虛擬仿真數控加工論文

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1虛擬仿真數控加工系統中的機床建模

機床建模是虛擬仿真加工系統的關鍵模型，是實際機床在虛擬仿真加工系統中的數字化模型，包括幾何模型和運動模型。幾何模型是在CAD系統中建立的，首先根據實測得到的機床部件尺寸，建立相應的模型，然后再根據相互關系進行“裝配”，形成機床的幾何模型。虛擬仿真加工系統中，通過改變機床幾何模型各運動零部件的相對位置來模擬加工中虛擬機床的切削運動。運動模型是處理機床幾何模型在數控程序控制下如何改變各運動零部件模型相對位置的模型，與機床的結構緊密相關。以DMU125P五軸加工中心為例，在運動模型建立過程中，機床各部件都視為剛體，這樣機床的結構可抽象為一個運動鏈模型。在運動鏈各組成環節的剛體上固接坐標系，通過坐標變換，可以分析整個運動鏈的運動形式，建立運動鏈的依賴關系，即運動鏈的拓撲結構關系，如圖3所示。

2虛擬仿真數控加工功能的實現

a)系統框架的建立

在虛擬仿真加工開始之前，針對工藝信息，選擇相應的虛擬機床、虛擬刀具、虛擬夾具、工件模型組成虛擬仿真加工系統。在虛擬仿真加工中，虛擬機床在數控指令的驅動下帶動虛擬刀具、虛擬夾具、工件模型等模擬切削過程，實現對數控程序的正確性和可靠性的驗證，其系統框架如圖4所示。虛擬仿真加工系統主要包括數控程序檢查、數控程序翻譯、運動仿真、刀具軌跡檢查、碰撞檢測等模塊。

b)程序檢查模塊

數控程序檢查模塊包括詞法、語法檢查，主要檢查程序中是否有數控指令集外的非法字符、數控指令的參數是否有效、語法上是否合乎邏輯等。

c)程序翻譯模塊

數控程序翻譯模塊以機床的數控程序規范為基礎，用以提取G指令、M指令、坐標、進給速度、主軸轉速、換刀、循環定義等信息，轉換為仿真數控代碼。這樣在虛擬仿真加工中，才能控制虛擬仿真加工系統的運動仿真和狀態設置，為運動仿真模塊提供必要的信息。

d)運動仿真模塊

該模塊是虛擬仿真加工系統最關鍵的一個模塊，決定了后續的刀具軌跡檢查、碰撞檢查結果的正確性。在該模塊中，首先根據機床的運動模型，建立虛擬仿真加工系統各運動組件(包括虛擬機床各運動零部件、虛擬刀具、虛擬夾具和工件模型)的運動模型(即變換矩陣);然后根據翻譯模塊所提供的坐標值計算各運動組件的變換矩陣并應用以改變各運動組件的位置，從而可以模擬虛擬仿真加工系統的運動，具體步驟如圖5所示。

e)刀具軌跡檢查模塊

該模塊主要用于刀軸矢量的檢查，以避免刀軸的劇烈變化。大多數的CAM系統都提供了加工仿真和刀位軌跡(刀具軌跡數據包括刀位數據和刀軸矢量)仿真檢查功能。但對多坐標加工而言，加工仿真和僅顯示刀位軌跡是遠遠不能滿足要求的。在虛擬仿真加工系統運動模擬的過程中，該模塊在顯示刀位軌跡的同時，也顯示刀軸矢量，這樣可以準確地檢查刀具相對于工件位置及刀軸的變化。

f)碰撞檢測模塊

對五坐標加工而言，刀具相對于工件的運動軌跡很復雜，難以預測，通常需要進行仿真檢驗數控程序中可能出現的碰撞干涉。大多數CAM系統提供的加工仿真功能僅考慮刀具與工件、夾具間的碰撞檢查，而不能檢查可能出現的刀具與工作臺間、主軸與工件、夾具間的碰撞。在該模塊中，根據經運動仿真模塊處理后的各運動零部件的相對位置，全面檢查可能出現的碰撞。

3應用實例

DECKELMAHO公司的DMU125P機床是五軸五聯動加工中心，具有立臥轉換功能。在立式狀態下，其結構形式如，a軸為工作臺擺動，c軸為工作臺轉動。在臥式狀態下，主軸繞b軸旋轉90°，其他狀態與立式結構相同。在該機床上進行五軸五聯動的加工時，刀具相對于工件的空間運動軌跡復雜，加工前必須進行虛擬仿真加工。本文以VERICUT軟件為平臺，構建了DMU125P加工中心的虛擬仿真加工系統，用來檢驗數控加工程序、刀具軌跡與潛在的碰撞危險。在構建125P加工仿真環境時，首先根據運動鏈關系建立機床拓撲結構關系;然后建立機床的數字模型;最后根據工件、刀具、夾具和機床的數字模型構建虛擬仿真加工環境。

4結語

隨著虛擬仿真技術研究的深入，該技術已不僅僅用于檢驗數控程序的可靠性，也用于數控程序的優化。基于CAD/CAM軟件平臺，利用二次開發接口(API)開發數控加工的優化系統具有一定的可行性。通過建立典型零件和刀具的優化參數知識庫，數控加工程序的優化技術將得到越來越廣泛地應用，可以顯著提高數控加工的效率，對于制造企業具有明顯的經濟實用價值。

作者:宋健顏士肖單位:上海航天精密機械研究所