基于VERICUT非正交五軸機(jī)床加工仿真技術(shù)研究

顏士肖，蹇悅，宋健，穆英娟

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

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基于VERICUT非正交五軸機(jī)床加工仿真技術(shù)研究

顏士肖，蹇悅，宋健，穆英娟

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

摘要：針對(duì)非正交五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，程序驗(yàn)證復(fù)雜、干涉碰撞易發(fā)生等特點(diǎn)，對(duì)非正交五軸機(jī)床加工仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。利用VERICUT仿真軟件，以DMU 70evo機(jī)床為原型，構(gòu)建與實(shí)際機(jī)床一致的虛擬仿真環(huán)境，主要包括仿真機(jī)床模型和仿真控制系統(tǒng)。利用建好的仿真環(huán)境，進(jìn)行某異型法蘭零件的數(shù)控加工仿真。結(jié)果表明：構(gòu)建好的機(jī)床模型準(zhǔn)確、可靠，驗(yàn)證了NC程序的正確性，提高了加工的準(zhǔn)確性、安全性和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：非正交；五軸機(jī)床；仿真環(huán)境；仿真模型；仿真控制系統(tǒng)

0引言

隨著零件結(jié)構(gòu)和加工工藝的日益復(fù)雜及數(shù)控機(jī)床加工速度、精度和智能化水平的不斷提高，各類數(shù)控機(jī)床已成為裝備制造業(yè)，特別是航空、航天、軍工等制造業(yè)必不可少的加工設(shè)備。而以提高數(shù)控加工效率和自動(dòng)化水平為目標(biāo)的五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床已成為機(jī)床制造業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。

五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床存在數(shù)控程序的編制及檢測(cè)難度大等問(wèn)題，而NC程序的正確性是保證多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中的安全性和零件加工品質(zhì)的關(guān)鍵，零件加工前的試刀已不能滿足五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的加工需求[2]。特別是對(duì)于非正交的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，程序員已很難直觀分析機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡，給產(chǎn)品品質(zhì)和安全生產(chǎn)帶來(lái)了很大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。利用VERICUT等虛擬加工仿真軟件進(jìn)行加工過(guò)程的仿真已成為解決上述問(wèn)題的有效手段[3]。

目前，很多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了部分基于VERICUT的機(jī)床仿真技術(shù)研究，包括立式三軸加工機(jī)床仿真技術(shù)研究[4]、正交轉(zhuǎn)臺(tái)與擺軸五軸機(jī)床仿真技術(shù)研究[5]等。然而，針對(duì)非正交轉(zhuǎn)軸的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是以空間矢量軸為旋轉(zhuǎn)軸的五軸機(jī)床研究少見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

現(xiàn)以典型非正交五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床DMU 70evo為原型(該機(jī)床b旋轉(zhuǎn)軸為一般空間矢量)，構(gòu)建與實(shí)際機(jī)床一致的虛擬仿真環(huán)境，包括機(jī)床模型構(gòu)建、模型參數(shù)設(shè)定和控制系統(tǒng)定制等，并利用此虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行某零件的加工仿真，以此驗(yàn)證模型的正確性，指導(dǎo)實(shí)際加工生產(chǎn)，并為其他機(jī)床仿真環(huán)境構(gòu)建提供方法和經(jīng)驗(yàn)。

1機(jī)床模型構(gòu)建

1.1機(jī)床模型樹(shù)構(gòu)建

VERICUT中機(jī)床模型以組件樹(shù)的形式存在，組件樹(shù)反映的是機(jī)床各部分之間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)依附關(guān)系。根據(jù)機(jī)床原型DMU 70evo機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確定機(jī)床各部分間的相互依附關(guān)系，見(jiàn)圖1，圖中箭頭指向?yàn)橄录?jí)子組件。

圖1　DMU 70evo機(jī)床結(jié)構(gòu)依附關(guān)系

根據(jù)機(jī)床組件依附關(guān)系圖，在VERICUT中建立機(jī)床模型組件樹(shù)。該機(jī)床為典型的非正交五軸機(jī)床，b軸為空間矢量旋轉(zhuǎn)軸，c軸為垂直矢量旋轉(zhuǎn)軸，b、c旋轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)與工作臺(tái)表面有一定距離偏差，圖2所示。旋轉(zhuǎn)軸位置、方向及其與工作臺(tái)距離偏差這3個(gè)因素，在建立機(jī)床模型時(shí)必須充分考慮，確保裝配后應(yīng)與實(shí)際機(jī)床保持一致，否則仿真結(jié)果將不具有指導(dǎo)性。根據(jù)圖2中給出的旋轉(zhuǎn)軸位置、方向及其與工作臺(tái)距離偏差，正確設(shè)置組件樹(shù)中各組件坐標(biāo)系位置及方向，如圖3所示。

圖2　DMU 70evo旋轉(zhuǎn)軸位置及方向

圖3　機(jī)床模型樹(shù)

1.2機(jī)床模型結(jié)構(gòu)裝配

機(jī)床模型樹(shù)僅表示機(jī)床各部分之間的相對(duì)位置和相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并不反應(yīng)機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，需要通過(guò)添加模型結(jié)構(gòu)才能體現(xiàn)。VERICUT機(jī)床模型結(jié)構(gòu)的建立有兩種方式。1) 利用VERICUT軟件自帶“添加模型”對(duì)話框繪制模型，此方法僅適合簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)構(gòu)建；2) 利用較為常用的CAD軟件，如Pro/E、UG等來(lái)完成，通過(guò)數(shù)據(jù)接口保存成“IGES”、“STL”等格式，導(dǎo)入VERICUT模型樹(shù)中進(jìn)行虛擬裝配。

VERICUT中的幾何模型主要用于虛擬機(jī)床的可視化和碰撞檢測(cè)，精度越高，結(jié)構(gòu)特征越接近真實(shí)物理模型，機(jī)床渲染和碰撞檢測(cè)的精度也越高。但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致模型所占計(jì)算資源增多，致使系統(tǒng)運(yùn)行速度的下降。綜合考慮機(jī)床結(jié)構(gòu)特征、仿真精度和計(jì)算效率，對(duì)機(jī)床主要結(jié)構(gòu)(包括：機(jī)床基體、x軸、y軸、b軸、c軸和機(jī)床外形)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，并利用Pro/E軟件構(gòu)建各部分模型，轉(zhuǎn)換成“STL”格式文件，供仿真環(huán)境使用，見(jiàn)圖4，其余必需的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)通過(guò)VERICUT自帶功能創(chuàng)建。將建好的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入VERICUT組件樹(shù)中，正確設(shè)置模型在組件中的位置。設(shè)置旋轉(zhuǎn)模型時(shí)應(yīng)注意，模型旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)設(shè)置在組件旋轉(zhuǎn)軸上。構(gòu)建好的機(jī)床模型如圖5所示。

圖4　機(jī)床各主要部分結(jié)構(gòu)圖

圖5　機(jī)床虛擬仿真模型

2機(jī)床模型參數(shù)設(shè)定

a) 運(yùn)動(dòng)軸方向及速度設(shè)定

該機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸主要有x、y、z線性軸和b、c旋轉(zhuǎn)軸，方向及速度設(shè)定主要為對(duì)運(yùn)動(dòng)軸正方向和快速移動(dòng)速度進(jìn)行設(shè)置。首先利用VERICUT系統(tǒng)提供的“MDI”功能判斷當(dāng)前機(jī)床模型運(yùn)動(dòng)正方向，若與實(shí)際相反，可通過(guò)“組件配置”功能進(jìn)行“反向”設(shè)置，同時(shí)可以設(shè)置快速移動(dòng)速度等。

b) 碰撞檢測(cè)設(shè)定

碰撞檢測(cè)為VERICUT機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真的重要功能，對(duì)加工過(guò)程的安全性進(jìn)行仿真判斷，可以有效防止加工過(guò)程中撞刀等現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)DMU 70evo機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)系，將機(jī)床碰撞檢測(cè)進(jìn)行分組，并設(shè)定最小安全距離為2.5 mm，見(jiàn)表1。根據(jù)表1組別分類及安全距離，通過(guò)VERICUT“機(jī)床設(shè)定”功能中的“碰撞檢測(cè)”選項(xiàng)，進(jìn)行碰撞檢測(cè)設(shè)定。

表1　機(jī)床碰撞檢測(cè)分組　mm

c) 行程設(shè)定

行程設(shè)定主要用于限制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)范圍，包括線性軸行程和旋轉(zhuǎn)軸行程，可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的超程判斷，確保工件與機(jī)床的匹配及工件在工作臺(tái)定位的合理性。表2為DMU 70evo機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)行程，據(jù)此數(shù)據(jù)，通過(guò)VERICUT“機(jī)床設(shè)定”功能中的“行程極限”選項(xiàng)，進(jìn)行行程極限設(shè)定。

表2　機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)行程

3控制系統(tǒng)定制

控制系統(tǒng)是虛擬數(shù)控機(jī)床模型的核心，負(fù)責(zé)將數(shù)控編碼轉(zhuǎn)化為各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)加工仿真運(yùn)行，是仿真加工過(guò)程和實(shí)際加工過(guò)程一致的關(guān)鍵，控制系統(tǒng)定制就是在VERICUT軟件中建立數(shù)控編碼翻譯模塊。

DMU 70evo采用Heidehain530控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際機(jī)床控制系統(tǒng)指令代碼集及其功能對(duì)仿真模型控制系統(tǒng)進(jìn)行定制，定制過(guò)程主要如圖6所示。圖7為斜面功能(PLANE)指令的定制過(guò)程。

圖6　控制系統(tǒng)定制流程

圖7　斜面功能(PLANE)指令的定制

4機(jī)床加工仿真環(huán)境實(shí)例驗(yàn)證

完成DMU 70evo仿真環(huán)境研究構(gòu)建后，選擇某異型法蘭類零件(圖8)的加工仿真來(lái)驗(yàn)證該模型的正確性。根據(jù)零件加工要素，編制NC代碼，并導(dǎo)入仿真組件樹(shù)中。同時(shí)，在組件樹(shù)中添加零件毛坯、建立仿真刀具庫(kù)和合理設(shè)置工件坐標(biāo)系。通過(guò)對(duì)異型法蘭零件的數(shù)控加工仿真，獲得了良好的效果，驗(yàn)證了構(gòu)建好的DMU 70evo模型的正確性，圖9為數(shù)控加工仿真過(guò)程。

圖8　某異型法蘭類零件

圖9　某異型法蘭類零件數(shù)控加工仿真過(guò)程

5結(jié)論

針對(duì)非正交結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、程序驗(yàn)證困難等問(wèn)題，在總結(jié)VERICUT仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，以DMU 70evo機(jī)床為原型，定制VERICUT機(jī)床仿真環(huán)境，包括機(jī)床物理結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、運(yùn)動(dòng)關(guān)系的匹配、碰撞檢測(cè)和行程設(shè)定以及控制系統(tǒng)的配置。利用建立好的仿真環(huán)境，對(duì)某異型法蘭零件的數(shù)控加工進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了仿真環(huán)境的正確性和有效性。

參考文獻(xiàn):

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[2] 郭宏偉, 蔡安江, 趙娜, 等. 基于VERICUT的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真[J]. 機(jī)床與液壓, 2011,(17): 113-115.

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Research on Non Orthogonal 5-axis Machining Simulation Based on VERICUT

YAN Shi-xiao, JIAN Yue, SONG Jian, MU Ying-juan

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

Abstract:Due to the complex structure of non orthogonal 5-axis, long time ready for machining, difficult program verification and collision occurring easily, the non orthogonal 5-axis machining simulation is researched on. This paper tries to construct the simulation environment, which contains the simulation machine just as the machine of DMU 70evo and the simulation control system with the software of VERICUT. Then the simulation environment is used for simulating the machining process of a special-shaped flange. The result shows that the environment is precise and reliable, which is used to check the accuracy of the NC program and improve the accuracy, safety and efficiency of CNC manufacturing.

Keywords:non orthogonal; 5-axis machine; simulation environment; simulation machine; simulation control system

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205062)；福建省自然科學(xué)基金(2011J01299)

收稿日期：2014-11-28

中圖分類號(hào)：TG659; TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0131-03

作者簡(jiǎn)介：顏士肖(1988-)，男，碩士研究生，主要從事數(shù)控加工技術(shù)研究，包括數(shù)控加工工藝、數(shù)控仿真和優(yōu)化等。