計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用研究*

李永祥，胡秀陽，汪 洪，黃凱龍，南立文

(浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江金華 321004)

0 引 言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代加工制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用.仿真技術(shù)是采用物理模型或數(shù)學(xué)模型來代替真實(shí)系統(tǒng)，特別是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)的一種新型的、有效的工具.把計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到零件的數(shù)控加工中便形成了數(shù)控加工仿真技術(shù)［1］.數(shù)控加工仿真作為一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)人機(jī)交互技術(shù)，借助于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，采用可視化技術(shù)，產(chǎn)生一種人為虛擬環(huán)境，模擬現(xiàn)實(shí)數(shù)控加工工藝系統(tǒng)環(huán)境.通過建模仿真軟件，模擬實(shí)際機(jī)床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)，能夠在計(jì)算機(jī)上演示各種加工方法的加工路線，把可能存在的錯(cuò)誤信息反饋給相關(guān)技術(shù)人員，使其預(yù)先瀏覽到虛擬仿真過程，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，可以有效預(yù)測數(shù)控加工過程中的干涉碰撞現(xiàn)象，對(duì)避免機(jī)床事故發(fā)生、顯著改善數(shù)控機(jī)床安全使用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.同時(shí)，采用數(shù)控加工仿真代替以往的試切等傳統(tǒng)走刀軌跡檢驗(yàn)方法，對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的有效工時(shí)和使用壽命很有幫助，從而在數(shù)控加工制造業(yè)中獲得廣泛重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛［2］.

目前，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都存在著一定的缺陷，極少數(shù)獨(dú)立的機(jī)床仿真軟件雖然自身具備機(jī)床綜合仿真功能，但是其造型建模功能卻很有限，對(duì)于機(jī)床結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的工裝夾具裝配模型，通常都做了簡化處理，從而失去了很多有用的結(jié)構(gòu)信息，不能真實(shí)反映數(shù)控機(jī)床的實(shí)際加工環(huán)境.而對(duì)于已商品化的CAD/CAM軟件，目前大量的參考文獻(xiàn)主要是介紹了這些軟件通過與其他現(xiàn)有造型軟件結(jié)合或者借助于VC++和OPENGL技術(shù)進(jìn)行開發(fā)來構(gòu)建數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，其不足在于需要對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工過程仿真進(jìn)行大量的數(shù)控代碼編寫，也缺乏相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ).

本文將在對(duì)UG NX的高級(jí)綜合仿真功能進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，以浙江師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的數(shù)控車床為對(duì)象，構(gòu)建某數(shù)控車床的加工仿真系統(tǒng)，以某代表性零件加工為例，詳細(xì)討論該數(shù)控車床綜合仿真加工系統(tǒng)模型的構(gòu)建過程，并實(shí)現(xiàn)該數(shù)控車床的動(dòng)態(tài)實(shí)體加工仿真，真實(shí)地反映和再現(xiàn)實(shí)際加工過程.通過對(duì)該零件加工過程進(jìn)行仿真校驗(yàn)，較準(zhǔn)確地評(píng)估了數(shù)控程序的正確性，并依據(jù)加工仿真結(jié)果對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行快速修改，有效避免在實(shí)際機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行適切加工的反復(fù)過程，節(jié)約材料消耗和生產(chǎn)成本，為預(yù)測切削加工過程以及數(shù)控加工程序的可靠性驗(yàn)證提供了強(qiáng)有力的工具.

1 數(shù)控加工仿真原理及其發(fā)展應(yīng)用

數(shù)控仿真加工利用當(dāng)前迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上通過軟件模擬加工環(huán)境和刀具對(duì)零件的各種切削加工的過程進(jìn)行三維動(dòng)畫顯示.具體過程是采用三維實(shí)體仿真技術(shù)，借助于圖形交互式自動(dòng)編程系統(tǒng)，通過軟件CAD系統(tǒng)提供的圖形生成和編輯功能繪制零件圖完成零件造型，隨后以人機(jī)交互的方式選定加工方法，輸入相應(yīng)的加工工藝參數(shù)，并選定要加工的零件部位及方向，軟件自動(dòng)生成刀具加工軌跡數(shù)據(jù);以數(shù)控程序?yàn)轵?qū)動(dòng)，數(shù)控指令譯碼器對(duì)輸入的數(shù)控程序進(jìn)行識(shí)別，以及語法檢查、解釋翻譯生成數(shù)控指令，根據(jù)數(shù)控指令生成相應(yīng)的刀具掃描體，并在該數(shù)控指令驅(qū)動(dòng)下，對(duì)刀具掃描體與被加工零件的幾何體之間進(jìn)行求交運(yùn)算、碰撞干涉檢查和材料切除運(yùn)算等.所有這些數(shù)控仿真加工過程均可在計(jì)算機(jī)上通過三維動(dòng)態(tài)形式顯示出來［3］.具體流程如圖1所示.

圖1 虛擬加工仿真流程圖

數(shù)控加工仿真是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過數(shù)控加工仿真技術(shù)，可以將整個(gè)機(jī)床加工過程以幾何圖形的動(dòng)態(tài)方式顯示出來，從而檢測加工過程中的漏切和過切現(xiàn)象，以及刀具運(yùn)動(dòng)過程中與夾具或機(jī)床產(chǎn)生碰撞問題，檢驗(yàn)被加工零件的最終幾何形狀是否符合質(zhì)量要求，從而確保能加工出符合設(shè)計(jì)要求的零件，并盡可能避免導(dǎo)致刀具、夾具和機(jī)床之間的不必要損壞［4-6］.目前，刀具軌跡仿真和動(dòng)態(tài)實(shí)體仿真是主要被廣泛使用的數(shù)控加工過程仿真模式.但是上述2種仿真模式都沒有從整個(gè)加工工藝系統(tǒng)進(jìn)行全局考慮，其仿真模型忽略了機(jī)床、刀柄和夾具等關(guān)鍵幾何體，在機(jī)床-刀具-工件-夾具之間是否存在干涉現(xiàn)象將無法被檢查出，其仿真效果也不是很理想.刀具加工軌跡生成和仿真加工如圖2所示.

為了克服上述數(shù)控加工仿真模式的不足，本文通過建立較為完善的數(shù)控車床加工工藝系統(tǒng)模型來獲得理想的仿真效果.作為一個(gè)全面集成的產(chǎn)品工程解決方案，UG/CAM軟件的高級(jí)綜合仿真模塊可以基于加工工藝系統(tǒng)模型仿真切削過程中的機(jī)床運(yùn)動(dòng)，保證加工過程模擬仿真結(jié)果完全符合數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)加工中的實(shí)際情況.能夠創(chuàng)建與實(shí)際機(jī)床完全一致的精確運(yùn)動(dòng)模型;能夠真實(shí)反映數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其控制器的動(dòng)作;能夠預(yù)覽所有相關(guān)的加工操作指令.所以，很多與機(jī)床相關(guān)的實(shí)際問題就可以在零件刀具路徑的生成過程中被發(fā)現(xiàn)，工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)反饋信息就可以對(duì)零件的可加工性和可制造性重新評(píng)估和進(jìn)一步完善機(jī)床參數(shù)設(shè)置.等到數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工該零件時(shí)，該零件在機(jī)床上是否可加工就已經(jīng)確定了，不會(huì)因?yàn)榱慵庸み^程中出現(xiàn)問題而使加工中斷.這樣既節(jié)省了生產(chǎn)成本，也提高了企業(yè)加工效率，從而使機(jī)床數(shù)控編程更加安全、高效，提高了適應(yīng)性.

圖2 零件的自動(dòng)加工軌跡生成和虛擬仿真加工

2 數(shù)控機(jī)床加工過程仿真

2.1 建立數(shù)控機(jī)床虛擬加工環(huán)境

虛擬加工是實(shí)際加工過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和三維實(shí)體造型技術(shù)支持下，對(duì)整個(gè)數(shù)控加工環(huán)境進(jìn)行綜合建模和動(dòng)態(tài)仿真.數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境通常由工件模型、刀具裝配模型、夾具裝配模型、機(jī)床模型以及其他相關(guān)機(jī)床輔助件組成.

2.1.1 定義機(jī)床虛擬裝配模型

虛擬數(shù)控機(jī)床的幾何建模是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床綜合仿真的前提條件.首先，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室數(shù)控車床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性準(zhǔn)確劃分出該數(shù)控車床的所有運(yùn)動(dòng)子模塊，基于“機(jī)座-工件”運(yùn)動(dòng)鏈和“機(jī)座-刀具”運(yùn)動(dòng)鏈識(shí)別出該數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)件、執(zhí)行件和動(dòng)力源，并在此基礎(chǔ)上有效劃分出該數(shù)控車床的床身部分、刀架組件、X向進(jìn)給模塊、Z向進(jìn)給模塊和主軸環(huán)節(jié)等;其次，根據(jù)該數(shù)控車床各模塊的運(yùn)動(dòng)傳遞路徑，按照運(yùn)動(dòng)鏈前一級(jí)作為后一級(jí)子裝配的原則，建立各運(yùn)動(dòng)子模塊在裝配模型樹中的層次和位置;最后，按照自底向上的裝配原則，在完成各子裝配體后，再從底層的子裝配體和相關(guān)零件開始向上組裝到上一層裝配體，這樣逐層裝配直到建立起該數(shù)控機(jī)床的總裝配模型［7］.

筆者以浙江師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心所擁有的數(shù)控車床為研究對(duì)象，通過對(duì)該機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，獲得其運(yùn)動(dòng)傳遞示意圖如圖3所示.按照上述建模方法，該數(shù)控車床所涉及的2條運(yùn)動(dòng)鏈為:

1)工件夾具裝配模型(SETUP)-主軸-LATHE_SPINDLE)-機(jī)座(MACHINE_BASE);

圖3 數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)傳遞示意圖

2)刀具(TOOL)-刀架(TOOL_CARRIER)-X向進(jìn)給模塊(X_SLIDE)-Z向進(jìn)給模塊(Z_SLIDE)-機(jī)座(MACHINE_BASE).

參考上述2條運(yùn)動(dòng)鏈的傳遞關(guān)系繪出該數(shù)控車床的虛擬裝配模型樹，建立了該數(shù)控車床裝配模型，如圖4所示.

圖4 數(shù)控車床裝配模型

2.1.2 定義機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型

機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型用來定義數(shù)控機(jī)床裝配模型中各移動(dòng)部件，確定相互之間的位置運(yùn)動(dòng)關(guān)系，指定數(shù)控機(jī)床各數(shù)控直線軸和旋轉(zhuǎn)軸的行程范圍和移動(dòng)方向，以及設(shè)定機(jī)床零點(diǎn)、刀具安裝點(diǎn)、工件安裝點(diǎn)等相關(guān)參數(shù).UG/CAM綜合仿真模塊通過交互方式可以識(shí)別裝配模型中的機(jī)床主軸、進(jìn)給軸和刀架等運(yùn)動(dòng)部件.當(dāng)單擊機(jī)床導(dǎo)航器圖標(biāo)進(jìn)入機(jī)床構(gòu)建器模塊(Machine Tool Builder)時(shí)，在名稱欄單擊右鍵即可插入運(yùn)動(dòng)組件和各運(yùn)動(dòng)軸，把相關(guān)的聯(lián)接點(diǎn)設(shè)置好后，再參考該機(jī)床上述2條運(yùn)動(dòng)鏈的傳遞順序，逐步建立該數(shù)控車床的運(yùn)動(dòng)模型，如圖5所示.

圖5 數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型示意圖

2.1.3 建立刀具模型和工件、夾具裝配模型

在機(jī)床加工仿真時(shí)，可自動(dòng)調(diào)用已添加到機(jī)床刀具庫中的指定刀具進(jìn)行加工.其整個(gè)創(chuàng)建步驟為:首先，建立刀柄、刀桿和刀塔的裝配模型，在Machine Tool Builder模塊中定義并指定刀尖點(diǎn)和安裝點(diǎn);然后，在刀具數(shù)據(jù)文件中指定所使用刀具即可.建立毛坯和夾具裝配模型的目的是為了在機(jī)床加工仿真時(shí)能檢驗(yàn)出毛坯、刀具、夾具、主軸頭座和壓板等的碰撞干涉［8］.其整個(gè)建模過程和該數(shù)控車床的建模過程類似.

2.2 機(jī)床加工過程仿真

在建好數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境后，即可進(jìn)入到UG/CAM綜合仿真模塊進(jìn)行加工仿真校驗(yàn).首先，在UG/CAM模塊中打開典型零件模型，單擊操作導(dǎo)航器窗口，進(jìn)入機(jī)床刀具視圖，雙擊“通用機(jī)床(GENERIC_MACHINE)”命令，從機(jī)床庫中調(diào)用上述已經(jīng)建好的數(shù)控車床模型，使用裝配定位即可將已生成刀路的典型零件調(diào)入機(jī)床安裝位置，同時(shí)對(duì)刀具和夾具等進(jìn)行重新定位，最終設(shè)置好整個(gè)數(shù)控車床的加工仿真系統(tǒng).在操作導(dǎo)航器中選擇打開機(jī)床視圖，點(diǎn)擊“刀軌/仿真”命令或者選擇“機(jī)床仿真”圖標(biāo)即可進(jìn)入“仿真控制面板”進(jìn)行機(jī)床加工仿真，在“仿真控制面板”中可以瀏覽生成的數(shù)控程序、機(jī)床加工狀態(tài)和刀具軌跡位置以及仿真動(dòng)畫設(shè)置.在數(shù)控車床的仿真過程中，通過選擇工具欄中的縮放、平移及旋轉(zhuǎn)操作命令可以全方位地觀察零件在機(jī)床上的加工仿真過程.對(duì)于可能出現(xiàn)干涉碰撞錯(cuò)誤的工件或夾具部位和相應(yīng)的數(shù)控代碼進(jìn)行調(diào)整和改正，直至無誤為止，此時(shí)即可輸出零件加工的實(shí)用數(shù)控代碼.該數(shù)控機(jī)床的加工過程仿真和數(shù)控加工代碼顯示如圖6所示.

圖6 加工過程仿真

3 結(jié) 語

以浙江師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的數(shù)控車床為研究對(duì)象，在目前常用數(shù)控加工仿真模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合UG/CAM綜合仿真校驗(yàn)?zāi)K，通過合理的虛擬機(jī)床加工仿真系統(tǒng)建模過程，為數(shù)控車床建立的精確運(yùn)動(dòng)模型與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)加工中的機(jī)床運(yùn)動(dòng)完全保持一致，并最終開發(fā)出具有實(shí)用意義的數(shù)控車床虛擬加工仿真環(huán)境.通過對(duì)典型零件在該數(shù)控車床虛擬加工仿真環(huán)境中的動(dòng)態(tài)實(shí)體加工仿真，使模擬仿真結(jié)果完全符合實(shí)際情況，并能詳實(shí)地反映實(shí)際加工過程中可能存在的各類干涉情況，其理想的仿真效果證明采用機(jī)床綜合加工過程仿真可以有效制止干涉碰撞事故的發(fā)生，能夠顯著提高數(shù)控機(jī)床的安全使用率，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義.

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