談昌順，洪建明

1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校（廣東深圳 518172）2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院（廣東深圳 518000）

1 引言

常見的3軸數(shù)控加工是機(jī)床控制刀具在X軸、Y軸、Z軸的三坐標(biāo)移動(dòng)來完成零件加工。多軸數(shù)控機(jī)床中的5軸機(jī)床在原有基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，使得刀具可以實(shí)現(xiàn)任意的空間方位和位置，減少零件的裝夾次數(shù)，從而提高數(shù)控加工的精度和效率[1]。但獲取多自由度的同時(shí)，5軸數(shù)控加工也讓刀具在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，增加了刀具與機(jī)床部件以及工裝夾具之間發(fā)生碰撞干涉的可能[2]。由于工作人員考慮不周、操作不當(dāng)容易造成刀具、夾具和機(jī)床部件的損壞。更有甚者，引發(fā)機(jī)床的嚴(yán)重碰撞而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生安全事故[3]。本文針對(duì)Mikron HSM 400U 5軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)機(jī)床實(shí)際尺寸建立了三維模型[4]，提煉出了該數(shù)控機(jī)床的兩條運(yùn)動(dòng)鏈。分析了機(jī)床模型之間的裝配矩陣，確定了各部件之間的位置關(guān)系、聯(lián)接關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。詳細(xì)論述了在VERICUT平臺(tái)中裝配數(shù)控機(jī)床部件，通過數(shù)控加工仿真技術(shù)驗(yàn)證數(shù)控程序、加工工藝的正確性[5]。本文的研究對(duì)于如何將VERICUT與特定機(jī)床型號(hào)的多軸機(jī)床相結(jié)合，進(jìn)行多軸數(shù)控仿真、驗(yàn)證具有實(shí)際意義。

2 多軸數(shù)控機(jī)床加工仿真

2.1 數(shù)控機(jī)床部件建模

本文中多軸加工仿真平臺(tái)的構(gòu)建是以Mikron HSM 400U數(shù)控機(jī)床（見圖1）為原型展開的研究，該機(jī)床為瑞士GF阿奇夏米爾公司生產(chǎn)的高端5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。

通過對(duì)Mikron HSM400U型數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以將該5軸機(jī)床的各個(gè)部件逐一進(jìn)行分解。其中X軸為導(dǎo)軌左右運(yùn)動(dòng)的線性軸、B軸為工作臺(tái)繞Y軸擺動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸、C軸為工作臺(tái)繞Z軸回旋的旋轉(zhuǎn)軸、Y軸為導(dǎo)軌前后運(yùn)動(dòng)的線性軸、Z軸為帶動(dòng)主軸上下運(yùn)動(dòng)的線性軸。工程師完成對(duì)機(jī)床部件的測繪以后，需要根據(jù)實(shí)際尺寸在CAD軟件中進(jìn)行機(jī)床部件繪圖，建立機(jī)床各部件的三維立體模型，然后通過格式轉(zhuǎn)換器將默認(rèn)的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成為STL數(shù)據(jù)格式，如表1所示。

圖1 Mikron HSM 400U數(shù)控機(jī)床

表1 機(jī)床部件模型對(duì)照表

2.2 虛擬裝配中的數(shù)學(xué)分析

在CAD軟件中完成數(shù)控機(jī)床各部件仿真建模以后，就需要確定機(jī)床各部件之間的裝配關(guān)系。仿真機(jī)床的基本裝配關(guān)系包括幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

幾何關(guān)系描述機(jī)床各部件模型之間的空間幾何信息，包含了對(duì)齊、偏置、接觸、配合等[6]。運(yùn)動(dòng)關(guān)系包括相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和傳動(dòng)關(guān)系。5軸數(shù)控機(jī)床中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系主要有直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；而整臺(tái)機(jī)床的裝配傳動(dòng)則有鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、螺紋傳動(dòng)等。在空間內(nèi)虛擬裝配機(jī)床模型時(shí)，需要抽象出機(jī)床各個(gè)部件之間的裝配關(guān)系，根據(jù)相應(yīng)的從屬關(guān)系的逐步裝配機(jī)床部件[7]。本文針對(duì)Mikron HSM 400U 5軸數(shù)控機(jī)床的裝配關(guān)系展開分析。

在裝配過程中，機(jī)床每個(gè)部件的位置和姿態(tài)可以通過一個(gè)矩陣S來表達(dá)為：S=TmRxRyRz。其中Tm指模型在空間內(nèi)的平移變換，其矩陣表達(dá)式為：

Rx指模型繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)了α角，其矩陣表達(dá)式為：

Ry指模型繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)了β角，其矩陣表達(dá)式為：

Rz指模型繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)了θ角，其矩陣表達(dá)式為：

2.3 Mikron HSM400U數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，各部件的關(guān)系并不是相互獨(dú)立的，它們之間按照一定的裝配關(guān)系構(gòu)成聯(lián)系。通過對(duì)Mikron HSM400U型5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡化分析可知，它的移動(dòng)軸有X軸、Y軸、Z軸，旋轉(zhuǎn)軸有B軸、C軸。

機(jī)床各軸與機(jī)床本體、機(jī)床主軸、加工刀具以及工裝夾具共同形成了兩條運(yùn)動(dòng)鏈，分別為工件運(yùn)動(dòng)鏈：Base（機(jī)床本體）→X軸→B軸→C軸→Attach（附屬）→Fixture（夾具）→Stock（毛坯）；刀具運(yùn)動(dòng)鏈：Base（機(jī)床本體）→Y軸→Z軸→Spindle（主軸）→Tool（刀具）。在運(yùn)動(dòng)鏈中的各個(gè)部件均依附于上一級(jí)部件，形成了“父”與“子”的依附關(guān)系，其中“子”一級(jí)部件的狀態(tài)和位置的變化受到“父”一級(jí)部件的影響。

2.4 Mikron HSM400U數(shù)控機(jī)床的虛擬裝配

在VERICUT數(shù)控仿真平臺(tái)中要進(jìn)行5軸數(shù)控加工仿真，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是建立虛擬5軸數(shù)控機(jī)床，可以在數(shù)控庫中選擇與實(shí)際數(shù)控機(jī)床所對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)“hei530.ctl”。Mikron HSM400U5軸數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸B軸依附于線性軸X軸，B軸狀態(tài)和位置變化會(huì)隨著X軸的移動(dòng)而發(fā)生變化。此時(shí)需要特別注意在VERICUT項(xiàng)目樹中準(zhǔn)確選擇節(jié)點(diǎn)X（0,0,0）所在的位置，進(jìn)行“添加”→“B旋轉(zhuǎn)”的操作，如圖2所示。然后在節(jié)點(diǎn)B（0,0,0）選擇“添加模型”→“模型文件”，選擇在表1）中格式轉(zhuǎn)換的文件“B.stl”，在“配置模型”窗口更改該部件的“顏色”為“15：Blue”完成B軸裝配，如圖3所示。

圖2 B軸結(jié)構(gòu)樹

圖3 B軸模型裝配

旋轉(zhuǎn)軸C軸依附于旋轉(zhuǎn)軸B軸，C軸狀態(tài)和位置變化會(huì)隨著B軸的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。在VERICUT項(xiàng)目樹中選擇節(jié)點(diǎn)B（0,0,0）所在的位置，進(jìn)行“添加”→“C旋轉(zhuǎn)”的操作，如圖4所示。然后在節(jié)點(diǎn)C（0,0,0）選擇“添加模型”→“模型文件”，選擇在表1中格式轉(zhuǎn)換的文件“C.stl”，在“配置模型”窗口更改該部件的“顏色”為“16：Dark Goldenrod”進(jìn)行C軸模型裝配，如圖5所示。

圖4 C軸結(jié)構(gòu)樹

圖5 C軸模型裝配

根據(jù)工件Mikron HSM400U數(shù)控機(jī)床的工件運(yùn)動(dòng)鏈、刀具運(yùn)動(dòng)鏈，設(shè)定主軸等各個(gè)部件之間的裝配關(guān)系（見圖6）后可建立與真實(shí)機(jī)床相對(duì)應(yīng)的多軸加工仿真平臺(tái)，如圖7所示。

圖6 主軸結(jié)構(gòu)樹

圖7 多軸加工仿真平臺(tái)

2.5 多軸加工仿真驗(yàn)證

經(jīng)過Mikron HSM400U多軸加工仿真平臺(tái)優(yōu)化的數(shù)控程序能夠通過RS232端口由個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)送至數(shù)控機(jī)床的內(nèi)存中，該機(jī)床搭載的Heidenhain iTNC530控制系統(tǒng)讀取程序代碼之后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床各組件進(jìn)行5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，依次完成葉輪的輪轂、葉片以及傾斜平面的加工。通過調(diào)入數(shù)控NC程序進(jìn)行虛擬仿真加工，有效地保障了5軸數(shù)控加工刀具軌跡的安全性和正確性，成功避免了機(jī)床各個(gè)部件、加工刀具以及工裝夾具之間的碰撞干涉，使得仿真加工（見圖8）與多軸數(shù)控加工（見圖9）具有良好的一致性。

圖8 仿真加工

圖9 多軸數(shù)控加工

3 結(jié)語

加工仿真是虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵部分，仿真機(jī)床具備了現(xiàn)實(shí)加工系統(tǒng)中的全部屬性和功能，可以用于仿真和檢測數(shù)控加工過程中各種因素的影響。建立仿真機(jī)床需要將機(jī)床本體和各個(gè)部件的尺寸進(jìn)行測繪并建立三維模型，然后按照真實(shí)機(jī)床坐標(biāo)系中各線性軸、旋轉(zhuǎn)軸的邏輯關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行機(jī)床的虛擬裝配。Mikron HSM 400U多軸加工仿真平臺(tái)能真實(shí)再現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且在模擬NC程序所表達(dá)的刀具加工路徑，檢測數(shù)控加工過程中可能出現(xiàn)的碰撞干涉，為生產(chǎn)加工提供了安全保障。