基于VERICUT非正交五軸機床加工仿真技術(shù)研究

顏士肖，蹇悅，宋健，穆英娟

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

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基于VERICUT非正交五軸機床加工仿真技術(shù)研究

顏士肖，蹇悅，宋健，穆英娟

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

摘要：針對非正交五軸聯(lián)動加工機床結(jié)構(gòu)復雜，加工準備周期長，程序驗證復雜、干涉碰撞易發(fā)生等特點，對非正交五軸機床加工仿真技術(shù)進行了研究。利用VERICUT仿真軟件，以DMU 70evo機床為原型，構(gòu)建與實際機床一致的虛擬仿真環(huán)境，主要包括仿真機床模型和仿真控制系統(tǒng)。利用建好的仿真環(huán)境，進行某異型法蘭零件的數(shù)控加工仿真。結(jié)果表明：構(gòu)建好的機床模型準確、可靠，驗證了NC程序的正確性，提高了加工的準確性、安全性和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：非正交；五軸機床；仿真環(huán)境；仿真模型；仿真控制系統(tǒng)

0引言

隨著零件結(jié)構(gòu)和加工工藝的日益復雜及數(shù)控機床加工速度、精度和智能化水平的不斷提高，各類數(shù)控機床已成為裝備制造業(yè)，特別是航空、航天、軍工等制造業(yè)必不可少的加工設(shè)備。而以提高數(shù)控加工效率和自動化水平為目標的五軸聯(lián)動加工機床已成為機床制造業(yè)的一個重要發(fā)展方向[1]。

五軸聯(lián)動加工機床存在數(shù)控程序的編制及檢測難度大等問題，而NC程序的正確性是保證多軸聯(lián)動數(shù)控機床加工過程中的安全性和零件加工品質(zhì)的關(guān)鍵，零件加工前的試刀已不能滿足五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工需求[2]。特別是對于非正交的五軸聯(lián)動機床，程序員已很難直觀分析機床的運動軌跡，給產(chǎn)品品質(zhì)和安全生產(chǎn)帶來了很大的風險和隱患。利用VERICUT等虛擬加工仿真軟件進行加工過程的仿真已成為解決上述問題的有效手段[3]。

目前，很多學者已經(jīng)開展了部分基于VERICUT的機床仿真技術(shù)研究，包括立式三軸加工機床仿真技術(shù)研究[4]、正交轉(zhuǎn)臺與擺軸五軸機床仿真技術(shù)研究[5]等。然而，針對非正交轉(zhuǎn)軸的五軸聯(lián)動機床，特別是以空間矢量軸為旋轉(zhuǎn)軸的五軸機床研究少見報導。

現(xiàn)以典型非正交五軸聯(lián)動機床DMU 70evo為原型(該機床b旋轉(zhuǎn)軸為一般空間矢量)，構(gòu)建與實際機床一致的虛擬仿真環(huán)境，包括機床模型構(gòu)建、模型參數(shù)設(shè)定和控制系統(tǒng)定制等，并利用此虛擬仿真環(huán)境進行某零件的加工仿真，以此驗證模型的正確性，指導實際加工生產(chǎn)，并為其他機床仿真環(huán)境構(gòu)建提供方法和經(jīng)驗。

1機床模型構(gòu)建

1.1機床模型樹構(gòu)建

VERICUT中機床模型以組件樹的形式存在，組件樹反映的是機床各部分之間的相對位置和運動依附關(guān)系。根據(jù)機床原型DMU 70evo機床實際結(jié)構(gòu)、運動關(guān)系，確定機床各部分間的相互依附關(guān)系，見圖1，圖中箭頭指向為下級子組件。

圖1　DMU 70evo機床結(jié)構(gòu)依附關(guān)系

根據(jù)機床組件依附關(guān)系圖，在VERICUT中建立機床模型組件樹。該機床為典型的非正交五軸機床，b軸為空間矢量旋轉(zhuǎn)軸，c軸為垂直矢量旋轉(zhuǎn)軸，b、c旋轉(zhuǎn)軸交點與工作臺表面有一定距離偏差，圖2所示。旋轉(zhuǎn)軸位置、方向及其與工作臺距離偏差這3個因素，在建立機床模型時必須充分考慮，確保裝配后應(yīng)與實際機床保持一致，否則仿真結(jié)果將不具有指導性。根據(jù)圖2中給出的旋轉(zhuǎn)軸位置、方向及其與工作臺距離偏差，正確設(shè)置組件樹中各組件坐標系位置及方向，如圖3所示。

圖2　DMU 70evo旋轉(zhuǎn)軸位置及方向

圖3　機床模型樹

1.2機床模型結(jié)構(gòu)裝配

機床模型樹僅表示機床各部分之間的相對位置和相互運動關(guān)系，并不反應(yīng)機床的實際結(jié)構(gòu)形式，需要通過添加模型結(jié)構(gòu)才能體現(xiàn)。VERICUT機床模型結(jié)構(gòu)的建立有兩種方式。1) 利用VERICUT軟件自帶“添加模型”對話框繪制模型，此方法僅適合簡單結(jié)構(gòu)構(gòu)建；2) 利用較為常用的CAD軟件，如Pro/E、UG等來完成，通過數(shù)據(jù)接口保存成“IGES”、“STL”等格式，導入VERICUT模型樹中進行虛擬裝配。

VERICUT中的幾何模型主要用于虛擬機床的可視化和碰撞檢測，精度越高，結(jié)構(gòu)特征越接近真實物理模型，機床渲染和碰撞檢測的精度也越高。但同時也會導致模型所占計算資源增多，致使系統(tǒng)運行速度的下降。綜合考慮機床結(jié)構(gòu)特征、仿真精度和計算效率，對機床主要結(jié)構(gòu)(包括：機床基體、x軸、y軸、b軸、c軸和機床外形)進行合理簡化，并利用Pro/E軟件構(gòu)建各部分模型，轉(zhuǎn)換成“STL”格式文件，供仿真環(huán)境使用，見圖4，其余必需的簡易結(jié)構(gòu)通過VERICUT自帶功能創(chuàng)建。將建好的結(jié)構(gòu)模型導入VERICUT組件樹中，正確設(shè)置模型在組件中的位置。設(shè)置旋轉(zhuǎn)模型時應(yīng)注意，模型旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)設(shè)置在組件旋轉(zhuǎn)軸上。構(gòu)建好的機床模型如圖5所示。

圖4　機床各主要部分結(jié)構(gòu)圖

圖5　機床虛擬仿真模型

2機床模型參數(shù)設(shè)定

a) 運動軸方向及速度設(shè)定

該機床運動軸主要有x、y、z線性軸和b、c旋轉(zhuǎn)軸，方向及速度設(shè)定主要為對運動軸正方向和快速移動速度進行設(shè)置。首先利用VERICUT系統(tǒng)提供的“MDI”功能判斷當前機床模型運動正方向，若與實際相反，可通過“組件配置”功能進行“反向”設(shè)置，同時可以設(shè)置快速移動速度等。

b) 碰撞檢測設(shè)定

碰撞檢測為VERICUT機床運動仿真的重要功能，對加工過程的安全性進行仿真判斷，可以有效防止加工過程中撞刀等現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)DMU 70evo機床的運動鏈關(guān)系，將機床碰撞檢測進行分組，并設(shè)定最小安全距離為2.5 mm，見表1。根據(jù)表1組別分類及安全距離，通過VERICUT“機床設(shè)定”功能中的“碰撞檢測”選項，進行碰撞檢測設(shè)定。

表1　機床碰撞檢測分組　mm

c) 行程設(shè)定

行程設(shè)定主要用于限制機床的運動范圍，包括線性軸行程和旋轉(zhuǎn)軸行程，可以實現(xiàn)加工過程的超程判斷，確保工件與機床的匹配及工件在工作臺定位的合理性。表2為DMU 70evo機床各軸的運動行程，據(jù)此數(shù)據(jù)，通過VERICUT“機床設(shè)定”功能中的“行程極限”選項，進行行程極限設(shè)定。

表2　機床各軸運動行程

3控制系統(tǒng)定制

控制系統(tǒng)是虛擬數(shù)控機床模型的核心，負責將數(shù)控編碼轉(zhuǎn)化為各個軸的運動，從而驅(qū)動加工仿真運行，是仿真加工過程和實際加工過程一致的關(guān)鍵，控制系統(tǒng)定制就是在VERICUT軟件中建立數(shù)控編碼翻譯模塊。

DMU 70evo采用Heidehain530控制系統(tǒng)，根據(jù)實際機床控制系統(tǒng)指令代碼集及其功能對仿真模型控制系統(tǒng)進行定制，定制過程主要如圖6所示。圖7為斜面功能(PLANE)指令的定制過程。

圖6　控制系統(tǒng)定制流程

圖7　斜面功能(PLANE)指令的定制

4機床加工仿真環(huán)境實例驗證

完成DMU 70evo仿真環(huán)境研究構(gòu)建后，選擇某異型法蘭類零件(圖8)的加工仿真來驗證該模型的正確性。根據(jù)零件加工要素，編制NC代碼，并導入仿真組件樹中。同時，在組件樹中添加零件毛坯、建立仿真刀具庫和合理設(shè)置工件坐標系。通過對異型法蘭零件的數(shù)控加工仿真，獲得了良好的效果，驗證了構(gòu)建好的DMU 70evo模型的正確性，圖9為數(shù)控加工仿真過程。

圖8　某異型法蘭類零件

圖9　某異型法蘭類零件數(shù)控加工仿真過程

5結(jié)論

針對非正交結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動機床結(jié)構(gòu)復雜、加工準備時間長、程序驗證困難等問題，在總結(jié)VERICUT仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，以DMU 70evo機床為原型，定制VERICUT機床仿真環(huán)境，包括機床物理結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、運動關(guān)系的匹配、碰撞檢測和行程設(shè)定以及控制系統(tǒng)的配置。利用建立好的仿真環(huán)境，對某異型法蘭零件的數(shù)控加工進行仿真，驗證了仿真環(huán)境的正確性和有效性。

參考文獻:

[1] 熊永超, 陶勇. 國產(chǎn)數(shù)控機床現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 煤礦機械, 2006, (3): 361-362.

[2] 郭宏偉, 蔡安江, 趙娜, 等. 基于VERICUT的多軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真[J]. 機床與液壓, 2011,(17): 113-115.

[3] 胡寧國. VERICUT仿真加工軟件對制造業(yè)的重要作用[J]. 航空制造技術(shù), 2004, (2): 100.

[4] 魏林. 基于VERICUT的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究[D]. 沈陽：沈陽理工大學, 2008.

[5] 徐剛. 基于VERICUT的多軸機床加工仿真研究[J]. 制造技術(shù)與機床, 2011, (2): 33-36.

Research on Non Orthogonal 5-axis Machining Simulation Based on VERICUT

YAN Shi-xiao, JIAN Yue, SONG Jian, MU Ying-juan

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

Abstract:Due to the complex structure of non orthogonal 5-axis, long time ready for machining, difficult program verification and collision occurring easily, the non orthogonal 5-axis machining simulation is researched on. This paper tries to construct the simulation environment, which contains the simulation machine just as the machine of DMU 70evo and the simulation control system with the software of VERICUT. Then the simulation environment is used for simulating the machining process of a special-shaped flange. The result shows that the environment is precise and reliable, which is used to check the accuracy of the NC program and improve the accuracy, safety and efficiency of CNC manufacturing.

Keywords:non orthogonal; 5-axis machine; simulation environment; simulation machine; simulation control system

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51205062)；福建省自然科學基金(2011J01299)

收稿日期：2014-11-28

中圖分類號：TG659; TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0131-03

作者簡介：顏士肖(1988-)，男，碩士研究生，主要從事數(shù)控加工技術(shù)研究，包括數(shù)控加工工藝、數(shù)控仿真和優(yōu)化等。