基于約束尺寸混合驅(qū)動(dòng)的虛擬數(shù)控機(jī)床技術(shù)研究

黃敏高

摘 要： 在數(shù)字虛擬機(jī)床模型的基礎(chǔ)上，提出了一種遵循機(jī)床部件運(yùn)行主從關(guān)系及約束關(guān)系的新型機(jī)床設(shè)計(jì)方法。此種機(jī)床采用矩陣組建數(shù)字化處理技術(shù)對(duì)機(jī)床主從部件的工作位次進(jìn)行矩陣變換，按照最佳循環(huán)驅(qū)動(dòng)組件進(jìn)入工作狀態(tài)。此外，在機(jī)床加工制造過(guò)程中，引入了最新的WAVE切割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)刀具和各機(jī)床部件之間的無(wú)縫鏈接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精密切割工作，減少工件材料損耗。此外，還內(nèi)置了完整的數(shù)字化機(jī)床控制系統(tǒng)，管理整體葉輪工件和葉片電解加工流程，實(shí)現(xiàn)高精尖的五坐標(biāo)定點(diǎn)數(shù)控加工模型。模擬、預(yù)設(shè)完整加工流程，從而實(shí)現(xiàn)高度的工作自檢和自動(dòng)化編程系統(tǒng)，大幅提升現(xiàn)有的機(jī)床工作效率和自動(dòng)化程度，且降低流程出錯(cuò)率和加工次品率。

關(guān)鍵詞： 虛擬數(shù)控機(jī)床； 約束與尺寸混合驅(qū)動(dòng)； 模型裝配； 流程管理

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.5?34； TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0155?03

Abstract： A new machine tool design method following master?slave relation and constraint relation of machine tool assembly is proposed. The matrix form digitization processing technology is used in the machine tool to perform the matrix transformation for the working precedence of the machine tool′s master?slave assemblies， and drive the assemblies into the working state in accordance with the best cycle. In the process of machine tool manufacturing， the WAVE cutting technology is introduced to realize the seamless linking between the cutter and each assembly of machine tool， and precision cutting， so as to reduce the loss of workpiece material. The whole digital control machine tool system is built in to manage the integral impeller workpiece and impeller electrolytic machining process， and realize the numerical control （NC） machining model with five?coordinate fixed points. The whole process flow is simulated and preset to realize the high?efficient work self?checking and automatic processing programming system， improve the working efficiency and automation degree of machine tool greatly， and reduce the flow error rate and process defective rate.

Keywords： virtual NC machine tool； hybrid drive； model assembly； process management

0 引 言

現(xiàn)今，虛擬機(jī)床技術(shù)是最新式數(shù)字化制造方式的核心內(nèi)容，更是決定產(chǎn)業(yè)加工效率和質(zhì)量的重要技術(shù)[1]。其所具備的虛擬加工和流程預(yù)估系統(tǒng)，能全方位地仿真工件加工環(huán)境，真實(shí)評(píng)估機(jī)床加工流程對(duì)工件質(zhì)量的參數(shù)影響，從而更好地進(jìn)行工程修正，達(dá)到精加工的技術(shù)要求。此外，數(shù)字化虛擬機(jī)床還開(kāi)辟出一塊全新的研究領(lǐng)域，其能夠?qū)崿F(xiàn)在虛擬仿真過(guò)程中，動(dòng)態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)床進(jìn)行的各類(lèi)切、削。鑿、銑工藝流程，可詳細(xì)掌握影響工件表面參數(shù)、體積參數(shù)、比例參數(shù)、材料參數(shù)等工件性能相關(guān)加工步驟，從而實(shí)現(xiàn)客觀功能的完整描述，同時(shí)大幅提升機(jī)床綜合性能。由此本文根據(jù)工程實(shí)踐需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套符合尺寸驅(qū)動(dòng)和約束條件的虛擬數(shù)控機(jī)床模型，并對(duì)其加工編程、模擬、驗(yàn)證、檢查與精度檢驗(yàn)步驟進(jìn)行細(xì)致討論[2]。

1 虛擬數(shù)控機(jī)床模型組建

本文所研究的虛擬機(jī)床采用通用裝配模型，由刀具庫(kù)、控制臺(tái)、夾具庫(kù)和虛擬機(jī)床主控系統(tǒng)組成。各模塊協(xié)同完成機(jī)床加工狀態(tài)模擬、運(yùn)動(dòng)規(guī)律檢驗(yàn)等功能，再輔助工件切削、塑形的刀具庫(kù)和固定夾具，實(shí)現(xiàn)加工的虛擬化仿真[3]。具體關(guān)系如圖1所示。

此外，機(jī)床與工件間的設(shè)計(jì)交互通過(guò)專(zhuān)門(mén)的人機(jī)接口，即數(shù)據(jù)輸入、分析，加工模擬的主控界面來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，虛擬邏輯控制器主管整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，CNC作為工程數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算工件加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡和位移參量[4]。工件模型細(xì)節(jié)處理及表面數(shù)據(jù)提取則交由具體的各分支工藝提取模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，再交由中控系統(tǒng)傳遞給控制界面進(jìn)行人工操作與修正。

2 數(shù)控機(jī)床部件裝配實(shí)現(xiàn)

2.1 模型零部件裝配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能直觀地反映出裝配部件之間的位置關(guān)系和功能組合，因此在機(jī)床模型裝配實(shí)現(xiàn)過(guò)程中拓?fù)浞治霰夭豢缮佟Ｍǔ?，虛擬數(shù)控機(jī)床由中心主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、工件加工及處理工作臺(tái)、流水作業(yè)線等部分組成，這也是構(gòu)建相應(yīng)裝配拓?fù)淠Ｐ偷闹饕羌?。此外，為了?jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)執(zhí)行效率和可讀性，常省略次要鏈接類(lèi)、支撐類(lèi)部件。圖2中采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)繪制了數(shù)控機(jī)床的各部件裝配組合與位置關(guān)系，記錄并區(qū)別裝配模型的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，便于系統(tǒng)后續(xù)的查詢校驗(yàn)及精確控制。endprint

2.2 裝配部件約束關(guān)系討論

在實(shí)機(jī)裝配過(guò)程中，各部件之間的關(guān)系依靠定位元件實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)約束。同樣在部件裝配拓?fù)鋱D中，各模型部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系也依靠運(yùn)動(dòng)中軸來(lái)進(jìn)行相對(duì)定位，隨后建立起約束關(guān)系。圖2的數(shù)控機(jī)床中，y，x，c，z之間的運(yùn)動(dòng)和約束關(guān)系就由相對(duì)運(yùn)動(dòng)次序和功能組合來(lái)實(shí)現(xiàn)精確裝配[5]。y軸滑臺(tái)跟隨x軸滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，而c軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)又跟隨y軸滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，則以x軸中心孔對(duì)齊，依次關(guān)聯(lián)y，c軸部件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床部件協(xié)同作業(yè)。

2.3 部件裝配數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

為了完美實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床裝配部件的聯(lián)動(dòng)性和功能性，需要預(yù)先構(gòu)建出基于實(shí)際裝配數(shù)據(jù)的虛擬裝配幾何模型。通過(guò)該模型將詳細(xì)部件參數(shù)加載輸入并進(jìn)行模擬運(yùn)行，測(cè)試出設(shè)計(jì)部件性能和機(jī)床位置矩陣變換關(guān)系，從而為后續(xù)的參數(shù)修正與機(jī)床調(diào)試環(huán)節(jié)節(jié)省大量的人力、物力[6]。

建立的虛擬裝配數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)與算法程序如下：

Typedef struct MC Assembly

{

MC Component* head comp；

MC Movement* move；

}

Typedef struct MC Component

{

int instance tag；

int occurence tag；

charworkpiece name[130]；

charinstance name[80]；

Pos Matrixini pos；

double origin[3]；

double csys matrix[9]；

structMC Component* children；

structMC Component* next；

structMC Component* parent；

…

}MC Component；

3 尺寸驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)軌跡

3.1 部件運(yùn)動(dòng)位置狀態(tài)參數(shù)

裝配部件的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包含位移和旋轉(zhuǎn)兩類(lèi)。因此，各部件相對(duì)位置關(guān)系及部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)是建立數(shù)學(xué)模型的首要任務(wù)。對(duì)此，常采用部件裝配位置坐標(biāo)系Oxyz和部件自身參數(shù)坐標(biāo)系Owxcyczc雙坐標(biāo)系對(duì)照參考，確定精確的部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。具體示例如圖3所示，通過(guò)兩個(gè)坐標(biāo)系的配合，可完整描述大部分部件的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)變化情況[7]。

基于上述空間坐標(biāo)系，可以進(jìn)一步將幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為抽象的位置矩陣表示，便于后續(xù)的參數(shù)計(jì)算與修正。位置矩陣如下：

3.2 運(yùn)動(dòng)變換

根據(jù)上述部件雙坐標(biāo)系的建立和數(shù)學(xué)矩陣模型函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各動(dòng)軸部件的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變換[8]。此外，為了配合實(shí)際工件的直線位移量和旋轉(zhuǎn)角度系數(shù)，設(shè)定6變量參數(shù)矩陣如下：

3.3 動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

虛擬數(shù)控機(jī)床中動(dòng)軸采用尺寸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，因此需要CNC虛擬系統(tǒng)完成前期的加工軌跡計(jì)算和數(shù)據(jù)輸入，通過(guò)對(duì)各動(dòng)軸的輸入脈沖數(shù)分析與定位分配，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的編碼解析[9]。再通過(guò)傳動(dòng)電機(jī)對(duì)機(jī)床工作臺(tái)、運(yùn)動(dòng)主軸進(jìn)行定向驅(qū)動(dòng)，配合傳感器的實(shí)時(shí)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)位移控制。動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

4 加工模擬

加工模擬是在單純的工件運(yùn)動(dòng)和刀具操作運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，真實(shí)還原出所加工工件的表面參數(shù)及詳細(xì)尺寸參數(shù)[10?11]。由于刀具是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)做連續(xù)切割運(yùn)動(dòng)，剔除產(chǎn)生的加工余料從而形成切割表面，因而還需要實(shí)時(shí)測(cè)試刀具加工對(duì)工件表面參數(shù)的影響。詳細(xì)加工模擬過(guò)程如圖5所示。

通常在虛擬UG裝配空間中，模型間的邏輯運(yùn)算僅能進(jìn)行一次，而真實(shí)加工狀態(tài)遠(yuǎn)比單次運(yùn)算所能模擬的加工環(huán)境要更為復(fù)雜。因此，加工模擬要進(jìn)行多次相交運(yùn)算才能更加貼近真實(shí)表面情況[12]。本系統(tǒng)采用WAVE技術(shù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)、相交運(yùn)算、矩陣變換、實(shí)體鏈接來(lái)確定返回值和二次開(kāi)發(fā)函數(shù)，通過(guò)循環(huán)運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的高度貼合，為虛擬數(shù)控機(jī)床技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了基于尺寸混合和約束狀態(tài)下的數(shù)控虛擬機(jī)床模型，從機(jī)床組成的機(jī)械部件、主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、人機(jī)鏈接等模塊分析了機(jī)床加工、運(yùn)動(dòng)過(guò)程。采用WAVE技術(shù)建立專(zhuān)有空間模型，通過(guò)對(duì)象間的鏈接、復(fù)制、相交、轉(zhuǎn)置等運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)加工模擬，并能真實(shí)模擬加工環(huán)境。該設(shè)計(jì)模型具有高度的實(shí)踐運(yùn)用效能和直觀、簡(jiǎn)便的操作優(yōu)勢(shì)，可大幅提高工作效率、簡(jiǎn)化工作流程，對(duì)于虛擬機(jī)床技術(shù)改良、優(yōu)化具有積極的指導(dǎo)意義。

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