孫立鵬，裴佳桐，程銘，田紹軒

（北方華創(chuàng)真空技術有限公司，北京 100015）

0 引言

五軸數(shù)控機床的典型結構之一是雙轉臺結構，雙轉臺五軸數(shù)控機床的空間曲面運動是由三個平動坐標X、Y、Z和兩個轉動坐標B、C聯(lián)合進行的，根據(jù)雙轉臺五軸數(shù)控機床的結構形式，機床通過B、C兩個旋轉軸帶動工作臺轉動，再通過X、Y、Z三個直線軸的進給運動，實現(xiàn)五軸機床對空間復雜零件的加工。

MCD是西門子工業(yè)軟件NX中用于數(shù)字孿生、虛擬調試的一個機電設計模塊。基于MCD平臺可將各個技術工種的工作整合在一起，促進協(xié)同開發(fā)，對于將要開發(fā)的產品可將系統(tǒng)設定、電氣調試、機械本身加工制造同時進行，以滿足“工業(yè)4.0”背景下多種機電一體化產品的概念設計到系統(tǒng)仿真驗證的開發(fā)過程[1]?，F(xiàn)有的機床虛擬調試方法通常為利用西門子SIMIT通過共享內存與MCD進行虛擬調試，SIMIT是西門子專門為S7-300/400設計的被控對象仿真軟件，使用此軟件時需要加密狗，且利用SIMIT進行機床虛擬調試時還需要SINUMERIK NCU實體硬件，此方法成本昂貴。本研究利用一種新型虛擬調試方法，通過SinuTrain與MCD進行虛擬調試，實現(xiàn)了軟件在環(huán)SiL(Software in the Loop)仿真。通過對機床進行虛實聯(lián)合調試，使實驗結果更加合理。

在實驗過程中利用NX確立出雙轉臺五軸數(shù)控機床傳動系統(tǒng)的三維模型，通過三維模型的運動軌跡來進行機床程序的驗證[2]。利用此方法具有普遍適用性，并可回避奇異點、死點，可直觀看出機床運動軌跡，并可隨機調整，虛擬調試方法的優(yōu)勢在于可隨時進行調整，無需進行多次手工計算，就可驗證出加工工件的最大運行空間[3]。

1 機床性能及機床參數(shù)設置

1.1 研究對象及機床性能

本研究對象為亞龍YL569雙回轉臺式五軸數(shù)控加工中心，采用高精度回轉工作臺，并配備西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，具有多軸聯(lián)動功能，可以實現(xiàn)復雜曲面零件的加工，如圖1所示。亞龍YL569主要參數(shù)見表1[4]。

表1 亞龍YL569加工中心主要參數(shù)

圖1 亞龍YL569雙回轉臺式五軸數(shù)控加工中心

1.2 機床參數(shù)設置及三維模型選用

本機床系統(tǒng)采用SINUMERIK 840Dsl，具有模塊化、開放性、靈活性和統(tǒng)一的結構。它擁有可視化界面并進行了網(wǎng)絡系統(tǒng)功能集成。SINUMERIK 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)提供了大量系統(tǒng)參數(shù)，可以通過調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)來選用機床功能及設置軟限位等行程等。部分機床相關參數(shù)的設置見表2。

表2 部分機床相關參數(shù)的設置

利用現(xiàn)有機床模型，依照上述條件限制，進行機床參數(shù)設置，控制三維模型行程，在NX中確立模型保證各零部件尺寸與真實機床相同，使得在設置MCD的各項參數(shù)與真實機床保持一致，達到軟件模型與實際機床空間一致的效果。雙轉臺五軸加工中心NX三維模型如圖2所示。

圖2 雙轉臺五軸加工中心三維模型

2 SinuTrain設置

2.1 SinuTrain機床模型調用

SinuTrain軟件是與控制器完全相同的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)使用了SINUMERIK控制系統(tǒng)的編程和用戶界面，支持多種不同的編程語言，驗證實驗結果后可復制到真實操作系統(tǒng)上，符合快速開發(fā)的需求。

打開SinuTrain進行調試文檔的讀取，此文件為“.arc”文件，調試文檔為機床備份文件，利用此備份文件可以進行真實機床參數(shù)與設置的遷移，使利用Sin-uTrain的開發(fā)可完整轉移到真實數(shù)控系統(tǒng)上，并打開SinuTrain的OPC授權，進行OPC通信授權的打開。

2.2 Sinutrian OPC UA地址配置

修改SinuTrain的OPC_UAApplication.xml文件，把其中的“l(fā)ocalhost”更改為本機IP4地址：實驗樣機IP為192.168.52.143，本機IP可用計算機命令“WIN+R”在CMD窗口中輸入命令“IPconfig”查看，修改OPC_UAApplication.xml文件，修改完成后進行重啟SinuTrain軟件，顯示界面如圖3所示。這表明Sinu-Train的OPC服務成功打開。

圖3 SinuTrain OPC UA成功打開

3 西門子840dSL MCD設置

3.1 MCD物理屬性定義

西門子MCD運用機械原理、電氣原理和自動化原理實現(xiàn)早期機電概念設計，加快機械、電氣和軟件產品的開發(fā)速度，適合于多種設備環(huán)境，每種案例的設置方法不同，以下針對西門子數(shù)控840dSL進行設置。對于其他類型，比如生產線，會有其他的定義方法與設置流程。

（1）剛體的設置

將所有需要運動的部件都設為剛體，設置為X、Y、Z、B、C，在軟件中定義三位模型的物理屬性，與西門子真實機床的設置名稱一致。

（2）進行運動副設置

每個剛體都有其自身的約束，按照真實的物理關系進行設置，對X、Y、Z進行滑動副設置，滑動副為機床的直線軸，對SP、B、C進行鉸鏈副設置，SP為機床主軸，B、C為機床的旋轉軸。

（3）傳感器和執(zhí)行器的設置

在對機床控制過程中，需要接收運動載體的狀態(tài)，例如主軸是否夾持刀具，需要設置傳感器。同時，需對各個軸進行控制，因此要對各軸設置位置或者速度進行設置。對X、Y、Z、B、C、SP分別設置控制傳感器，將X、Y、Z、B、C設置位置傳感器，SP設置為速度傳感器，傳感器可以監(jiān)控模型所需信息。

3.2 建立信號源

信號源的位置的作用是用于接收外圍或者NC的信號來控制機床，例如各軸的位置信息和機床的反饋信號、如何采集限位信號，等等。本次實驗在Sinu-Train中已打開OPC UA服務，該信號源信號來自于OPC UA的信號，此信號為數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)變量，與真實數(shù)控系統(tǒng)的信息一致。

3.3 建立信號連接與映射

信號源的連接主要用于將MCD的信號源和OPC UA的信號進行連接，建立信號連接，通過信號映射，將實際數(shù)控系統(tǒng)與虛擬軟件三維模型連接在一起，運行數(shù)控程序，三維模型進行實時運動，設置效果如圖4～圖7所示。

綜上所述，將MCD設置完好，此步驟將虛擬機床的物理性質與真實機床一致，設置效果如圖4如示。

圖4 MCD設置完成

4 數(shù)控系統(tǒng)連接與實驗驗證

4.1 OPC UA服務器變量配置

采用OPC UA服務器，通過采集需要的各類控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，含PLC、單片機等，通過與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，通過通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，在此過程中，需要開發(fā)包括各種驅動程序、組件和各種通信協(xié)議。OPC服務器可以通過合格的OPC或系統(tǒng)接口連續(xù)訪問用戶應用程序。OPC服務器的任務是從程序和系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，轉換為標準通信協(xié)議（OPC或DDE），使得所有用戶獲得包括SINUMERIK 840Dsl在內的西門子數(shù)字控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更容易、更方便，在過程中，需要進行訪問密碼設置、IP設置、機床軸變量設置（X、Y、Z、B、C為MachineAxis變量，SP為Spindle變量），通過運行OPC服務器，使得數(shù)據(jù)流在三維模型與數(shù)控系統(tǒng)之間運行，達到數(shù)控系統(tǒng)控制NX三維模型進行數(shù)控加工。OPC UA匹配數(shù)控系統(tǒng)站點設置如圖5所示。通過檢驗信號強度，監(jiān)控西門子數(shù)控的系統(tǒng)變量，使得實驗系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。

圖5 OPC UA匹配數(shù)控系統(tǒng)站點設置

通過OPC通信，建立OPC UA站點，利用OPC Server服務器，設置IP為192.168.52.143，選用SIEMENS底層協(xié)議，通過傳遞西門子內部變量信號，達到SINUMERIK NC與MCD中連接的效果如圖6所示。

圖6 整體連接運動效果圖

4.2 仿真軌跡驗證

進行葉輪軌跡的驗證，將X位置、Y位置、Z位置、B位置、C位置、SP速度分別加入到運行時查看器中，進行虛擬調試，檢測位置和速度數(shù)據(jù)，添加X軸、Y軸、Z軸、B軸、C軸、SP軸，出現(xiàn)信息采集框后，運行加工程序，進行多個軸的位置實時采集，確保程序在機床真實行程范圍內，采集效果如圖7所示，虛擬機床未超程，且未觸碰到三維模型的限位。

圖7 加工程序運行與多軸位置速度信息采集

4.3 機床真實加工驗證

在加工葉輪曲面需要注意葉片的葉型復雜，在五軸加工時，如果刀具伸出的長度比較長，刀具容易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，因此，在CAM軟件中編程，需合理規(guī)劃刀路，注意進給與切削歩距。加工工藝過程流程：毛坯外圓面粗加工-毛坯外圓面半精加工-葉片流道粗加工-輪轂面精加工-葉片精加工-葉根圓角精加工，達到葉輪的加工要求[5]。

按照上述流程，進行刀具刀軌的設置，設置合適的進給參數(shù)與主軸轉速，利用MCD和軟件進行后置處理后的數(shù)控NC代碼的仿真驗證，驗證了葉輪的可加工性。

在加工準備工作中，選用直徑為90 mm、高度為35 mm的鋁料，采用機床三爪卡盤進行裝夾，通過調節(jié)機床卡爪的具體位置，能正確卡住毛坯料，確保裝夾正確。機床選型：雙轉臺五軸機床亞龍YL569。

（1）葉輪加工程序如下：

DEF REAL_camtolerance

DEF REAL_X_HOME，_Y_HOME，_Z_HOME，_B_HOME，_C_HOME

DEF REAL_F_CUTTING，_F_ENGAGE，_F_RETRACT

G40 G17 G710 G94 G90 G60 G601 FNORM

_camtolerance=.06

_X_HOME=0.0_Y_HOME=0.0_Z_HOME=0.0

_B_HOME=0_C_HOME=0

......

......

X32.98456 Y-39.90739 Z-28.92827

X33.21039 Y-40.07461 Z-28.58068

TRAFOOF

SUPA G0 Z=_Z_HOME D0

SUPA G0 X=_X_HOME Y=_Y_HOME B=_B_HOME C=_C_HOME D1

CYCLE832（）

M5

（2）加工結果

根據(jù)上述工藝規(guī)劃，進行切削加工，對工藝規(guī)劃、刀路軌跡、后處理程序合理性進行分析驗證，通過圖6的信息采集，虛擬機床未超程，且未觸碰到三維模型的限位，且真實加工過程如圖8所示，并未發(fā)生撞刀現(xiàn)象，最終確立了實驗方法的正確性。

圖8 整體葉輪的加工過程及葉輪成品

5 結語

通過MCD、OPC調試，對NX三維模型進行物理屬性定義，通過對OPC服務器進行數(shù)控變量配置與站點設置，建立OPC UA站點，實現(xiàn)SINUMERIK 840Dsl與虛擬機床的聯(lián)動，可以達到對真實程序仿真的效果。在MCD中可輸出X、Y、Z、B、C的運動范圍曲線，有效避免了葉輪加工軌跡超出機床有效行程的問題。在此過程中，選取了一種優(yōu)化的加工方案，通過選擇合適的加工軌跡與進給切削速率，使得機床仿真刀具軌跡未出現(xiàn)碰撞且符合產品需求。真實葉輪的加工，驗證了此方法的可行性。