四軸臥式加工中心上后置加工仿真的實現(xiàn)

王 準

（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖 241000）

如今數(shù)控機床的使用在我國機械加工企業(yè)中的比重越來越高，其中，加工中心的使用數(shù)量已經(jīng)占據(jù)一個不小的比重。由于加工中心上加工零件能夠實現(xiàn):工件一次安裝后，可以完成多個孔系、平面、曲面等加工要求;可以很好地保證零件精度要求，特別是位置精度要求;再加上數(shù)控加工固有的一些特點:高效、高精度、靈活性（柔性）。因此，機加工企業(yè)購買、使用加工中心的動力十足。企業(yè)可能“不差錢”，可以配置四軸以上高檔數(shù)控機床，但是，如何使用好這些設備，不出現(xiàn)頻繁宕機;從更高層次上說，就是在先進制造技術環(huán)境下，如何全面實現(xiàn)機械加工過程中的質量、效率、成本目標，卻是不少企業(yè)面臨的迫切問題。其中的解決策略之一，就是用好數(shù)控加工中的仿真（驗證）技術。

1 數(shù)控加工驗證的類型

1．1 前置驗證

數(shù)控編程已逐漸從手工編程，過渡到計算機輔助編程，也就是常說的“自動編程”或“圖形交互式數(shù)控編程”，即狹義的CAM。能實現(xiàn)此功能的平臺，在我們國內常見的有Cimatron、Delcam、Mastercam等以CAM為主業(yè)的軟件;還有 Catia、Pro/E、UGNX等 CAD/CAE/CAM集成一體化平臺。這些平臺中，可以高效地完成各類零件的數(shù)控編程，并完成刀具軌跡的驗證（仿真）。不過，這一類驗證大多是基于刀位文件（CL文件）的仿真（材料去除仿真），是后處理生成數(shù)控代碼之前的驗證。這里姑且稱之為“前置驗證”。

使用刀位文件的“前置驗證”，確實可以可視化、實體般顯示從毛坯到成品的材料去除過程。但此過程完全是基于走刀原理的（圖形驅動刀具），不考慮機床的具體結構和工件的裝夾方式，工件不動，刀具運動切除材料，這與實際加工環(huán)境還有不少距離。很多現(xiàn)場問題還是不能發(fā)現(xiàn)的，是不能確保生成的數(shù)控加工程序能夠安全、正確被執(zhí)行的。因此，需要“后置驗證”來進一步確保數(shù)控程序的正確、優(yōu)化。

1．2 后置驗證

所謂“后置驗證”，是完成對“刀位文件”的后處理，生成數(shù)控文件，用該數(shù)控文件（包含具體數(shù)控代碼的程序）作為驅動源，驅動整個數(shù)控設備，驗證實際機床上工件加工的可行性。通過這一步，才能發(fā)現(xiàn)并排除所生成的數(shù)控加工程序中存在的一些致命問題（如各種碰撞、不合理的切削用量等），確保數(shù)控程序的正確性。

傳統(tǒng)上，在數(shù)控機床中驗證數(shù)控程序是否正確、合理的方法有:鎖定主軸自動運行、屏幕軌跡描繪、不安裝工件的空運行、用蠟模（或木制坯料）試切、首件試切等等。這些方法無論從效率還是從成本方面看都是不理想的。

今天在國內業(yè)界，可能有人提出用“宇龍數(shù)控仿真”、“斯沃數(shù)控仿真”等平臺來替代仿真。這些“數(shù)控仿真”平臺，在數(shù)控工人操作培訓方面，毋庸置疑有其獨到的優(yōu)勢;在小尺寸凹凸模板的一般加工驗證上，也有用武之地。但是對于復雜、大尺寸、精密的零件加工，是無法勝任的。

因此，有必要尋找一條切實可行的、接近現(xiàn)場加工條件的數(shù)控程序“后置驗證”方法，來應對零件形狀的復雜多變以及加工環(huán)境的復雜性。在此，筆者以四軸臥式加工中心為例，來說明此法。

2 四軸臥式加工中心特征模型的創(chuàng)建

2．1 四軸臥式加工中心概述

四軸臥式加工中心一般具有3個移動坐標軸（X/Y/Z）和1個分度轉臺或數(shù)控轉臺（B軸），可加工工件的各個側面;也可作多個坐標的聯(lián)合運動，以便加工復雜的空間曲面。配以合適的夾具，工件一次裝夾后可完成銑、鏜、鉸、攻絲和輪廓的粗精加工。因此，四軸臥式加工中心被廣泛地用于汽車、工程機械、模具、泵體閥門、輕紡機械、工業(yè)縫紉機、五金工具等各種類型的機械加工行業(yè)中的復雜零件加工、多品種加工的需要。

其結構布局有多種形式，如立柱式固定式、工作臺固定式、兩者混合式。具體配置方式如圖1。其中，d方式中，主軸箱在立柱上實現(xiàn)Y移動，而立柱完成Z向移動，工作臺完成X向移動，其上的轉臺實現(xiàn)B軸轉動。這種布局可以避免大尺寸工作臺在溜板兩端極限位置發(fā)生翹曲和大溜板加工困難的問題，同時也可以減少溜板和結構上的多層情況，有利于提高機床的精度，特別適合大、中型工件的加工。下面就以此布局結構為例，具體說明。

2．2 四軸臥式加工中心的創(chuàng)建方法

臥式加工中心的尺寸規(guī)格和系列型譜，一般以回轉工作臺的邊長為主參數(shù)，常見是320 mm×320 mm、400 mm ×400 mm、500 mm ×500 mm、630 mm ×630 mm、800 mm ×800 mm、1 000 mm ×1 000 mm、1 250mm ×1 250 mm等。本例中需要加工某一石油管道用的閥門閥體零件，屬于大中型零件，需要選用大中型加工中心，故暫且用1 000 mm×1 000 mm的系列型譜，進行特征建模（注意是特征模型，包含完整的非幾何特征，可為將來全面的機床系統(tǒng)CAE作準備）。建模時，首先建立全局變量，長度L=1 000 mm，寬度W=1 000 mm。以此為基礎，根據(jù)臥式加工中心各個零部件之間的結構、拓撲關聯(lián)性，以“自上而下（TopDown）”方式，設計、創(chuàng)建可以按照系列型譜變化的、尺寸規(guī)格可以控制的通用四軸臥式加工中心。

圖2和圖3就是分別在美國Autodesk公司的Inventor平臺和法國Dassault（達索）公司的Solidworks平臺中，創(chuàng)建滿足上述要求的L·W=1 000×1 000（初始變量）的四軸臥式加工中心。

需要指出的是，最終用于數(shù)控程序“后置驗證”的四軸臥式加工中心特征模型，要通過“自下而上（BottomUp）”方式組裝而成。由于數(shù)控機床使用與編程中，一個關鍵點是機床坐標系（機床原點）和工件坐標系（編程原點）的對應關聯(lián)性問題，因此，這中間的裝配操作一定要根據(jù)不同設計平臺中缺省“原始坐標系”布局，來調整好機床模型的正確空間位置（坐標系方位）。圖4和圖5，就是Solidworks和Inventor中，空間位置表達上的正誤對照。

用于“后置驗證”的加工中心特征模型創(chuàng)建完成之后，緊接著的工作就是在機床工作臺上正確安裝“零件－毛坯－夾具”。

3 機床上“零件－毛坯－夾具”安裝方法

3．1 “毛坯－零件－夾具”特征模型的創(chuàng)建

現(xiàn)以某閥門生產(chǎn)企業(yè)的某型號閥門閥體零件加工為例，進行說明。該閥體零件的工程簡圖如圖6所示。從中可以看出，該閥體3個法蘭面上，有小直徑的螺栓通孔系，大直徑的內外圓面、端面、溝槽等加工要求，且還有相互位置精度要求。由于該閥門生產(chǎn)企業(yè)屬于多品種中小批量生產(chǎn)方式，對柔性制造要求也高，因此，采用“組合夾具”對閥體工件進行裝夾。

同樣，采用“自下而上”方式，在設計平臺的“組件”環(huán)境中，先調出閥體毛坯（工件），然后根據(jù)“定位、夾緊”要求，安放組合夾具的元件，完成“毛坯－零件－夾具”（此處的零件是為狹義CAM中驅動刀具準備的）特征模型。最終的模型見圖7。

從上述壓強模型可以看出，對于橫觀各向同性材料而言，泊松比νyz和νyx體現(xiàn)了材料各向性能差異，Nielsen等(2009)研究中發(fā)現(xiàn)的原料纖維朝向對制粒性能的影響也能得到合理的解釋。

3．2 “毛坯－零件－夾具”在加工中心上安裝

先打開前面已經(jīng)裝配完成的機床文件，同樣采用“自下而上”方式調入“毛坯－零件－夾具”特征模型，按照現(xiàn)場加工時其在機床上的位置，安裝調整好。由于前面機床模型組裝中，已經(jīng)充分考慮了機床原點和編程原點的一致性問題，此處將會繼承這一致性。最終的安裝結果見圖8。

上述所有工作是數(shù)控程序“后置加工仿真”的第1階段任務。而第2階段的工作，要從兩個方向分別進行:其一，把“機床—毛坯—夾具”特征模型轉換成“后置驗證”模型，即把已經(jīng)安裝好“毛坯－零件－夾具”的臥式加工中心，從設計平臺輸出到“后置仿真”平臺（本例中，使用美國CGTECH公司的Vericut）中，成為數(shù)控程序驗證模型;其二，進行數(shù)控程序的編制，這時還要把“毛坯－零件－夾具”從設計平臺輸出到CAM平臺（本例中，CAM平臺使用美國CNC公司的Mastercam），完成數(shù)控程序的創(chuàng)建（期間包含前置驗證）。下文將分別闡述這兩方面的工作。

4 把“特征模型”轉換成“仿真驗證模型”及相關信息的輸出輸入

4．1 把“特征模型”從設計平臺輸出

這一工作中，關鍵有3點:

第1，運動零部件必須分別輸出，無相對運動關系的可以合并輸出。如機床床身底座和刀庫基座，盡管是物理分開的，但可以一次選中，同時輸出。

第2，所有獨立輸出的零部件，其坐標系都統(tǒng)一選擇設計平臺“頂層坐標系（父坐標系）”，即機床坐標系。

第3，輸出的格式一般用“*．stl”，并分別給出合適的文件名。

4．2 在“后置仿真”平臺（Vericut）中導入并創(chuàng)建驗證模型

這一步，有下面關鍵4點:

（1）首先在Vericut的項目樹（Project Tree）中，創(chuàng)建好“機床—毛坯—夾具”模型樹。此模型樹的各個“節(jié)點”分別代表著機床上相應的零部件，其從屬關系必須與實際機床完全一致。圖9就是四軸臥式加工中心的“模型樹”。

（2）從模型樹的各個節(jié)點下，分別輸入前面已經(jīng)導出的相對應的機床零部件“*．stl”模型文件。由于前面特征模型輸出時使用了統(tǒng)一的“機床坐標系”，此時，各個零部件幾何模型被輸入后，一般不需要進行“位移”和“旋轉”設置。每個模型輸入時，外觀上最好賦予不同的顏色以示區(qū)分。

（4）所有模型文件導入后，實質上就是在Vericut環(huán)境中，創(chuàng)建了“后置驗證”所需的機床幾何模型，也即“項目樹（Project Tree）”中的“機床（Machine）”主節(jié)點。這時，選中該節(jié)點并單獨保存、合適命名為“＊＊＊．mech”文件，同時保存整個項目文件（＊＊＊．vcproject）。

5 數(shù)控編程及相關信息的輸入輸出

5．1 把“毛坯－零件－夾具”輸出到CAM平臺（Mastercam）進行數(shù)控編程

這一步關鍵是把數(shù)控加工零件、加工前的毛坯（工件）以及夾具，作為單獨的幾何體，輸入到CAM平臺（Mastercam）中。這時，既要保證零件—毛坯（工件）—夾具三者位置關系不變，又要保證在CAM平臺中的編程坐標系與機床中設定的工件坐標系一致。

進行狹義CAM（數(shù)控編程）時，“零件”幾何體是“圖形交互式數(shù)控編程”中刀具運動的“驅動源”;“夾具”幾何體是刀具運動的“檢查邊界”（防碰撞檢查）;“毛坯（工件）”幾何體是“前置驗證（刀位驗證）”中的材料“去除源”。圖10就是Mastercam中“前置驗證”時的毛坯材料去除過程仿真。

5．2 從CAM平臺輸出刀具信息和數(shù)控程序到后置仿真平臺（Vericut）

使用狹義CAM平臺進行數(shù)控編程時，要選擇、確定各個工步所用的具體刀具;還要通過正確的后處理器（針對具體機床的CNC系統(tǒng)來選擇或定制），得到完整的數(shù)控程序。因此，已經(jīng)確定的刀具和數(shù)控程序這兩大信息，需要通過CAM平臺和Vericut的無縫接口，直接導入到Vericut中。圖11是從Mastercam平臺激活Vericut平臺的對話框——由此激活、打開的Vericut中，將自動導入這兩種信息，特別是刀具幾何信息。

刀具信息導入Vericut后，通過刀具管理器（Tool Manager），單獨、命名保存為“＊＊＊．tls”刀具庫文件以備后用。

至此，數(shù)控后置仿真第2階段準備工作完成。接下來，就是執(zhí)行和利用后置仿真。

6 數(shù)控加工后置仿真的執(zhí)行與成果利用（Vericut平臺內進行）

6．1 仿真前的最后準備工作

首先，打開前面保存的項目文件（*．vcproject）并確保項目樹的機床節(jié)點，就是已經(jīng)保存并命名的機床配置文件“＊＊＊．mech”;其次，通過刀具管理器調用前面已經(jīng)保持的“＊＊＊．tls”刀具庫文件;最后，右擊項目樹頂端控制器（Control）節(jié)點，打開匹配的CNC系統(tǒng)（這里的CNC系統(tǒng)與此前CAM后處理中的系統(tǒng)必須一致）文件，同時選擇“數(shù)控程序（NC Programs）”節(jié)點，添加CAM中完成的數(shù)控程序文件。當然，還有編程原點等的設置、調整工作。

6．2 執(zhí)行后置仿真并利用結果進行程序優(yōu)化

（1）開機加工（Play），看機床加工運動過程中是否有各種可能的碰撞發(fā)生;（2）使用分析（Analysis）菜單下的各個工具進行“加工尺寸測量（X－calibrator）”、“零件－毛坯對比（Auto－Diff）”等檢查工作;（3）使用“刀具路徑優(yōu)化菜單（Optipath）”工具，進行代碼優(yōu)化;（4）通過輸出報告（Create Report），可以得到刀具使用清單（Tool Summary）、加工時間（Original Total Time）（包括優(yōu)化時間）等有價值的參考信息;（5）把最終的優(yōu)化代碼，輸出給實際機床使用。

7 結語

本文以四軸臥式加工中心上加工閥體零件為實例，闡述面向數(shù)控加工過程的數(shù)控程序驗證、仿真問題。文中詳細介紹了解決該問題的思路和方法:把設計平臺（本文以Inventor和Solidworks為例，其他平臺如Pro/E、Catia、UGNX等等都是一樣的）與數(shù)控加工仿真平臺（Vericut）的關聯(lián)使用，可以實現(xiàn)數(shù)控加工過程的完美驗證。借助仿真技術，可以幫助生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)更高的Q、E、C（質量、效率、成本）目標。

實際推廣使用時，根據(jù)企業(yè)具體情況，可以采取下面一些對策:（1）機床尺寸規(guī)格改變時，只需調整全局驅動變量L·W;（2）機床CNC系統(tǒng)不同，只需調整“控制器（Control）”節(jié)點（當然，CAM后處理器也需作相應調整）;（3）任何新產(chǎn)品新零件（如發(fā)動機箱體類零件）的數(shù)控加工后置驗證，只需在設計平臺安裝好“零件（毛坯）－夾具”組件，然后進行“第2階段的工作”即可;（4）推而廣之，任何配置、任何布局類型的數(shù)控機床，都可以照此思路，建立起“后置驗證”特征庫與驗證模型庫，以備隨時調用;（5）多工序加工（柔性生產(chǎn)流動）中，可以完成整個數(shù)控工藝規(guī)程（流程）的仿真;（6）進一步考慮加工過程中的切削力、磨損、振動等深層次運動學和動力學問題以及由此對加工精度產(chǎn)生的各種影響問題，可以在此基礎上展開，即用計算機進行加工過程的運動學和動力學分析——CAE。

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