Mikron HSM 400U的多軸加工仿真研究＊

談昌順，洪建明

1.深圳市龍崗職業技術學校（廣東深圳 518172）2.深圳職業技術學院（廣東深圳 518000）

1 引言

常見的3軸數控加工是機床控制刀具在X軸、Y軸、Z軸的三坐標移動來完成零件加工。多軸數控機床中的5軸機床在原有基礎上增加了兩個旋轉軸，使得刀具可以實現任意的空間方位和位置，減少零件的裝夾次數，從而提高數控加工的精度和效率[1]。但獲取多自由度的同時，5軸數控加工也讓刀具在空間內的運動更加復雜，增加了刀具與機床部件以及工裝夾具之間發生碰撞干涉的可能[2]。由于工作人員考慮不周、操作不當容易造成刀具、夾具和機床部件的損壞。更有甚者，引發機床的嚴重碰撞而造成巨大的經濟損失，產生安全事故[3]。本文針對Mikron HSM 400U 5軸數控機床的結構特點，根據機床實際尺寸建立了三維模型[4]，提煉出了該數控機床的兩條運動鏈。分析了機床模型之間的裝配矩陣，確定了各部件之間的位置關系、聯接關系和運動關系。詳細論述了在VERICUT平臺中裝配數控機床部件，通過數控加工仿真技術驗證數控程序、加工工藝的正確性[5]。本文的研究對于如何將VERICUT與特定機床型號的多軸機床相結合，進行多軸數控仿真、驗證具有實際意義。

2 多軸數控機床加工仿真

2.1 數控機床部件建模

本文中多軸加工仿真平臺的構建是以Mikron HSM 400U數控機床（見圖1）為原型展開的研究，該機床為瑞士GF阿奇夏米爾公司生產的高端5軸聯動數控機床。

通過對Mikron HSM400U型數控機床的組成結構進行分析，可以將該5軸機床的各個部件逐一進行分解。其中X軸為導軌左右運動的線性軸、B軸為工作臺繞Y軸擺動的旋轉軸、C軸為工作臺繞Z軸回旋的旋轉軸、Y軸為導軌前后運動的線性軸、Z軸為帶動主軸上下運動的線性軸。工程師完成對機床部件的測繪以后，需要根據實際尺寸在CAD軟件中進行機床部件繪圖，建立機床各部件的三維立體模型，然后通過格式轉換器將默認的數據文件轉換成為STL數據格式，如表1所示。

圖1 Mikron HSM 400U數控機床

表1 機床部件模型對照表

2.2 虛擬裝配中的數學分析

在CAD軟件中完成數控機床各部件仿真建模以后，就需要確定機床各部件之間的裝配關系。仿真機床的基本裝配關系包括幾何關系和運動關系。

幾何關系描述機床各部件模型之間的空間幾何信息，包含了對齊、偏置、接觸、配合等[6]。運動關系包括相對運動關系和傳動關系。5軸數控機床中的相對運動關系主要有直線運動和旋轉運動；而整臺機床的裝配傳動則有鏈傳動、齒輪傳動、螺紋傳動等。在空間內虛擬裝配機床模型時，需要抽象出機床各個部件之間的裝配關系，根據相應的從屬關系的逐步裝配機床部件[7]。本文針對Mikron HSM 400U 5軸數控機床的裝配關系展開分析。

在裝配過程中，機床每個部件的位置和姿態可以通過一個矩陣S來表達為：S=TmRxRyRz。其中Tm指模型在空間內的平移變換，其矩陣表達式為：

Rx指模型繞坐標軸旋轉了α角，其矩陣表達式為：

Ry指模型繞坐標軸旋轉了β角，其矩陣表達式為：

Rz指模型繞坐標軸旋轉了θ角，其矩陣表達式為：

2.3 Mikron HSM400U數控機床的結構分析

對于一臺數控機床而言，各部件的關系并不是相互獨立的，它們之間按照一定的裝配關系構成聯系。通過對Mikron HSM400U型5軸聯動數控機床結構簡化分析可知，它的移動軸有X軸、Y軸、Z軸，旋轉軸有B軸、C軸。

機床各軸與機床本體、機床主軸、加工刀具以及工裝夾具共同形成了兩條運動鏈，分別為工件運動鏈：Base（機床本體）→X軸→B軸→C軸→Attach（附屬）→Fixture（夾具）→Stock（毛坯）；刀具運動鏈：Base（機床本體）→Y軸→Z軸→Spindle（主軸）→Tool（刀具）。在運動鏈中的各個部件均依附于上一級部件，形成了“父”與“子”的依附關系，其中“子”一級部件的狀態和位置的變化受到“父”一級部件的影響。

2.4 Mikron HSM400U數控機床的虛擬裝配

在VERICUT數控仿真平臺中要進行5軸數控加工仿真，最為關鍵的環節是建立虛擬5軸數控機床，可以在數控庫中選擇與實際數控機床所對應的控制系統“hei530.ctl”。Mikron HSM400U5軸數控機床的旋轉軸B軸依附于線性軸X軸，B軸狀態和位置變化會隨著X軸的移動而發生變化。此時需要特別注意在VERICUT項目樹中準確選擇節點X（0,0,0）所在的位置，進行“添加”→“B旋轉”的操作，如圖2所示。然后在節點B（0,0,0）選擇“添加模型”→“模型文件”，選擇在表1）中格式轉換的文件“B.stl”，在“配置模型”窗口更改該部件的“顏色”為“15：Blue”完成B軸裝配，如圖3所示。

圖2 B軸結構樹

圖3 B軸模型裝配

旋轉軸C軸依附于旋轉軸B軸，C軸狀態和位置變化會隨著B軸的旋轉而發生變化。在VERICUT項目樹中選擇節點B（0,0,0）所在的位置，進行“添加”→“C旋轉”的操作，如圖4所示。然后在節點C（0,0,0）選擇“添加模型”→“模型文件”，選擇在表1中格式轉換的文件“C.stl”，在“配置模型”窗口更改該部件的“顏色”為“16：Dark Goldenrod”進行C軸模型裝配，如圖5所示。

圖4 C軸結構樹

圖5 C軸模型裝配

根據工件Mikron HSM400U數控機床的工件運動鏈、刀具運動鏈，設定主軸等各個部件之間的裝配關系（見圖6）后可建立與真實機床相對應的多軸加工仿真平臺，如圖7所示。

圖6 主軸結構樹

圖7 多軸加工仿真平臺

2.5 多軸加工仿真驗證

經過Mikron HSM400U多軸加工仿真平臺優化的數控程序能夠通過RS232端口由個人計算機發送至數控機床的內存中，該機床搭載的Heidenhain iTNC530控制系統讀取程序代碼之后，驅動機床各組件進行5軸聯動數控加工，依次完成葉輪的輪轂、葉片以及傾斜平面的加工。通過調入數控NC程序進行虛擬仿真加工，有效地保障了5軸數控加工刀具軌跡的安全性和正確性，成功避免了機床各個部件、加工刀具以及工裝夾具之間的碰撞干涉，使得仿真加工（見圖8）與多軸數控加工（見圖9）具有良好的一致性。

圖8 仿真加工

圖9 多軸數控加工

3 結語

加工仿真是虛擬制造技術的關鍵部分，仿真機床具備了現實加工系統中的全部屬性和功能，可以用于仿真和檢測數控加工過程中各種因素的影響。建立仿真機床需要將機床本體和各個部件的尺寸進行測繪并建立三維模型，然后按照真實機床坐標系中各線性軸、旋轉軸的邏輯關系和運動關系進行機床的虛擬裝配。Mikron HSM 400U多軸加工仿真平臺能真實再現機床的運動軌跡，并且在模擬NC程序所表達的刀具加工路徑，檢測數控加工過程中可能出現的碰撞干涉，為生產加工提供了安全保障。