數(shù)，建立了該機(jī)床的虛擬機(jī)床，并通過(guò)對(duì)葉輪的實(shí)際加工驗(yàn)證了模擬仿真的正確性。

1 DMU50五軸加工中心虛擬機(jī)床的建立

VERICUT機(jī)床構(gòu)建的過(guò)程就是根據(jù)數(shù)控機(jī)床實(shí)體按照運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系進(jìn)行分解，并為各部件構(gòu)筑較為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，然后按照它們的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行“裝配”。裝配后的機(jī)床能夠真實(shí)地再現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡，并能夠完成真實(shí)機(jī)床中的各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以及進(jìn)行數(shù)控程序驗(yàn)證、機(jī)床模擬、安全檢測(cè)、程序優(yōu)化等。其最終目標(biāo)是為虛擬制造建立一個(gè)真實(shí)的加工環(huán)境，用于仿真和評(píng)估各加工過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1.1 建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

要建立VERICUT機(jī)床模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，必須先了解實(shí)際機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及實(shí)際機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)DMU50五軸加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)，以及DMU50機(jī)床各軸之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，抽象提煉出DMU50的機(jī)床結(jié)構(gòu)包括床身、X軸、Y軸、Z軸、主軸、旋轉(zhuǎn)軸B軸和C軸等幾個(gè)部分。依據(jù)DMU50數(shù)控機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，就可以建立該機(jī)床在VERICUT中的組件樹，形成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。本論文建立的基于DMU50五軸加工中心的組件樹如圖1所示。

圖1 DMU50組件樹

1.2 機(jī)床各部分三維模型的建立

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立好之后，就可以向各組件添加三維模型，如X/Y/Z/B/C軸、床身、主軸等，模型添加后就可以進(jìn)行裝配，生成整個(gè)機(jī)床的空間立體模型。由于5坐標(biāo)機(jī)床的干涉和碰撞主要發(fā)生在旋轉(zhuǎn)軸、主軸與零件及夾具之間，所以組件模型的尺寸大小、坐標(biāo)位置關(guān)系必須與實(shí)際機(jī)床結(jié)構(gòu)完全相同，這樣才能真實(shí)地將干涉、碰撞檢查出來(lái)。而X、Y、Z軸的組件模型則做了簡(jiǎn)化，但模型的尺寸大小和位置關(guān)系必須與實(shí)際機(jī)床結(jié)構(gòu)完全相同。由于機(jī)床模型復(fù)雜，所以先在UG等三維軟件中構(gòu)建機(jī)床三維模型，然后以組件為單位逐個(gè)輸出STL格式模型文件，注意輸出組件模型時(shí)的參考坐標(biāo)系和VERICUT中相應(yīng)的組件坐標(biāo)系匹配，再以組件為單位導(dǎo)入到VERICUT中。

完成機(jī)床幾何模型的虛擬機(jī)床，如圖2所示。其主要幾何參數(shù)與DMU50機(jī)床一致，機(jī)床原點(diǎn)定在B軸的旋轉(zhuǎn)中心與C軸旋轉(zhuǎn)中心的交點(diǎn)處。完成機(jī)床幾何建模后的完整組件樹，如圖3所示。

圖2 DMU50虛擬機(jī)床圖

圖3 DMU50完整組件樹

在對(duì)機(jī)床進(jìn)行裝配時(shí)，坐標(biāo)軸位置關(guān)系必須與實(shí)際機(jī)床結(jié)構(gòu)完全相同，因此，在裝配機(jī)床前，可以先在UG軟件中確定各坐標(biāo)軸的位置關(guān)系，量出建模時(shí)各軸之間的位置關(guān)系，例如，在UG軟件中測(cè)量出X軸到基點(diǎn)的距離為“-50 0 0”，則將X軸模型導(dǎo)入到VERICUT軟件中時(shí)，然后在VERICUT軟件中通過(guò)在“移動(dòng)”標(biāo)簽中，在“位置”文本框中輸入相應(yīng)的坐標(biāo)值，如X軸與基點(diǎn)間的坐標(biāo)為“-50 0 0”，則將X軸移動(dòng)到機(jī)床的X軸零點(diǎn)位置。

1.3 DMU50五軸虛擬機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

機(jī)床各部分按運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)裝配完成后，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行初始化設(shè)置，如機(jī)床干涉檢查、機(jī)床初始化設(shè)置、機(jī)床行程等。這些參數(shù)一般可以從機(jī)床廠家得到，如果沒(méi)有這些參數(shù)則可以通過(guò)實(shí)際操作來(lái)測(cè)量出這些數(shù)據(jù)。

1.4 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的選擇

機(jī)床初始化定義完成后，需要加載機(jī)床的控制系統(tǒng)。在項(xiàng)目樹中，打開(kāi)控制系統(tǒng)對(duì)話框，選擇所需要的系統(tǒng)。由于 DMU50機(jī)床配置的系統(tǒng)是SIEMENS840D，故本論文選用的也是該數(shù)控系統(tǒng)。完成控制系統(tǒng)添加后，機(jī)床自動(dòng)初始化到如上定義的初始位置。

2 虛擬機(jī)床的仿真加工前準(zhǔn)備

通過(guò)以上的步驟，已經(jīng)建立完成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)模型和控制系統(tǒng)，可以在機(jī)床上進(jìn)行仿真加工了。在仿真加工前必須做如下準(zhǔn)備工作。

(1)調(diào)出機(jī)床。

(2)調(diào)出刀具庫(kù)。

(3)設(shè)定夾具。為了能夠更加逼真的進(jìn)行仿真，夾具的設(shè)定必須與實(shí)際機(jī)床加工的夾具設(shè)置為一致。

(4)放置零件毛坯。為了能夠更加逼真的進(jìn)行仿真，毛坯的設(shè)定也必須與實(shí)際機(jī)床加工的毛坯設(shè)置為一致。毛坯可以通過(guò)UG建模軟件將毛坯建立，然后將格式轉(zhuǎn)換成STL文件，通過(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入到VERICUT中，并將毛坯移動(dòng)到正確的位置。安裝夾具及零件毛坯的虛擬機(jī)床如圖4所示。

(5)調(diào)入數(shù)控程序。

(6)G代碼設(shè)置。

圖4 放置毛坯虛擬機(jī)床圖

3 虛擬機(jī)床的仿真加工

添加刀具、工裝、毛坯、數(shù)控程序以及設(shè)置程序零點(diǎn)后，仿真的前期工作就全部準(zhǔn)備完畢。在VERICUT系統(tǒng)在進(jìn)行仿真加工時(shí)可以將界面分為兩個(gè)視圖，其中一個(gè)“零件”視圖，用于顯示刀具和零件的切削部分，可以非常清楚地表現(xiàn)出毛坯的去除細(xì)節(jié)。另一個(gè)視圖為“機(jī)床/切削模型”視圖，可以方便的觀察出機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)刀具是否與機(jī)床其他部件間發(fā)生碰撞，若碰撞則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的紅色顯示。這樣既有加工細(xì)節(jié)又有整體效果的顯示方式體現(xiàn)了VERICUT系統(tǒng)在加工顯示上的優(yōu)越性。如圖5所示為虛擬加工后的零件。

圖5 虛擬加工后的零件

4 結(jié)語(yǔ)

在五軸聯(lián)動(dòng)加工中，虛擬仿真技術(shù)是實(shí)際加工前的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它通過(guò)提前模擬刀具的切削軌跡、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)以及被加工工件的切削過(guò)程等，提前發(fā)現(xiàn)存在的不足，避免不必要的損失。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的研究，可以很大程度上縮短多軸加工的準(zhǔn)備時(shí)間，優(yōu)化加工程序，同時(shí)起到對(duì)機(jī)床、刀具以及工件的保護(hù)作用。在此項(xiàng)目中，通過(guò)虛擬機(jī)床對(duì)整體葉輪的仿真，達(dá)到了仿真加工的目的，并在DMU50五軸加工中心上實(shí)際加工驗(yàn)證，完全符合要求。因此，DMU50五軸加工中心仿真系統(tǒng)從理論到實(shí)際是可行的。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的研究，可以很大程度上縮短五軸加工的準(zhǔn)備時(shí)間，優(yōu)化加工程序，同時(shí)起到對(duì)機(jī)床、刀具及工件的保護(hù)作用，為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。