周云曦

ZHOU Yun-xi

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

0 引言

先進(jìn)的五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心在復(fù)雜零部件的生產(chǎn)制造方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)和重要現(xiàn)實(shí)意義。UG軟件是SIEMENS公司開(kāi)發(fā)的一款CAD/CAM/CAE集成軟件。該軟件的切削加工集成仿真和驗(yàn)證功能（IS&V）可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床虛擬加工零件的整個(gè)過(guò)程（如圖1所示）。

圖1 CAM控制處理關(guān)系

IS&V可以虛擬仿真機(jī)床控制器功能，包括循環(huán)指令、宏程序調(diào)用、子程序調(diào)用；同時(shí)可以檢測(cè)機(jī)床部件、夾具、刀具、零件之間的碰撞。技術(shù)人員通過(guò)運(yùn)用IS&V功能可以避免花費(fèi)昂貴和耗時(shí)的空運(yùn)行檢查，從而降低成本，減少操作者干涉；通過(guò)減少碰撞降低機(jī)床、夾具和工件損壞風(fēng)險(xiǎn)；最終提升企業(yè)的生產(chǎn)效能。本文運(yùn)用UG軟件進(jìn)行TOM1060型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的虛擬機(jī)床及后置處理開(kāi)發(fā)。

1 構(gòu)建虛擬機(jī)床模型

TOM1060型五軸加工中心配備SIEMENS840D sl數(shù)控系統(tǒng)，采用雙轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)。各運(yùn)動(dòng)軸行程XYZ1000mmX600mmX500mm，A軸±110℃，C軸±180℃。

在使用UG軟件進(jìn)行IS&V時(shí)，首先需要運(yùn)用UG建模功能按照床身本體（machine_base）、Z軸部件（Z_slide）、X軸部件（X_slide）、Y軸部件（Y_slide）、A軸部件（A_table）和C軸部件（C_table）的分類，創(chuàng)建模型數(shù)據(jù)；其次運(yùn)用裝配功能將各部件裝配成完整的機(jī)床模型數(shù)據(jù)，各裝配體之間建立約束關(guān)系，限制自由度；最后將XYZAC各軸部件設(shè)定與真實(shí)機(jī)床相一致的初始位置，從而完成虛擬機(jī)床模型的構(gòu)建。

2 創(chuàng)建虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型

虛擬機(jī)床模型構(gòu)建完成后，需要對(duì)其定義運(yùn)動(dòng)模型（Kinematics Model）。運(yùn)動(dòng)模型定義裝配零部件之間的關(guān)系，以及軸的名稱、方向、行程和聯(lián)結(jié)點(diǎn)。仿真過(guò)程將利用運(yùn)動(dòng)模型和機(jī)床驅(qū)動(dòng)器提供的信息使機(jī)床運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸加工中心的運(yùn)動(dòng)模型創(chuàng)建，需要按照右手笛卡爾法則設(shè)定主軸方向T、第四軸矢量P、第五軸矢量S、第四軸聯(lián)結(jié)點(diǎn)CP、第五軸聯(lián)結(jié)點(diǎn)CS、機(jī)床坐標(biāo)系M（圖），同時(shí)為虛擬機(jī)床控制器（VNC）配置MOM變量名（如圖2、表1所示）。

圖2 虛擬機(jī)床坐標(biāo)關(guān)系

表1 配置MOM變量名

運(yùn)用UG軟件機(jī)床構(gòu)建器功能（MTB）為機(jī)床定義運(yùn)動(dòng)模型。MTB通過(guò)運(yùn)動(dòng)樹(shù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)模型。這個(gè)運(yùn)動(dòng)樹(shù)包含運(yùn)動(dòng)部件和其對(duì)應(yīng)關(guān)系。運(yùn)動(dòng)部件是機(jī)床的物理模型。當(dāng)父部件運(yùn)動(dòng)，其下屬子部件也跟隨運(yùn)動(dòng)，關(guān)系如圖3所示。

圖3 虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型關(guān)系

3 創(chuàng)建虛擬機(jī)床驅(qū)動(dòng)器（后置開(kāi)發(fā)）

機(jī)床驅(qū)動(dòng)器（MTD）創(chuàng)建模仿CNC控制器的CNC程序。CNC控制器模仿器（或虛擬NC控制器）是一個(gè)可編程的界面，可以按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)設(shè)定機(jī)床模型以及設(shè)定這些運(yùn)動(dòng)如何顯示。機(jī)床仿真過(guò)程中的所有運(yùn)動(dòng)和反饋都由MTD控制。

相比較而言，MTD類似于機(jī)床仿真器，而CNC控制器就類似它控制的機(jī)床。對(duì)機(jī)床庫(kù)中的每臺(tái)機(jī)床都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的MTD驅(qū)動(dòng)器（NX標(biāo)準(zhǔn)安裝帶有12臺(tái)普通的MTD）。若要?jiǎng)?chuàng)建一臺(tái)新的機(jī)床，可以修改現(xiàn)有的MTD以符合新機(jī)床的特點(diǎn)。

TOM1060型五軸加工中心在完成虛擬機(jī)床模型和運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)后，虛擬機(jī)床類似于真實(shí)的數(shù)控機(jī)床還要有CNC控制器來(lái)控制各類運(yùn)動(dòng)。在UG軟件中的機(jī)床驅(qū)動(dòng)器（MTD）功能可以創(chuàng)建模仿CNC控制器的CNC程序。MTD通過(guò)如圖所示，完成虛擬控制的工作流程。MTD是由TCL腳本語(yǔ)言編寫的，但是也可以使用高級(jí)的語(yǔ)言如C++來(lái)開(kāi)發(fā)。MTD可以模仿特定的循環(huán)、用戶自定義的事件、宏和其他和CNC控制器有關(guān)而加工環(huán)境（Manufacturing Application）不支持的功能。

TOM1060型五軸加工中心MTD使用UG/POST BUILDER 創(chuàng)建（如圖4 所示），在虛擬NC控制（Virtual N/C Controller）選項(xiàng)中勾選創(chuàng)建虛擬N/C控制（Generate Virtual N/C Controller），在VNC Commands中創(chuàng)建控制命令（如圖5所示）。

圖4 后置處理創(chuàng)建

圖5 虛擬N/C控制創(chuàng)建

UG軟件中對(duì)于虛擬加工使用的ISO代碼提供了仿真模擬的標(biāo)準(zhǔn)文件PB_CMD_VNC*.TCL。使用者只需要從Export中導(dǎo)入使用標(biāo)準(zhǔn)的ISO代碼即可。但是TOM1060型加工中心所配備SIEMENS840D系統(tǒng)具有刀具跟隨點(diǎn)加工功能（TPCP），因此需要針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能和五軸定向加工功能設(shè)計(jì)模擬代碼。五軸加工模式轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖6所示。根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)用TCL編程語(yǔ)言，根據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)采用判斷語(yǔ)言指令編寫控制代碼（如圖7所示）。

4 測(cè)試虛擬機(jī)床仿真加工

圖6 五軸加工模式轉(zhuǎn)換關(guān)系

圖7 轉(zhuǎn)換關(guān)系控制編程語(yǔ)句

IS&V機(jī)床設(shè)計(jì)完成后，選擇Φ80mm銑刀盤零件（如圖8所示），對(duì)其測(cè)試仿真加工。零件具有五軸定向加工面、五軸聯(lián)動(dòng)加工面、A軸>90°擺動(dòng)面特征，使用該零件測(cè)試，可以測(cè)試坐標(biāo)軸行程超程（如圖9所示）、機(jī)床幾何體碰撞、五軸定向加工退刀、五軸聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換角度干涉等方面在真實(shí)加工才能遇到的嚴(yán)重問(wèn)題，有效保障生產(chǎn)加工安全，提升生產(chǎn)效率。

銑刀盤使用聯(lián)結(jié)功能定位在需要測(cè)試的虛擬機(jī)床上，打開(kāi)“機(jī)床仿真”功能，首先設(shè)定“顯示3D材料移除”和“碰撞檢測(cè)”組件；然后在“可視化動(dòng)畫”中，選擇機(jī)床代碼仿真；最后點(diǎn)選“播放”功能，虛擬加工仿真動(dòng)畫自動(dòng)進(jìn)行直至結(jié)束。通過(guò)測(cè)試得到如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

圖8 Φ80mm銑刀盤

圖9 仿真加工模擬圖例

5 結(jié)束語(yǔ)

基于UG的集成仿真和驗(yàn)證（IS&V）技術(shù)可以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出各類五軸聯(lián)動(dòng)加工虛擬機(jī)床和車銑復(fù)合加工虛擬機(jī)床。使用與真實(shí)機(jī)床一致的虛擬機(jī)床，形象直觀地模擬數(shù)控加工的全過(guò)程，進(jìn)行數(shù)控程序的檢驗(yàn)，分析零件的可加工性和工序的合理性，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文論述了配備SIEMENS840D系統(tǒng)雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸加工中心虛擬機(jī)床開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以為雙擺頭型和單擺單轉(zhuǎn)型五軸加工中心虛擬機(jī)床開(kāi)發(fā)提供借鑒和參考。

[1]唐清春,劉謙,馬仲亮,張健.VERICUT仿真軟件在五軸聯(lián)動(dòng)加工中的應(yīng)用研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(9).

[2]張立強(qiáng),王宇晗.虛擬五軸側(cè)銑加工過(guò)程建模與仿真分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2011(4).

[3]楊曉京,傅中裕,劉劍雄.基于UG IS&V的數(shù)控機(jī)床加工仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(07).