0 引言

    機床仿真是在計算機環(huán)境下用來模仿機床各個運動部件的空間位置關(guān)系，當發(fā)生相對運動后，用來檢查機床運動的主要工作對象比如主軸頭與工件、刀柄與工件和主軸與夾具等是否出現(xiàn)碰撞、干涉等問題，非常適用于機床各個運動部件相對運動狀況比較抽象，難以用傳統(tǒng)的方法檢查和控制的四軸、五軸機床的數(shù)控加工。
   
    目前汽車、航空等行業(yè)的零部件，形狀越來越復雜，對實際生產(chǎn)中加工零件數(shù)控編程的要求也越來越高，沒有經(jīng)過檢驗的數(shù)控加工程序也不可能流入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中去，過去都是進行首件檢驗，占用了一定的數(shù)控機床的輔助時間。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用軟件仿真的技術(shù)得到快速的發(fā)展，也越來越成熟，多軸仿真機床在零件試切的程序調(diào)試方面發(fā)揮的作用突出，NX軟件在這方面顯示了強大的功能和作用。

    五軸聯(lián)動龍門加工中心主要用于能源、飛機、汽車和模具等大型復雜整體結(jié)構(gòu)件的高速加工。如今的五軸聯(lián)動龍門加工中心正朝高速、高精、復合、柔性和多功能方向發(fā)展，追求更高質(zhì)量和更高效率。

    德國DST公司作為一家專門生產(chǎn)五軸加工中心的公司，為世界不少知名汽車模具廠商、航空制造商及葉片制造商提供了五軸加工中心。本文舉例的T35龍門五軸加工中心(見圖1)是目前該公司為中國廠家生產(chǎn)的一臺龍門式五軸機床。

圖1 T35龍門五軸加工中心

    下面以NX7.5為平臺，以T35機床為具體事例從6個方面對創(chuàng)建龍門式多軸機床加工仿真系統(tǒng)進行論述。

1 NX模擬數(shù)控仿真加工建立流程

    NX機床庫當中提供了各種結(jié)構(gòu)比較典型的機床運動模型，可以進行碰撞仿真加工。首先建立機床裝配模型，接著利用機床構(gòu)造器建立機床運動關(guān)系，然后用后處理構(gòu)造器建立其虛擬控制器，再將機床運動模型集成到NX集成系統(tǒng)中，最后實現(xiàn)在NX集成系統(tǒng)中建立工件實體模型、進行刀路規(guī)劃與切削仿真，調(diào)用機床運動模型進行干涉檢查仿真，模擬數(shù)控機床加工進行加工程序的驗證，驗證合格后傳輸加工程序至數(shù)控加工機床進行生產(chǎn)加工。下面是以T35龍門五軸加工中心為例介紹建立機床運動模型的方法和過程。龍門五軸加工中心仿真系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2 龍門五軸加工中心仿真系統(tǒng)的流程圖

2 機床結(jié)構(gòu)分析

    五軸聯(lián)動龍門加工中心國際主流機床按結(jié)構(gòu)可分為：定梁定柱工作臺移動式、橫梁升降的動梁定柱工作臺移動式、動梁動柱工作臺固定式和橋式龍門式結(jié)構(gòu)。按擺頭結(jié)構(gòu)分為3種：AC擺、BC擺和AB擺。

    通過分析T35龍門加工中心為定梁定柱工作臺移動式，擺頭結(jié)構(gòu)為BC擺的機床。明確了各軸運動關(guān)系，對機床各運動組件模型化并建立機床模型，機床模型共包括5個部分運動組件，分別是：機床床身、X軸運動組件、Y軸運動組件、Z軸運動組件、B軸運動組件和C軸運動組件。機床結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 T35龍門五軸機床結(jié)構(gòu)

3 機床運動學定義過程

    3.1 機床裝配建模

    按照機床圖紙的幾何尺寸，可以在NX中用零件建模工具分別建立機床6個運動組件的零件實體模型；機床床身machine_base.Prt、機床X軸運動組件x_slide.Prt、機床y軸運動組件y_slide.Prt、機床Z軸運動組件z_slide.Prt、機床B軸運動組件b_slide.Prt和機床C軸運動組件c_slide.Prt。在NX的裝配模塊，新建一個機床裝配模型文件sim19_5Axis_bc_axis.prt采用從底向上的設(shè)計方法將前面分別創(chuàng)建的機床六部分零件添加到裝配體中來。如果機床的圖紙尺寸不全或者沒有，也可以采用自頂而下的設(shè)計方法建立機床裝配模型。先新建一個機床裝配模型文件sim19_5Axis_bc_axis.prt，將其中已有的部分零件添加進裝配體，缺少的零件可先將名稱建立起來，再到現(xiàn)場去測量機床上的無圖紙的零件尺寸，同時注意各軸的運動正負方向。各部分有關(guān)聯(lián)配合尺寸的地方，可以用NX裝配的wave鏈接功能進行上下文關(guān)聯(lián)設(shè)計。五軸機床尤其要注意主軸頭部的尺寸，尺寸精度最好需要精確到小數(shù)點后兩位，目的是讓后面的加工仿真時候更具實際意義。有的時候刀具軸的變化限制恰恰需要的就是那么一點間隙，可謂差之毫厘，謬以千里。圖4是龍門五軸加工中心雙擺頭主軸頭結(jié)構(gòu)件實物，圖5是龍門五軸加工中心雙擺頭造型。

圖4 龍門五軸加工中心雙擺頭實物

圖5 龍門五軸加工中心雙擺頭造型

    3.2 定義機床運動學關(guān)系

    (1)打開前面創(chuàng)建的機床裝配體，進入到機床構(gòu)建器模塊。機床導航條看到機床運動模型的名字No_name，重新命名為sim19_5ax_XYZBC，這是運動模型的指針。

    (2)選擇機床運動模型基礎(chǔ)本體machine_base.Prt，機床運動部分是建立在模型中不動的承載各個運動軸的部分，名稱為Machine_base，分類設(shè)為床身。選擇機床連接點坐標系csys分類為機床原點MA-CHINE ZERO，位置在工作臺中央。

    (3)選擇x_slide.Prt作為第一運動軸X軸的載體，插入直線軸X軸，設(shè)置運動上下極限范圍12m。

    (4)選擇y_slide.Prt作為第二運動軸Y軸的載體，插入直線軸y軸，設(shè)置運動上下極限范圍9m。

    (5)選擇z_slide.Prt作為第三運動軸Z軸的載體，插入直線軸Z軸，設(shè)置運動上下極限范圍1.5m。設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接點ROT_JCT，位置在C軸與B軸軸線交點上，方向與機床坐標系同向。這個點就是C軸和B軸旋轉(zhuǎn)軸的原點。

    (6)選擇c_slide.Prt作為第四運動軸C軸的載體，插入旋轉(zhuǎn)軸C軸，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度極限，本機床位0°～360°。

    (7)選擇b_slide.Prt作為第五運動軸B軸的載體，插入旋轉(zhuǎn)軸B軸，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度極限，本機床位-90°～+90°。

    (8)插入一機床組件主軸spindle不用選擇任何實體，設(shè)置刀具連接點S*，位置在B軸的端面上，是刀具與主軸連接的地方。創(chuàng)建刀具幾何裝配坐標系時要將X軸向沿著刀具軸線，指向刀尖。

    (9)在主軸下插入刀具庫pocket_1、2、3…。

    (10)在x_slide下建立工件集指針setup，它是一個虛擬的裝配體，有名稱沒有具體的實體，具體內(nèi)容需要在仿真任務(wù)開始前指定添加。這個裝配體下包括的組件有：工件PART、毛坯BLANK和夾具FIXTURE，并進行分類選擇。分類后它們的類型如下：

    PART；PART和SETUP ELEMENT；

    BLANK；WORKPIECE和SETUP_ELE_MENT；

    F1 XTLIRE:SETUP_ ELEMENT

    這個setup工件裝配體工作組它所依附的父運動件須是擺放安裝零件的地方，也就是工作臺。工作臺一般情況下分為2種狀態(tài)：一是在機床本體上是不動的，setup就是要設(shè)置在machlne-base下的子工作組；二是在運動軸上，setup就需要設(shè)置在slide下的子工作組。圖6是龍門五軸加工中心模型，圖7是創(chuàng)建好的機床運動關(guān)系樹。

圖6 龍門五軸加工中心裝配模型

圖7 機床運動關(guān)系樹

4 虛擬機床控制器創(chuàng)建

    機床仿真還需要給它一個虛擬的控制器，簡稱VNC控制器，這個VNC是嵌入在MOMPOST事件處理器的，事件處理器生成NC程序。VNC+POST定義機床仿真控制器。

    使用PostBuild工具，建立5軸BC角擺頭和轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)類型機床的后置文件，注意各軸定義的輸出地址必須和機床運動學模型定義的定名一致。除了后處理常規(guī)的設(shè)置以外，勾選“創(chuàng)建VNC控制器”選項，其中檢查機床刀具安裝主件SPINDLE、連接點TOOL_MOUNT_JCT，程序零參考X_SLIDE，NC各個軸的名稱XYZBC，4軸5軸的旋轉(zhuǎn)限制；控制器里面的初始設(shè)置，快速運動模式、主軸轉(zhuǎn)向、進給率模式以及坐標輸入模式，特殊NC代碼；默認程序定義，刀具數(shù)據(jù)等所有單項。圖8是VNC機床仿真原理圖。

圖8 VNC機床仿真原理圖

5 配置仿真系統(tǒng)與NX軟件集成

    將仿真機床插入NX機床庫中，與NX系統(tǒng)進行集成可實現(xiàn)在NX/CAM系統(tǒng)中調(diào)用。機床庫的位置在NX安裝目錄下：

    X:\ProgramFiles\NXS\NX7.5\MACH\resource\library\machine\installed_machines在其下新建子機床文件夾sim19，在sim19分別建立3個子文件夾graphics、postprocessor、cse_driver和一個dat配置文件。

    Graphics文件夾保存創(chuàng)建完成的機床模型，postprocessor文件夾放置后處理器與虛擬后處理器，cse_driver文件夾放置系統(tǒng)獨立驅(qū)動器，其下包含4個主要模組控制器動態(tài)鏈接庫(DLL’s)文件、控制器配置文件(CCF)、機床配置文件(MCF)和子程序(suBPRog)等。

    在NX界面里調(diào)用機床請編輯面板文件machine_database.dat，它是NX系統(tǒng)文件中的機床配置文件，在機床配置文件中添加新建機床信息：位置在X:\ProgramFiles\NXS\NX7.5\MACH\resource\library\machine\ascii文件夾里。NX在仿真時選擇機床的菜單定制就在這個文件中時對話框中出現(xiàn)相應(yīng)的機床信息。在NX系統(tǒng)文件中的后處理器庫文件夾下新建一個配置文件sim19_mm.dat，在該文件中添加機床需要調(diào)用的后處理器，在碰撞仿真過程中讀取和顯示刀軌源代碼時調(diào)用相應(yīng)的后置處理器。

6 虛擬機床加工仿真干涉驗證

    進入CAM環(huán)境打開已經(jīng)生成好加工路徑的文件，這個文件包含零件毛坯夾具等一切真實加工環(huán)境里所有的相關(guān)件。打開仿真機床，調(diào)用仿真機床控制面板里的一個仿真選項，在這個選項下面包含一碰撞檢測欄目，包含著2個開關(guān)，一是打開碰撞開關(guān)，二是指定碰撞對。圖9是碰撞對設(shè)置對話框。

圖9 碰撞對設(shè)置對話框

    在這里選擇會發(fā)生碰撞的一對對象，比如可以假設(shè)第一對象旋轉(zhuǎn)C軸與第二對象加工零件PART是一對碰撞對象；返回到仿真選項面板中設(shè)置好碰撞發(fā)生時候的系統(tǒng)顯示“碰撞時停止”。在模擬時候，發(fā)生碰撞仿真機床系統(tǒng)就會停止。這樣就方便在NX環(huán)境中檢測出加工程序是否安全合理，見圖10。

圖10 數(shù)控刀路仿真截圖

    在仿真機床上調(diào)試數(shù)控加工刀路非常便捷，一是可以設(shè)置仿真面板里的長度增量、角度增量和時間增量，調(diào)節(jié)仿真的顯示速度；二是直接在仿真狀態(tài)下修改不合理的刀路，改變的結(jié)果再次仿真驗證結(jié)果，所改即所得，讓編程人員看到在任何情況下機床的關(guān)鍵部件、夾具和切削刀具的準確位置。用軟件仿真來實現(xiàn)程序調(diào)試工作，所花費的時間只有現(xiàn)場調(diào)試的數(shù)十分之一。因此機床仿真就成為NC編程人員必不可少的武器，而不僅僅是作為一個有用的程序驗證工具。

7 結(jié)論

    本文創(chuàng)建了T35機床的仿真系統(tǒng)，對在其上加工的復雜零件刀具路徑及機床運動可以進行精確的模擬加工，真實地反映和再現(xiàn)實際的加工過程，大大減少了機床的試切時間，提高了CAM程序的安全性和可靠性，降低了產(chǎn)品研發(fā)的成本。

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本文標題：大型龍門式五軸加工中心仿真系統(tǒng)在NX7.5上的建立和應(yīng)用

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