目前大型數(shù)控五軸聯(lián)動加工中心在科研生產(chǎn)過程中，主要用于進(jìn)行大型復(fù)雜航空零部件與工藝裝備制造加工，因空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形體積大，常出現(xiàn)零件首件過切，未加工到位，機(jī)床與零件或工裝夾具干涉，模鍛件裝夾定位不準(zhǔn)確和加工超行程等問題，僅憑借數(shù)控編程技術(shù)人員個人經(jīng)驗(yàn)，工作量龐大且復(fù)雜，難以克服。

　　針對五坐標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床控制系統(tǒng)不具有數(shù)控加工過程的動態(tài)模擬仿真功能，筆者結(jié)合虛擬制造技術(shù)，在計(jì)算機(jī)輔助制造軟件(VERICUT 5.4)平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)了數(shù)控加工機(jī)床仿真系統(tǒng)模塊。該仿真系統(tǒng)可以在NC代碼的驅(qū)動下運(yùn)行，用以觀察數(shù)控機(jī)床部件運(yùn)動和零件的加工成形過程中空間運(yùn)動狀況，驗(yàn)證加工程序G代碼的正確性，防止實(shí)際加工過程中干涉和碰撞等故障發(fā)生。

　　該系統(tǒng)旨在以五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床為驗(yàn)證工作機(jī)，研究FIDIA C20控制系統(tǒng)的驅(qū)動工作原理，建立數(shù)控加工中心仿真工作平臺，進(jìn)行典型回轉(zhuǎn)曲輪軸和蒙皮鈑金工藝裝備五軸聯(lián)動銑切的加工過程模擬。涉及到仿真工作環(huán)境下的大型工藝裝備裝夾定位，確定數(shù)控刀具參數(shù)庫，模擬數(shù)控加工程序的運(yùn)行 過程等。

一、開發(fā)研究過程

　　1.五坐標(biāo)數(shù)控加工中心加工仿真系統(tǒng)技術(shù)研究

　　比較同類型仿真系統(tǒng)現(xiàn)狀，目前技術(shù)能力可以建立幾何仿真系統(tǒng)，模擬計(jì)算刀具切削速度、切削量和切削時(shí)間等。

　　(1)軟件系統(tǒng)研究方案制定與基礎(chǔ)工作調(diào)試準(zhǔn)備。

　?、俜桨钢贫ǎ菏紫葘?VERICUT 與 CATIA 軟件功能模塊測試驗(yàn)證聯(lián)接;然后建立五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)與運(yùn)動關(guān)系分析;最后生成五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心模擬系統(tǒng)。

　?、诨A(chǔ)工作調(diào)試準(zhǔn)備。首先建立 VERICUT 與 CATIA 機(jī)床模擬器軟件模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，在CATIA V5R15“加工模擬” 環(huán)境模塊內(nèi)建立宏編輯器，文本文件如下：

　　{' Entry point for CATIA V5

　　Sub CatMain() CATIA.SystemService.ExecuteBackgroundProcessus "C:\cgtech54\windows\commands\CATV.bat"

　　End Sub)｝

　　運(yùn)行宏與 VERICUT 數(shù)控仿真平臺聯(lián)接，其中“Design”表示加工元素?cái)?shù)模，“Stock”表示毛坯數(shù)模(包括復(fù)雜模段件)，而“Fixtures”表示夾具數(shù)模聯(lián)接至 VERICUT 數(shù)控仿真系統(tǒng)。

　　(2)建立機(jī)床主結(jié)構(gòu)框架模型裝配結(jié)構(gòu)。

　　機(jī)床模型的構(gòu)建要依據(jù)以下幾個步驟：

　?、?通過測量真實(shí)部件的尺寸來獲得相應(yīng)尺寸;

　　② 根據(jù)尺寸對機(jī)床各個部件進(jìn)行實(shí)體造型;

　?、?根據(jù)所建立的機(jī)床部件實(shí)體在 NC 機(jī)床構(gòu)建模塊里進(jìn)行組裝;

　?、?進(jìn)行機(jī)床模型運(yùn)動參數(shù)的設(shè)置。

　　以CATIA V5的“NC機(jī)器工具構(gòu)建模塊”為基礎(chǔ)，進(jìn)行復(fù)雜幾何實(shí)體造型，彌補(bǔ) VERICUT 5.4 系統(tǒng)幾何造型設(shè)計(jì)功能不足問題，建立機(jī)床框架模型裝配主結(jié)構(gòu)。機(jī)床框架主結(jié)構(gòu)模型建立說明如圖1 所示。

　　以工作臺上頂面幾何中心為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，建立工作臺(Base)尺寸(6000mm×2500mm×400mm)。帶雙側(cè)導(dǎo)軌、X軸部件、Y軸部件、Z軸部件、C軸部件、A軸部件、主軸部件和電主軸存儲箱，所有這些機(jī)床機(jī)構(gòu)部件構(gòu)成機(jī)床裝配結(jié)構(gòu)，機(jī)床各部件的三維數(shù)模文件分別單獨(dú)保存。

　　機(jī)床框架模型主結(jié)構(gòu)模型裝配關(guān)系為：以上頂面端面軸中心為數(shù)學(xué)模型基準(zhǔn)原點(diǎn)，保證其與A軸旋轉(zhuǎn)中心距為230mm(機(jī)床手冊查取后現(xiàn)場測量驗(yàn)證)。其中，X 軸部件、Y 軸部件和Z 軸部件為線性運(yùn)動，C 軸部件為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，A 軸部件為±110°擺動，工作臺和主軸存儲箱為固定基準(zhǔn)主體。

　　(3)機(jī)床主機(jī)構(gòu)模型文件聯(lián)接導(dǎo)入 VERICUT 系統(tǒng)環(huán)境。

　　以機(jī)床工作臺(Base)主參考體測量，按(圖2) 結(jié)構(gòu)樹順序采用相對運(yùn)動約束關(guān)系，建立機(jī)床原點(diǎn)靜止裝配數(shù)據(jù)模型，完善后轉(zhuǎn)化為*.STL文件。數(shù)據(jù)分別聯(lián)接入“Component tree”仿真控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹，形成五軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)(圖3)。

　　編制數(shù)控控制指令系統(tǒng)文件(fidia20.ctl 文件)與數(shù)控機(jī)床構(gòu)造文件(FOREST-LINE.mch文件)，模擬FIDIA C20 數(shù)控指令系統(tǒng)，翻譯識別檢查FIDIA C20系統(tǒng)(GM)指令，驅(qū)動結(jié)構(gòu)樹內(nèi)X軸部件、Y 軸部件、Z軸部件(線性運(yùn)動)、C軸部件(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動)和A軸部件(擺動)同步聯(lián)合運(yùn)動。

　　(4)機(jī)床主機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動關(guān)系設(shè)置。

　　機(jī)床框架主結(jié)構(gòu)模型運(yùn)動關(guān)系說明：以工作臺和主軸存儲箱為固定基準(zhǔn)，其中X軸部件、Y軸部件和Z軸部件為線性運(yùn)動，C軸部件為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動±360°，A 軸部件為±110° 擺動，建立運(yùn)動約束關(guān)系。同時(shí)按編制的FOREST-LINE五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床文件(FOREST-LINE.mch 文件)，模擬機(jī)床實(shí)體機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程，機(jī)床的空間運(yùn)行狀態(tài)同步顯示如圖4。

　　設(shè)置機(jī)床仿真系統(tǒng)工作行程軟邊界：X 軸、Y 軸、Z 軸、C 軸和 A 軸工作行程的上下邊界如圖 5 所示。

　　其中，圖5所示為在執(zhí)行蒙皮成型工藝裝備五軸聯(lián)動劃線時(shí)，Z向超過行程，則仿真系統(tǒng)顯示機(jī)床 Z 向運(yùn)動機(jī)構(gòu)為紅色報(bào)警。執(zhí)行蒙皮五軸聯(lián)動劃線和鉆孔加工時(shí)，工藝實(shí)施要考慮到空間位置的 X 軸、Y 軸和 Z 軸，包括 A 軸和 C 軸的角度運(yùn)動行程狀態(tài)，此時(shí)仿真系統(tǒng)可顯示機(jī)床 X 軸、Y 軸、Z 軸、A 軸和 C 軸中任意運(yùn)動機(jī)構(gòu)過行程紅色報(bào)警提示。

　　(5)零件模型、模鍛件模型與夾具模型定位仿真加工。

　　在仿真控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹內(nèi)填加夾具(Fixture)和毛坯(Stock)聯(lián)接樹結(jié)構(gòu)接口，分別定義空間位置并進(jìn)行位置裝配約束，進(jìn)行調(diào)用拼裝組合夾具定位(圖6) 或模鍛件定位(圖7)加工。

　　應(yīng)用說明：夾具(Fixture)聯(lián)接結(jié)構(gòu)樹接口可以直接讀取，其中專用工裝夾具可以與公司產(chǎn)品相應(yīng)工藝裝備文件連接。標(biāo)準(zhǔn)組合夾具可以直接調(diào)用拼裝夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫，然后在仿真系統(tǒng)內(nèi)組合裝配應(yīng)用。

　　(6)機(jī)床附件數(shù)學(xué)模型定義。

　　在刀具庫(圖8) 當(dāng)中建立讀入功能，這樣有利于多人模板化應(yīng)用，從而經(jīng)過積累形成刀具參數(shù)庫(GYTOOL.tls 文件)，仿真系統(tǒng)內(nèi)存有的刀具參數(shù)庫需按實(shí)際刀具幾何特征添加。刀具的分類一般按功能定義：銑刀、中心鉆、鉆和鏜刀。

　　仿真加工中心刀具數(shù)據(jù)參數(shù)庫可以按加工工件材料和刀具幾何結(jié)構(gòu)功能特征分類，采用數(shù)據(jù)庫優(yōu)化管理所使用的刀具。

　　2.五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究

　　(1)五坐標(biāo)數(shù)控加工G代碼程序與數(shù)控控制系統(tǒng)連接設(shè)置調(diào)試。

　　由于實(shí)際數(shù)控機(jī)床選用的是FIDIA20數(shù)控指令系統(tǒng)，因此五軸聯(lián)動加工過程中為便于系統(tǒng)空間幾何運(yùn)算，采用絕對坐標(biāo)和刀具中心端點(diǎn)為轉(zhuǎn)心的模式進(jìn)行后置處理程序G代碼指令的過程模擬，F(xiàn)IDIA20數(shù)控指令系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)與機(jī)床控制系統(tǒng)選項(xiàng)匹配。

　　(2)五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)應(yīng)用測試。

　　圖9所示為蒙皮零件成型工裝五軸聯(lián)動加工投產(chǎn)前，在五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)內(nèi)模擬應(yīng)用。該零件的工藝裝備最大外形10 500mm×2 535mm×545mm，其中成型面為復(fù)雜雙曲面，采用長度方向兩側(cè)局部拼接加工。在五軸聯(lián)動加工時(shí)，邊界為：X-2 227.081，Y 679.116，Z553.417。位置主軸角度為：A -16.333°， C-173.124°，工裝定位未超出機(jī)床工作行程。通過仿真系統(tǒng)分析兩次定位模擬加工，顯示零件加工過程的直觀狀態(tài)，C 軸部件和 A 軸部件大角度聯(lián)動空間狀態(tài)可以在不同視角觀測，以驗(yàn)證工藝過程合理性，避免裝夾定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致超程重復(fù)工作。

　　模擬調(diào)用五軸聯(lián)動加工數(shù)控程序如下。

　　N1 G96 G90

　　N2 G00 X0.0 Y0.0 Z100.0 A0 C0

　　N3 G40 M08

　　N4 T0M06

　　N5 G00 X2947.902 Y1068.768 Z506.928 A9.599 C6.887 S70 M03

　　N6 G01 X2951.861 Y1078.168 Z508.439 A9.761 C6.881 F1000

　　N7 X2955.135 Y1087.657 Z510.006 A9.928 C6.875

　　N8 X2957.726 Y1097.173 Z511.619 A10.098 C6.868

　　N9 X2959.657 Y1106.654 Z513.269 A10.271 C6.861

　　N10 X2960.957 Y1116.051 Z514.945 A10.446 C6.854

　　N11 X2961.652 Y1125.324 Z516.642 A10.621 C6.847

　　N12 X2961.751 Y1134.44 Z518.351 A10.798 C6.84

　　N13 X2961.188 Y1145.135 Z520.41 A11.009 C6.832

　　N14 X2959.884 Y1155.53 Z522.468 A11.218 C6.825

　　N15 X2957.918 Y1165.602 Z524.517 A11.425 C6.82

　　N16 X2955.336 Y1175.335 Z526.55 A11.628 C6.815

　　N17 X2952.165 Y1184.713 Z528.561 A11.828 C6.812

　　N18 X2948.428 Y1193.717 Z530.543 A12.025

　　N19 X2944.203 Y1202.356 Z532.493 A12.218

　　N20 X2939.488 Y1210.611 Z534.404 A12.408 C6.814

　　N21 X2933.417 Y1219.752 Z536.579 A12.625 C6.818

　　N22 X2927.727 Y1227.143 Z538.387 A12.806 C6.823

　　N23 X2921.653 Y1234.148 Z540.145 A12.982 C6.829

　　N24 X2914.075 Y1241.802 Z542.12 A13.181 C6.837

　　N25 X2907.149 Y1247.876 Z543.736 A13.345 C6.845

　　N26 X2899.895 Y1253.546 Z545.286 A13.504 C6.852

　　N27 X2890.995 Y1259.597 Z546.996 A13.68 C6.861

　　N28 X2882.992 Y1264.256 Z548.362 A13.821 C6.868

　　N29 X2874.69 Y1268.464 Z549.64 A13.952 C6.873

　　N30 X2866.079 Y1272.173 Z550.816 A14.073 C6.878

　　N31 X2857.17 Y1275.354 Z551.88 A14.182 C6.882

　　N32 X2847.984 Y1278.009 Z552.827 A14.278 C6.886

　　N33 X2838.53 Y1280.104 Z553.648 A14.362 C6.888

　　N34 X2828.82 Y1281.598 Z554.328 A14.431 C6.89

　　N35 X2818.873 Y1282.453 Z554.854 A14.485

　　N36 X2808.713 Y1282.648 Z555.22 A14.523

　　N37 X2798.364 Y1282.143 Z555.411 A14.544

　　N38 X1954.551 Y1183.258 Z555.976 A14.738 C6.776

　　N39 X238.175 Y981.947 Z556.221 A15.351 C6.705

　　N40 M05

　　N41 M02

二、試驗(yàn)件加工驗(yàn)證

　　仿真系統(tǒng)可以根據(jù)零件加工程序驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動，計(jì)算模擬零件、刀具系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)的切削工作過程。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，仿真系統(tǒng)模擬出所加工零件的即時(shí)狀態(tài)，準(zhǔn)確反映出機(jī)構(gòu)干涉發(fā)生位置和相應(yīng)程序位置。數(shù)控程序執(zhí)行結(jié)束后，系統(tǒng)將準(zhǔn)確直觀地顯示零件切削結(jié)果和毛坯切削殘留狀況，同時(shí)計(jì)算模擬出零件過切或未切到位量，并生成模擬數(shù)值報(bào)表。

　　在圖10所示的實(shí)際測試切削應(yīng)用過程中，拼裝夾具裝 夾結(jié)構(gòu)略有變動，裝夾方式一致，圓柱曲面導(dǎo)向槽五軸聯(lián)動加工按輪軸曲線槽數(shù)據(jù)檢測，符合設(shè)計(jì)要求。

三、結(jié)論

　　通過上述研究試用的證明，利用該系統(tǒng)可以有效預(yù)防首件過切、未加工到位、機(jī)床與零件干涉、模鍛件裝夾定位，以及由于加工超行程和毛坯定義不準(zhǔn)等因素帶來的加工余量不均勻、空行程，以及打刀等問題，提高加工效率，保證數(shù)控編程質(zhì)量，減少數(shù)控技術(shù)人員與操作人員的工作量和勞動強(qiáng)度，提高五坐標(biāo)數(shù)控編程制造加工一次成功率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工周期，提高生產(chǎn)效率。