基于約束尺寸混合驅動的虛擬數控機床技術研究

黃敏高

摘 要： 在數字虛擬機床模型的基礎上，提出了一種遵循機床部件運行主從關系及約束關系的新型機床設計方法。此種機床采用矩陣組建數字化處理技術對機床主從部件的工作位次進行矩陣變換，按照最佳循環驅動組件進入工作狀態。此外，在機床加工制造過程中，引入了最新的WAVE切割技術，實現刀具和各機床部件之間的無縫鏈接，同時實現精密切割工作，減少工件材料損耗。此外，還內置了完整的數字化機床控制系統，管理整體葉輪工件和葉片電解加工流程，實現高精尖的五坐標定點數控加工模型。模擬、預設完整加工流程，從而實現高度的工作自檢和自動化編程系統，大幅提升現有的機床工作效率和自動化程度，且降低流程出錯率和加工次品率。

關鍵詞： 虛擬數控機床； 約束與尺寸混合驅動； 模型裝配； 流程管理

中圖分類號： TN915.5?34； TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0155?03

Abstract： A new machine tool design method following master?slave relation and constraint relation of machine tool assembly is proposed. The matrix form digitization processing technology is used in the machine tool to perform the matrix transformation for the working precedence of the machine tool′s master?slave assemblies， and drive the assemblies into the working state in accordance with the best cycle. In the process of machine tool manufacturing， the WAVE cutting technology is introduced to realize the seamless linking between the cutter and each assembly of machine tool， and precision cutting， so as to reduce the loss of workpiece material. The whole digital control machine tool system is built in to manage the integral impeller workpiece and impeller electrolytic machining process， and realize the numerical control （NC） machining model with five?coordinate fixed points. The whole process flow is simulated and preset to realize the high?efficient work self?checking and automatic processing programming system， improve the working efficiency and automation degree of machine tool greatly， and reduce the flow error rate and process defective rate.

Keywords： virtual NC machine tool； hybrid drive； model assembly； process management

0 引 言

現今，虛擬機床技術是最新式數字化制造方式的核心內容，更是決定產業加工效率和質量的重要技術[1]。其所具備的虛擬加工和流程預估系統，能全方位地仿真工件加工環境，真實評估機床加工流程對工件質量的參數影響，從而更好地進行工程修正，達到精加工的技術要求。此外，數字化虛擬機床還開辟出一塊全新的研究領域，其能夠實現在虛擬仿真過程中，動態監控產品的運動軌跡和機床進行的各類切、削。鑿、銑工藝流程，可詳細掌握影響工件表面參數、體積參數、比例參數、材料參數等工件性能相關加工步驟，從而實現客觀功能的完整描述，同時大幅提升機床綜合性能。由此本文根據工程實踐需求，設計開發出一套符合尺寸驅動和約束條件的虛擬數控機床模型，并對其加工編程、模擬、驗證、檢查與精度檢驗步驟進行細致討論[2]。

1 虛擬數控機床模型組建

本文所研究的虛擬機床采用通用裝配模型，由刀具庫、控制臺、夾具庫和虛擬機床主控系統組成。各模塊協同完成機床加工狀態模擬、運動規律檢驗等功能，再輔助工件切削、塑形的刀具庫和固定夾具，實現加工的虛擬化仿真[3]。具體關系如圖1所示。

此外，機床與工件間的設計交互通過專門的人機接口，即數據輸入、分析，加工模擬的主控界面來實現。其中，虛擬邏輯控制器主管整個系統運行，CNC作為工程數控系統計算工件加工機床的運動軌跡和位移參量[4]。工件模型細節處理及表面數據提取則交由具體的各分支工藝提取模塊實現數據采集，再交由中控系統傳遞給控制界面進行人工操作與修正。

2 數控機床部件裝配實現

2.1 模型零部件裝配拓撲結構分析

拓撲結構能直觀地反映出裝配部件之間的位置關系和功能組合，因此在機床模型裝配實現過程中拓撲分析必不可少。通常，虛擬數控機床由中心主軸驅動系統、工件加工及處理工作臺、流水作業線等部分組成，這也是構建相應裝配拓撲模型的主要骨架。此外，為了簡化模型結構，增強執行效率和可讀性，常省略次要鏈接類、支撐類部件。圖2中采用樹形拓撲結構，詳細繪制了數控機床的各部件裝配組合與位置關系，記錄并區別裝配模型的數據庫對象，便于系統后續的查詢校驗及精確控制。endprint

2.2 裝配部件約束關系討論

在實機裝配過程中，各部件之間的關系依靠定位元件實現關聯約束。同樣在部件裝配拓撲圖中，各模型部件間的運動關系也依靠運動中軸來進行相對定位，隨后建立起約束關系。圖2的數控機床中，y，x，c，z之間的運動和約束關系就由相對運動次序和功能組合來實現精確裝配[5]。y軸滑臺跟隨x軸滑臺運動，而c軸回轉工作臺又跟隨y軸滑臺運動，則以x軸中心孔對齊，依次關聯y，c軸部件，以實現機床部件協同作業。

2.3 部件裝配數據模型構建

為了完美實現數控機床裝配部件的聯動性和功能性，需要預先構建出基于實際裝配數據的虛擬裝配幾何模型。通過該模型將詳細部件參數加載輸入并進行模擬運行，測試出設計部件性能和機床位置矩陣變換關系，從而為后續的參數修正與機床調試環節節省大量的人力、物力[6]。

建立的虛擬裝配數據模型結構與算法程序如下：

Typedef struct MC Assembly

{

MC Component* head comp；

MC Movement* move；

}

Typedef struct MC Component

{

int instance tag；

int occurence tag；

charworkpiece name[130]；

charinstance name[80]；

Pos Matrixini pos；

double origin[3]；

double csys matrix[9]；

structMC Component* children；

structMC Component* next；

structMC Component* parent；

…

}MC Component；

3 尺寸驅動與運動軌跡

3.1 部件運動位置狀態參數

裝配部件的主要運動狀態包含位移和旋轉兩類。因此，各部件相對位置關系及部件運動狀態參數是建立數學模型的首要任務。對此，常采用部件裝配位置坐標系Oxyz和部件自身參數坐標系Owxcyczc雙坐標系對照參考，確定精確的部件運動狀態。具體示例如圖3所示，通過兩個坐標系的配合，可完整描述大部分部件的移動、轉動變化情況[7]。

基于上述空間坐標系，可以進一步將幾何狀態數據轉化為抽象的位置矩陣表示，便于后續的參數計算與修正。位置矩陣如下：

3.2 運動變換

根據上述部件雙坐標系的建立和數學矩陣模型函數，可實現對各動軸部件的移動或旋轉進行運動變換[8]。此外，為了配合實際工件的直線位移量和旋轉角度系數，設定6變量參數矩陣如下：

3.3 動軸驅動實現

虛擬數控機床中動軸采用尺寸驅動實現，因此需要CNC虛擬系統完成前期的加工軌跡計算和數據輸入，通過對各動軸的輸入脈沖數分析與定位分配，實現數字信號的編碼解析[9]。再通過傳動電機對機床工作臺、運動主軸進行定向驅動，配合傳感器的實時反饋來實現位移控制。動軸驅動實現過程如圖4所示。

4 加工模擬

加工模擬是在單純的工件運動和刀具操作運行的基礎之上，真實還原出所加工工件的表面參數及詳細尺寸參數[10?11]。由于刀具是在運動過程中通過做連續切割運動，剔除產生的加工余料從而形成切割表面，因而還需要實時測試刀具加工對工件表面參數的影響。詳細加工模擬過程如圖5所示。

通常在虛擬UG裝配空間中，模型間的邏輯運算僅能進行一次，而真實加工狀態遠比單次運算所能模擬的加工環境要更為復雜。因此，加工模擬要進行多次相交運算才能更加貼近真實表面情況[12]。本系統采用WAVE技術進行標識、相交運算、矩陣變換、實體鏈接來確定返回值和二次開發函數，通過循環運算以實現加工狀態的高度貼合，為虛擬數控機床技術的應用實踐奠定堅實的基礎。

5 結 語

本文建立了基于尺寸混合和約束狀態下的數控虛擬機床模型，從機床組成的機械部件、主控系統、數據傳輸、人機鏈接等模塊分析了機床加工、運動過程。采用WAVE技術建立專有空間模型，通過對象間的鏈接、復制、相交、轉置等運算，實現了動軸驅動和動態加工模擬，并能真實模擬加工環境。該設計模型具有高度的實踐運用效能和直觀、簡便的操作優勢，可大幅提高工作效率、簡化工作流程，對于虛擬機床技術改良、優化具有積極的指導意義。

參考文獻

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