集成仿真驗(yàn)證技術(shù)的數(shù)控虛擬仿真環(huán)境構(gòu)建

王 衛(wèi) 兵

(臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 臺(tái)州 318000)

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集成仿真驗(yàn)證技術(shù)的數(shù)控虛擬仿真環(huán)境構(gòu)建

王 衛(wèi) 兵

(臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 臺(tái)州 318000)

利用NX ISV模塊構(gòu)建了YHC850A四軸立式數(shù)控銑床的虛擬仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/NC編程的一體化實(shí)踐教學(xué)。介紹了機(jī)床及其運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建過(guò)程；應(yīng)用所建的仿真環(huán)境在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)的安全性。針對(duì)某零件的數(shù)控加工案例，驗(yàn)證了該仿真環(huán)境的可行性。

集成仿真驗(yàn)證； 虛擬機(jī)床； 數(shù)控編程； 實(shí)踐教學(xué)

0 引 言

隨著數(shù)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的普及，在高職院校的數(shù)控技術(shù)與模具等專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)了CAD/CAM軟件應(yīng)用與多軸數(shù)控加工的實(shí)訓(xùn)課程，由于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)不足，編制的NX程序不可避免地出現(xiàn)錯(cuò)誤，因而必須先通過(guò)仿真軟件進(jìn)行加工前的校驗(yàn)，而仿真軟件的應(yīng)用也可解決實(shí)習(xí)工位短缺的問(wèn)題[1-2]。當(dāng)前，應(yīng)用VERICUT軟件進(jìn)行機(jī)床的建模與仿真較為普及[3-5]，但由于VERICUT只是一個(gè)仿真軟件，在該軟件中進(jìn)行機(jī)床、刀具與夾具的建模較為不便；對(duì)于校驗(yàn)中有問(wèn)題的程序，由CAM重新編程，需要再次輸入進(jìn)行檢驗(yàn)，切換中容易產(chǎn)生問(wèn)題；而VERICUT軟件的安裝與學(xué)習(xí)也將增加學(xué)校與學(xué)生的負(fù)擔(dān)。

SIEMENS NX(舊稱(chēng)UG)是當(dāng)前普遍使用的CAD/CAM軟件之一，該軟件具備強(qiáng)大數(shù)控編程能力，能完成2～5軸的數(shù)控銑、數(shù)控車(chē)、車(chē)銑復(fù)合、線(xiàn)切割的各種加工數(shù)控程序的創(chuàng)建[6]，該軟件提供了ISV集成仿真驗(yàn)證模塊，可以實(shí)現(xiàn)在NX環(huán)境下的機(jī)床模型創(chuàng)建，并以逼真的畫(huà)面對(duì)CAM生成的刀具軌跡程序進(jìn)行模擬和校驗(yàn)，可以監(jiān)控機(jī)床、工件、夾具和刀具之間的碰撞干涉情況[7-8]。應(yīng)用ISV集成仿真驗(yàn)證模塊，將數(shù)控加工程序編制與仿真驗(yàn)證在同一軟件系統(tǒng)中運(yùn)行，保證了仿真的實(shí)用性，減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提高編程效率[9]。

本文利用NX ISV模塊構(gòu)建了YHC850A-4軸立式數(shù)控銑床的虛擬仿真環(huán)境，詳細(xì)介紹了機(jī)床及其運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建過(guò)程；應(yīng)用所建的仿真環(huán)境，針對(duì)某零件的數(shù)控加工實(shí)例，驗(yàn)證了該仿真環(huán)境的可行性。將其應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了實(shí)訓(xùn)的安全性。

1 數(shù)控虛擬仿真環(huán)境的建立

1.1 機(jī)床模型的建立

在進(jìn)行機(jī)床仿真之前，首先要建立一臺(tái)機(jī)床的幾何裝配模型。可根據(jù)機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)，利用NX軟件的三維建模和裝配功能完成。在創(chuàng)建機(jī)床三維模型時(shí)，只是需要?jiǎng)?chuàng)建出關(guān)鍵的形狀，而不需要完成非常細(xì)節(jié)的部位，否則既浪費(fèi)時(shí)間，又會(huì)在進(jìn)行加工模擬時(shí)影響模擬效率。如圖1所示為YHC850A四軸數(shù)控銑床主要部件所組成的機(jī)床仿真模型，由床身、Z主軸頭、Y工作臺(tái)、X工作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等部件裝配而成。

圖1 XK-4機(jī)床裝配模型

1.2 機(jī)床運(yùn)動(dòng)組件的構(gòu)建

只有在機(jī)床的仿真模型上定義了運(yùn)動(dòng)，機(jī)床驅(qū)動(dòng)器(Machine Tool Driver, MTD才能通過(guò)后處理文件驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用機(jī)床構(gòu)建器(Machine Tool Builder，MTB)來(lái)定義機(jī)床床身和各運(yùn)動(dòng)部件、主軸頭及其運(yùn)動(dòng)，定義的運(yùn)動(dòng)要完全參照實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，這樣進(jìn)行的仿真才會(huì)生成可靠的結(jié)構(gòu)[8]。 在機(jī)床組件定義時(shí)，需要抓住兩個(gè)主傳動(dòng)鏈，一個(gè)是“床身-刀具”傳動(dòng)鏈，另一個(gè)是“床身-工件”傳動(dòng)鏈，這兩個(gè)主傳動(dòng)鏈構(gòu)成了機(jī)床的基本模型，每一傳運(yùn)鏈就成為一個(gè)“組件樹(shù)”。

機(jī)床運(yùn)動(dòng)組件定義的主要步驟如下：

(1) 指定機(jī)床的床身部件。進(jìn)入MTD模塊，在機(jī)床配置器的名稱(chēng)欄單擊右鍵插入機(jī)床組件，指定名稱(chēng)為“MACHINE_BASE”，選擇床身創(chuàng)建父節(jié)點(diǎn)，并指定其分類(lèi)聯(lián)接為“機(jī)床零點(diǎn)”。

(2) 插入運(yùn)動(dòng)組件。在床身(MACHINE_BASE)插入機(jī)床組件，指定名稱(chēng)為“Z_SLIDE”，選擇主軸頭部件為Z軸運(yùn)動(dòng)部件；在Z_SLIDE下再插入主軸SPINDLE組件；在床身(MACHINE_BASE)下插入X軸的運(yùn)動(dòng)組件(X_SLIDE)，選擇X軸向工作臺(tái)；在X_SLIDE下再插入Y_SLIDE組件，選擇工作臺(tái)為Y軸運(yùn)動(dòng)組件；在Y_SLIDE下再插入A_BASE組件，選擇旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的基座，并指定聯(lián)接點(diǎn)“A-ROT”；在A_BASE下再插入機(jī)床組件，選擇旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為A軸的運(yùn)動(dòng)組件。

(3) 插入加工相關(guān)組件SET_UP，PART，BLANK，F(xiàn)IXTURE，并且指定SET_UP、PART、BLANK、FIXTURE的分類(lèi)組件分別為_(kāi)SETUP _ ELEMENT、_PART、_WORKPIECE、_SETUP _ ELEMENT。這4個(gè)組件并不包含任何幾何模型，它們是為以后模擬仿真的應(yīng)用準(zhǔn)備的，其中PART針對(duì)放置具體的加工零件，BLANK放置零件毛坯模型，F(xiàn)IXTURE放置工裝夾具模型。

(4) 在機(jī)床運(yùn)動(dòng)組件上創(chuàng)建連接坐標(biāo)系并分類(lèi)。先設(shè)定機(jī)床的原點(diǎn)與坐標(biāo)軸方位；再在機(jī)床導(dǎo)航器中，選取SPINDLE節(jié)點(diǎn)，指定軸為“S”，分類(lèi)組別為“_DEVICE”，分類(lèi)聯(lián)接為刀具安裝。

(5) 定義加工零件的裝夾位置。編輯SET_UP組件，指定聯(lián)接點(diǎn)為“PART_MOUNT_JCT”，并選擇建立在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心的WCS為工件安裝時(shí)的坐標(biāo)系，在模擬加工時(shí)，加工零件將安裝在該處。

(6) 在機(jī)床運(yùn)動(dòng)組件上創(chuàng)建NC軸。分別選擇X_SLIDE、Y_SLIDE、Z_SLIDE創(chuàng)建線(xiàn)性軸X、Y、Z，并可以指定每一軸的初始位置、極限位置與移動(dòng)速度；選擇A_SLIDE創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)軸A。

在創(chuàng)建虛擬機(jī)床時(shí)，參考兩條運(yùn)動(dòng)鏈的順序添加子節(jié)點(diǎn)部件，逐步建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型。本文建立的該4軸數(shù)控加工中心的運(yùn)動(dòng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 4軸數(shù)控加工中心的運(yùn)動(dòng)模型結(jié)構(gòu)圖

1.3 創(chuàng)建機(jī)床后置處理器

應(yīng)用后處理構(gòu)造器(Post Builder，PB)創(chuàng)建指定機(jī)床控制器對(duì)應(yīng)的后置處理器[10-11]，可參考系統(tǒng)已有的類(lèi)似的后處理器，通過(guò)編輯設(shè)置與運(yùn)動(dòng)定義中匹配的參數(shù)，如運(yùn)動(dòng)方向的限制值、小數(shù)位數(shù)、后處理輸出的程序頭信息等。保存得到的后處理文件以及虛擬NC控制器，就可以自動(dòng)生成一些MTD所需要的文件。

1.4 注冊(cè)虛擬機(jī)床

在NX的機(jī)床庫(kù)記錄文件Machine-Data.dat中添加一條新機(jī)床的記錄，以使IS&V能夠找到該機(jī)床。還要在NX的Post Process文件夾中新建立一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于該銑床的后處理設(shè)置文件(DAT文件)用于指定MTD所需要的后處理文件的保存位置。

至此，在NX環(huán)境中的數(shù)控銑床仿真環(huán)境已經(jīng)完全建立。

2 數(shù)控虛擬仿真環(huán)境的應(yīng)用

2.1 虛擬機(jī)床的裝載

在加工模塊中激活工序?qū)Ш狡鳎⑵滹@示切換到機(jī)床刀具視圖，將通用機(jī)床改為調(diào)用自定義的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型“YHC_4X_MILL”，并指定“使用部件安裝聯(lián)接”(Part Mounting Junction)選項(xiàng)，系統(tǒng)將自動(dòng)將定義的零件安裝坐標(biāo)系與虛擬機(jī)床中的零件安裝坐標(biāo)系對(duì)齊，從而將零件正確地安裝在機(jī)床上。

2.2 工件、毛坯與夾具的定義

在機(jī)床導(dǎo)航器中展開(kāi)PART組件進(jìn)行編輯，選擇零件為PART組件。同樣方法添加毛坯BLANK組件與夾具FIXTURE組件。

2.3 可視化仿真

NX可視化仿真是基于加工刀具路徑進(jìn)行加工模擬，用坯料的切削變化來(lái)表示刀具模型相對(duì)于零件模型的切削過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，工件固定，而刀具相對(duì)于工件移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。NX可視化仿真可以采用刀軌重播、2D動(dòng)態(tài)和3D動(dòng)態(tài)模擬的方式，可以簡(jiǎn)便地進(jìn)行刀具路徑的確認(rèn)。刀軌可視化仿真在加工刀軌創(chuàng)建完成后進(jìn)行，僅限于對(duì)刀具與工件間是否發(fā)生碰撞，以及所設(shè)定的路徑是否能夠準(zhǔn)確完全的加工進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖3所示為刀軌可視化的模擬過(guò)程。

圖3 刀軌可視化仿真

2.4 機(jī)床仿真

應(yīng)用NX ISV集成仿真驗(yàn)證模塊建立虛擬機(jī)床仿真環(huán)境之后，通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)組件、數(shù)控系統(tǒng)、刀具以及夾具、毛坯等虛擬建模，將機(jī)床的實(shí)際狀況考慮進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的整個(gè)加工過(guò)程的真實(shí)模擬，真正實(shí)現(xiàn)了“所見(jiàn)即所得”。通過(guò)機(jī)床仿真，可以更加全面地檢驗(yàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)是否會(huì)超過(guò)運(yùn)動(dòng)極限、是否會(huì)發(fā)生刀具與夾具的干涉。

選擇程序組或者工序后進(jìn)行點(diǎn)擊“機(jī)床仿真”命令，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床完整的運(yùn)動(dòng)仿真，如圖4所示。

圖4 機(jī)床仿真

在機(jī)床仿真過(guò)程中，機(jī)床工作臺(tái)與刀具將以實(shí)際的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)行的程序行，并顯示當(dāng)前的坐標(biāo)值、主軸轉(zhuǎn)速，切削進(jìn)給與加工時(shí)間等信息，與實(shí)際機(jī)床控制器上顯示的信息相符。

2.5 結(jié)果確認(rèn)

在機(jī)床仿真后，還可以對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行檢查確認(rèn)，選擇“通過(guò)顏色表示厚度”選項(xiàng)，以用不同顏色顯示加工表面的余量，并可以測(cè)量指定點(diǎn)位置與理想表面的距離，來(lái)驗(yàn)證每一部位的殘余量或者是過(guò)切量，從而可以預(yù)測(cè)加工精度與表面質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 通過(guò)顏色表示厚度

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用NX ISV集成仿真驗(yàn)證模塊創(chuàng)建的仿真環(huán)境進(jìn)行數(shù)控編程的CAD/CAM/NC編程的一體化實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生可以在NX環(huán)境下進(jìn)行三維造型、數(shù)控編程和加工仿真，通過(guò)仿真可以檢驗(yàn)程序的正確性，并預(yù)測(cè)零件的加工精度。對(duì)于仿真中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的程序，及時(shí)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，再次編程并仿真，直至通過(guò)仿真驗(yàn)證。由于三維圖形化的仿真過(guò)程高效直觀，在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中更能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地提升了教學(xué)效果。應(yīng)用該仿真環(huán)境后，數(shù)控實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可以避免撞刀、過(guò)切等現(xiàn)象，改善教學(xué)效果的同時(shí)，也大大提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，并且大幅度提高機(jī)床的利用率。

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Creating NC Simulation Environment Based on Integrated Simulation Varification Technology

WANGWei-bing

(Taizhou Vocational and Technical College, Taizhou 318000, China)

This paper constructs a virtual simulation environment of YHC850A 4 axis vertical NC milling machine by using the NX ISV module. It realizes the integration of the practice teaching of CAD/CAM/NC programming. The construction process of the machine and motion model is introduced; Practical teaching with the simulation environment can improve the students’ interest in learning, and enhance safety for training. Taking a CNC machining part as example, it verifies the feasibility of the simulation environment.

integrated simulation verification technology; virtual machine; NC programming; practice teaching

2015-01-01

王衛(wèi)兵(1974-)，男，浙江溫嶺人，碩士，副教授，主要從事數(shù)控與CAD/CAM/CAE等技術(shù)的教學(xué)與研究。

Tel.：0576-88665140；E-mail:wbcax@sina.com

TH 164

A

1006-7167(2015)08-0090-03