基于T-FLEX 3D CAD系統(tǒng)的數(shù)控程序檢驗(yàn)方案*

莊朱協(xié) 高偉強(qiáng)

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

五軸數(shù)控加工程序的檢驗(yàn)是五軸數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，加工過(guò)程中極易出現(xiàn)干涉、碰撞等現(xiàn)象。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床造價(jià)昂貴，一旦損壞功能部件將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，沒(méi)有經(jīng)過(guò)反復(fù)檢驗(yàn)的數(shù)控程序一般不能用于加工。五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)有96種［1］，不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床，數(shù)控程序互不相同。因此，數(shù)控程序的檢驗(yàn)難度較大。

試切法是最典型的數(shù)控程序檢驗(yàn)方法，該方法的缺點(diǎn)是無(wú)法保證不碰刀而且檢驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。筆者用石蠟試切(精加工葉輪的一個(gè)流道，大約需要6 h，而準(zhǔn)備石蠟毛坯和粗加工流道(分2層)等需要20 h。顯然，試切法無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)效率的要求。

數(shù)控程序檢驗(yàn)的目的在于：①檢驗(yàn)刀具路徑及刀位文件是否正確；①檢驗(yàn)加工過(guò)程中是否發(fā)生干涉、碰撞等現(xiàn)象。以此為目標(biāo)，Pro/ENGINEER［2］、Unigraphics NX［3］、Cimatron［4］等大型商業(yè)化軟件都提供功能強(qiáng)大的數(shù)控加工仿真模塊，但它們只能對(duì)刀位文件進(jìn)行仿真。VERICUT軟件能同時(shí)進(jìn)行刀位文件和機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真，仿真程度極高［5］。但該軟件價(jià)格昂貴，市場(chǎng)覆蓋率低。

綜上所述，隨著五軸數(shù)控加工技術(shù)開(kāi)始走向大眾化，探討一種直接檢驗(yàn)數(shù)控程序的快速有效的方案勢(shì)在必行。因此，本文提出了基于參數(shù)化CAD系統(tǒng)的仿真方案。

1 基于參數(shù)化CAD系統(tǒng)的仿真方案

利用現(xiàn)有的商業(yè)化CAD系統(tǒng)，可以建立描述加工過(guò)程的五軸數(shù)控加工工藝系統(tǒng)(含刀具-機(jī)床-工件等)三維約束模型。逐行提取數(shù)控程序中的加工參數(shù)，通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)三維模型連續(xù)變化，可觀察、檢驗(yàn)數(shù)控加工過(guò)程中是否發(fā)生干涉、碰撞等現(xiàn)象，并生成三維動(dòng)畫文件。

但普通CAD系統(tǒng)不提供數(shù)控程序的識(shí)別和參數(shù)提取功能。為此本文提出如下方案：利用T-FLEX 3D CAD系統(tǒng)，針對(duì)具體五軸數(shù)控加工工藝系統(tǒng)建立具有參數(shù)約束的三維模型。開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)語(yǔ)法編輯功能：讀取數(shù)控程序并進(jìn)行語(yǔ)法診斷、識(shí)別。如果檢驗(yàn)出錯(cuò)，可對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行編輯。

(2)接口程序功能：利用OLE自動(dòng)機(jī)制建立與T-FLEX CAD系統(tǒng)的嵌入連接，使T-FLEX CAD系統(tǒng)中的三維模型變成OLE控制對(duì)象，并與軟件系統(tǒng)中的數(shù)控程序連接。逐行提取數(shù)控程序中的五軸坐標(biāo)，通過(guò)Active X函數(shù)將五軸坐標(biāo)傳送給T-FLEX CAD系統(tǒng)中描述三維模型的參數(shù)，由參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型連續(xù)變化，從而動(dòng)態(tài)仿真加工過(guò)程并產(chǎn)生動(dòng)畫文件，進(jìn)而快速有效地檢驗(yàn)數(shù)控程序。接口程序有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、Active X自動(dòng)機(jī)制兩種實(shí)現(xiàn)方式(下文詳述)。系統(tǒng)流程圖如圖1所示，數(shù)控程序預(yù)處理流程圖如圖2所示。

該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：①不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，只需要建立仿真模型和設(shè)計(jì)接口程序；①通過(guò)采用時(shí)間分割法的插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)精確的仿真；③由于該方案在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，因此可靠、穩(wěn)定、成本低。

2 方案實(shí)現(xiàn)

基于T-FLEX CAD系統(tǒng)的仿真方案分三步實(shí)現(xiàn)：第一步，建立仿真模型；第二步，編程實(shí)現(xiàn)接口程序；第三步，動(dòng)態(tài)仿真。

2.1 建立仿真模型

為仿真機(jī)床運(yùn)動(dòng)，加工工藝系統(tǒng)除了必須包含工件、刀具、機(jī)床模型外，更重要的是通過(guò)裝配約束嚴(yán)格定義機(jī)床結(jié)構(gòu)和五個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。

五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)有雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、雙擺動(dòng)主軸、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)加擺動(dòng)主軸三種形式，對(duì)應(yīng)的三種幾何模型如圖3、4、5 所示。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］的研究結(jié)果，帶動(dòng)工件直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)記為X、Y、Z，帶動(dòng)主軸直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)記為X'、Y'、Z'，A、B、C 同理，則在樣本空間(X、Y、Z 、A、B、C、X'、Y'、Z'、A'、B'、C')中，如圖 3 所示的機(jī)架、主動(dòng)軸回轉(zhuǎn)臺(tái)、依賴軸回轉(zhuǎn)臺(tái)、刀具系統(tǒng)，可裝配出24種機(jī)床結(jié)構(gòu)形式。圖3a、b分別列出其中的兩種形式。

本方案根據(jù)機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，通過(guò)裝配約束嚴(yán)格定義該系統(tǒng)的五個(gè)自由度如下：機(jī)架實(shí)現(xiàn)X、Y軸的直線運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)裝配在機(jī)架上，實(shí)現(xiàn)B軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，依賴軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)裝配在主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)C軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。刀具安裝在主軸上，實(shí)現(xiàn)Z軸的直線運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)裝配后為BCXYZ'的結(jié)構(gòu)形式，只保留如上文所述的五個(gè)自由度，有兩條傳動(dòng)鏈，分別為：機(jī)架——B 軸回轉(zhuǎn)臺(tái)——C 軸回轉(zhuǎn)臺(tái)——工件；刀具——工件。在此基礎(chǔ)上，如要更真實(shí)仿真機(jī)床運(yùn)動(dòng)，可增加夾具等零件。在裝配過(guò)程中，零件的幾何尺寸、五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量都以變量的形式保存到變量表(即“變量編輯器”，如圖6所示)中，根據(jù)不同機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)修改變量值。該模型便描述了結(jié)構(gòu)為BCXYZ'的一類機(jī)床。

2.2 編程實(shí)現(xiàn)接口程序

筆者已使用Delphi7.0語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出“五軸數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)”。并正在申請(qǐng)軟件版權(quán)。該系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、Active X自動(dòng)化兩種方式實(shí)現(xiàn)接口程序，其核心程序如下：

(1)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)方式的實(shí)現(xiàn)

使用T-FLEX CAD系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)“mdb(“外部數(shù)據(jù)庫(kù)名”，“數(shù)據(jù)庫(kù)表名”，“數(shù)據(jù)庫(kù)字段名”，“條件表達(dá)式”)”建立仿真模型與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的參數(shù)約束關(guān)系。如用語(yǔ)句 mdb(“NC5D.mdb”，“Coord”，“C”，“N=｛n｝”)”實(shí)現(xiàn)C軸旋轉(zhuǎn)角度與數(shù)據(jù)表的參數(shù)約束。

(2)Active X自動(dòng)化機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中先定義如下一個(gè)創(chuàng)建T-FLEX OLE控制對(duì)象的函數(shù)：

在該函數(shù)中寫入如下語(yǔ)句：

其中“CreateOLEObject()”函數(shù)用于創(chuàng)建一個(gè)TFLEX CAD系統(tǒng)OLE控制對(duì)象，“TFW32.SERVER”語(yǔ)句用于建立與T-FLEX CAD系統(tǒng)的連接，以后TFLEX CAD系統(tǒng)打開(kāi)的文檔即可作為本系統(tǒng)的操作對(duì)象。

本系統(tǒng)具備插補(bǔ)仿真功能，因此該系統(tǒng)的仿真精度很高。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示插補(bǔ)過(guò)程中的插補(bǔ)點(diǎn)，為數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供算法的檢驗(yàn)工具。

2.3 動(dòng)態(tài)仿真

對(duì)應(yīng)接口程序的兩種實(shí)現(xiàn)方式，分別有兩種仿真方法：

第一種是把五軸坐標(biāo)儲(chǔ)存到mdb數(shù)據(jù)庫(kù)中，每行數(shù)控程序?qū)?yīng)數(shù)據(jù)表中的一條記錄。仿真時(shí)，使用T-FLEX CAD系統(tǒng)中的“動(dòng)態(tài)模擬”功能，以數(shù)據(jù)表的記錄號(hào)為指針，逐行讀取數(shù)據(jù)表中的五軸坐標(biāo)，驅(qū)動(dòng)仿真模型連續(xù)變化，并生成仿真過(guò)程的AVI動(dòng)畫文件。

第二種是在應(yīng)用上文所述的Active X自動(dòng)化機(jī)制建立高級(jí)語(yǔ)言程序與T-FLEX CAD系統(tǒng)的連接后，逐行提取每行數(shù)控程序中的五軸坐標(biāo)，連續(xù)修改變量表(如圖6“變量編輯器”所示)中的變量值，驅(qū)動(dòng)仿真模型連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真。

3 實(shí)例驗(yàn)證

以葉輪的五軸數(shù)控加工過(guò)程仿真為例，筆者首先使用Cimatron E8.5軟件生成數(shù)控程序。再用“五軸數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)”讀入數(shù)控程序并動(dòng)態(tài)仿真數(shù)控程序(圖 7)。

在仿真過(guò)程中，使用T-FLEX CAD系統(tǒng)提供的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)、放大、測(cè)量等功能，檢測(cè)、測(cè)量刀具與工件、夾具等的距離，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)干涉、碰撞等問(wèn)題。說(shuō)明該數(shù)控程序正確，可直接用于數(shù)控加工。在計(jì)算機(jī)上仿真(精加工)該葉輪的一個(gè)流道，由于無(wú)需仿真粗加工，因此只需15 min。與試切法相比，有效地減少了檢驗(yàn)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于T-FLEX 3D CAD系統(tǒng)的數(shù)控程序檢驗(yàn)方案，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“五軸數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)”軟件。該系統(tǒng)能直接仿真數(shù)控程序并實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)仿真，對(duì)數(shù)控程序的檢驗(yàn)快速有效。經(jīng)該系統(tǒng)檢驗(yàn)并調(diào)試的數(shù)控程序，可直接應(yīng)用于數(shù)控加工，極大地縮短了五軸數(shù)控程序的準(zhǔn)備周期。

［1］全榮，等.五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

［2］張瀅.Pro/E Wildfire數(shù)控加工及二次開(kāi)發(fā)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］黃毓榮，陳大治.UG NX4高級(jí)銑應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［4］衛(wèi)兵工作室.Cimatron E中文版數(shù)控編程入門與實(shí)例進(jìn)階［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［5］李云龍，曹巖.數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)VERICUT［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.