0 引言

　　機(jī)床仿真是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下用來模仿機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的空間位置關(guān)系，當(dāng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，用來檢查機(jī)床運(yùn)動(dòng)的主要工作對(duì)象比如主軸頭與工件、刀柄與工件和主軸與夾具等是否出現(xiàn)碰撞、干涉等問題，非常適用于機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況比較抽象，難以用傳統(tǒng)的方法檢查和控制的四軸、五軸機(jī)床的數(shù)控加工。　　目前汽車、航空等行業(yè)的零部件，形狀越來越復(fù)雜，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中加工零件數(shù)控編程的要求也越來越高，沒有經(jīng)過檢驗(yàn)的數(shù)控加工程序也不可能流入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中去，過去都是進(jìn)行首件檢驗(yàn)，占用了一定的數(shù)控機(jī)床的輔助時(shí)間。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用軟件仿真的技術(shù)得到快速的發(fā)展，也越來越成熟，多軸仿真機(jī)床在零件試切的程序調(diào)試方面發(fā)揮的作用突出，NX軟件在這方面顯示了強(qiáng)大的功能和作用。

　　五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心主要用于能源、飛機(jī)、汽車和模具等大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的高速加工。如今的五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心正朝高速、高精、復(fù)合、柔性和多功能方向發(fā)展，追求更高質(zhì)量和更高效率。

　　德國DST公司作為一家專門生產(chǎn)五軸加工中心的公司，為世界不少知名汽車模具廠商、航空制造商及葉片制造商提供了五軸加工中心。本文舉例的T35龍門五軸加工中心是目前該公司為中國廠家生產(chǎn)的一臺(tái)龍門式五軸機(jī)床。

　　下面以NX7.5為平臺(tái)，以T35機(jī)床為具體事例從6個(gè)方面對(duì)創(chuàng)建龍門式多軸機(jī)床加工仿真系統(tǒng)進(jìn)行論述。

1 NX模擬數(shù)控仿真加工建立流程

　　NX機(jī)床庫當(dāng)中提供了各種結(jié)構(gòu)比較典型的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，可以進(jìn)行碰撞仿真加工。首先建立機(jī)床裝配模型，接著利用機(jī)床構(gòu)造器建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系，然后用后處理構(gòu)造器建立其虛擬控制器，再將機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型集成到NX集成系統(tǒng)中，最后實(shí)現(xiàn)在NX集成系統(tǒng)中建立工件實(shí)體模型、進(jìn)行刀路規(guī)劃與切削仿真，調(diào)用機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行干涉檢查仿真，模擬數(shù)控機(jī)床加工進(jìn)行加工程序的驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后傳輸加工程序至數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)加工。下面是以T35龍門五軸加工中心為例介紹建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的方法和過程。

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析

　　五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心國際主流機(jī)床按結(jié)構(gòu)可分為：定梁定柱工作臺(tái)移動(dòng)式、橫梁升降的動(dòng)梁定柱工作臺(tái)移動(dòng)式、動(dòng)梁動(dòng)柱工作臺(tái)固定式和橋式龍門式結(jié)構(gòu)。按擺頭結(jié)構(gòu)分為3種：AC擺、BC擺和AB擺。

　　通過分析T35龍門加工中心為定梁定柱工作臺(tái)移動(dòng)式，擺頭結(jié)構(gòu)為BC擺的機(jī)床。明確了各軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)組件模型化并建立機(jī)床模型，機(jī)床模型共包括5個(gè)部分運(yùn)動(dòng)組件，分別是：機(jī)床床身、X軸運(yùn)動(dòng)組件、Y軸運(yùn)動(dòng)組件、Z軸運(yùn)動(dòng)組件、B軸運(yùn)動(dòng)組件和C軸運(yùn)動(dòng)組件。

3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)定義過程

　　3.1 機(jī)床裝配建模

　　按照機(jī)床圖紙的幾何尺寸，可以在NX中用零件建模工具分別建立機(jī)床6個(gè)運(yùn)動(dòng)組件的零件實(shí)體模型；機(jī)床床身machine_base.Prt、機(jī)床X軸運(yùn)動(dòng)組件x_slide.Prt、機(jī)床y軸運(yùn)動(dòng)組件y_slide.Prt、機(jī)床Z軸運(yùn)動(dòng)組件z_slide.Prt、機(jī)床B軸運(yùn)動(dòng)組件b_slide.Prt和機(jī)床C軸運(yùn)動(dòng)組件c_slide.Prt。在NX的裝配模塊，新建一個(gè)機(jī)床裝配模型文件sim19_5Axis_bc_axis.prt采用從底向上的設(shè)計(jì)方法將前面分別創(chuàng)建的機(jī)床六部分零件添加到裝配體中來。如果機(jī)床的圖紙尺寸不全或者沒有，也可以采用自頂而下的設(shè)計(jì)方法建立機(jī)床裝配模型。先新建一個(gè)機(jī)床裝配模型文件sim19_5Axis_bc_axis.prt，將其中已有的部分零件添加進(jìn)裝配體，缺少的零件可先將名稱建立起來，再到現(xiàn)場(chǎng)去測(cè)量機(jī)床上的無圖紙的零件尺寸，同時(shí)注意各軸的運(yùn)動(dòng)正負(fù)方向。各部分有關(guān)聯(lián)配合尺寸的地方，可以用NX裝配的wave鏈接功能進(jìn)行上下文關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。五軸機(jī)床尤其要注意主軸頭部的尺寸，尺寸精度最好需要精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，目的是讓后面的加工仿真時(shí)候更具實(shí)際意義。有的時(shí)候刀具軸的變化限制恰恰需要的就是那么一點(diǎn)間隙，可謂差之毫厘，謬以千里。

　　3.2 定義機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系

　　(1)打開前面創(chuàng)建的機(jī)床裝配體，進(jìn)入到機(jī)床構(gòu)建器模塊。機(jī)床導(dǎo)航條看到機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的名字No_name，重新命名為sim19_5ax_XYZBC，這是運(yùn)動(dòng)模型的指針。

　　(2)選擇機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)本體machine_base.Prt，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部分是建立在模型中不動(dòng)的承載各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的部分，名稱為Machine_base，分類設(shè)為床身。選擇機(jī)床連接點(diǎn)坐標(biāo)系csys分類為機(jī)床原點(diǎn)MA-CHINE ZERO，位置在工作臺(tái)中央。

　　(3)選擇x_slide.Prt作為第一運(yùn)動(dòng)軸X軸的載體，插入直線軸X軸，設(shè)置運(yùn)動(dòng)上下極限范圍12m。

　　(4)選擇y_slide.Prt作為第二運(yùn)動(dòng)軸Y軸的載體，插入直線軸y軸，設(shè)置運(yùn)動(dòng)上下極限范圍9m。

　　(5)選擇z_slide.Prt作為第三運(yùn)動(dòng)軸Z軸的載體，插入直線軸Z軸，設(shè)置運(yùn)動(dòng)上下極限范圍1.5m。設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接點(diǎn)ROT_JCT，位置在C軸與B軸軸線交點(diǎn)上，方向與機(jī)床坐標(biāo)系同向。這個(gè)點(diǎn)就是C軸和B軸旋轉(zhuǎn)軸的原點(diǎn)。

　　(6)選擇c_slide.Prt作為第四運(yùn)動(dòng)軸C軸的載體，插入旋轉(zhuǎn)軸C軸，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度極限，本機(jī)床位0°～360°。

　　(7)選擇b_slide.Prt作為第五運(yùn)動(dòng)軸B軸的載體，插入旋轉(zhuǎn)軸B軸，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度極限，本機(jī)床位-90°～+90°。

　　(8)插入一機(jī)床組件主軸spindle不用選擇任何實(shí)體，設(shè)置刀具連接點(diǎn)S*，位置在B軸的端面上，是刀具與主軸連接的地方。創(chuàng)建刀具幾何裝配坐標(biāo)系時(shí)要將X軸向沿著刀具軸線，指向刀尖。

　　(9)在主軸下插入刀具庫pocket_1、2、3…。

　　(10)在x_slide下建立工件集指針setup，它是一個(gè)虛擬的裝配體，有名稱沒有具體的實(shí)體，具體內(nèi)容需要在仿真任務(wù)開始前指定添加。這個(gè)裝配體下包括的組件有：工件PART、毛坯BLANK和夾具FIXTURE，并進(jìn)行分類選擇。分類后它們的類型如下：

　　PART；PART和SETUP ELEMENT；

　　BLANK；WORKPIECE和SETUP_ELE_MENT；

　　F1 XTLIRE:SETUP_ ELEMENT

　　這個(gè)setup工件裝配體工作組它所依附的父運(yùn)動(dòng)件須是擺放安裝零件的地方，也就是工作臺(tái)。工作臺(tái)一般情況下分為2種狀態(tài)：一是在機(jī)床本體上是不動(dòng)的，setup就是要設(shè)置在machlne-base下的子工作組；二是在運(yùn)動(dòng)軸上，setup就需要設(shè)置在slide下的子工作組。

4 虛擬機(jī)床控制器創(chuàng)建

　　機(jī)床仿真還需要給它一個(gè)虛擬的控制器，簡稱VNC控制器，這個(gè)VNC是嵌入在MOMPOST事件處理器的，事件處理器生成NC程序。VNC+POST定義機(jī)床仿真控制器。

　　使用PostBuild工具，建立5軸BC角擺頭和轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)類型機(jī)床的后置文件，注意各軸定義的輸出地址必須和機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型定義的定名一致。除了后處理常規(guī)的設(shè)置以外，勾選“創(chuàng)建VNC控制器”選項(xiàng)，其中檢查機(jī)床刀具安裝主件SPINDLE、連接點(diǎn)TOOL_MOUNT_JCT，程序零參考X_SLIDE，NC各個(gè)軸的名稱XYZBC，4軸5軸的旋轉(zhuǎn)限制；控制器里面的初始設(shè)置，快速運(yùn)動(dòng)模式、主軸轉(zhuǎn)向、進(jìn)給率模式以及坐標(biāo)輸入模式，特殊NC代碼；默認(rèn)程序定義，刀具數(shù)據(jù)等所有單項(xiàng)。

5 配置仿真系統(tǒng)與NX軟件集成

　　將仿真機(jī)床插入NX機(jī)床庫中，與NX系統(tǒng)進(jìn)行集成可實(shí)現(xiàn)在NX/CAM系統(tǒng)中調(diào)用。機(jī)床庫的位置在NX安裝目錄下：

　　X:\ProgramFiles\NXS\NX7.5\MACH\resource\library\machine\installed_machines在其下新建子機(jī)床文件夾sim19，在sim19分別建立3個(gè)子文件夾graphics、postprocessor、cse_driver和一個(gè)dat配置文件。

　　Graphics文件夾保存創(chuàng)建完成的機(jī)床模型，postprocessor文件夾放置后處理器與虛擬后處理器，cse_driver文件夾放置系統(tǒng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器，其下包含4個(gè)主要模組控制器動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL’s)文件、控制器配置文件(CCF)、機(jī)床配置文件(MCF)和子程序(subprog)等。

　　在NX界面里調(diào)用機(jī)床請(qǐng)編輯面板文件machine_database.dat，它是NX系統(tǒng)文件中的機(jī)床配置文件，在機(jī)床配置文件中添加新建機(jī)床信息：位置在X:\ProgramFiles\NXS\NX7.5\MACH\resource\library\machine\ascii文件夾里。NX在仿真時(shí)選擇機(jī)床的菜單定制就在這個(gè)文件中時(shí)對(duì)話框中出現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)床信息。在NX系統(tǒng)文件中的后處理器庫文件夾下新建一個(gè)配置文件sim19_mm.dat，在該文件中添加機(jī)床需要調(diào)用的后處理器，在碰撞仿真過程中讀取和顯示刀軌源代碼時(shí)調(diào)用相應(yīng)的后置處理器。

6 虛擬機(jī)床加工仿真干涉驗(yàn)證

　　進(jìn)入CAM環(huán)境打開已經(jīng)生成好加工路徑的文件，這個(gè)文件包含零件毛坯夾具等一切真實(shí)加工環(huán)境里所有的相關(guān)件。打開仿真機(jī)床，調(diào)用仿真機(jī)床控制面板里的一個(gè)仿真選項(xiàng)，在這個(gè)選項(xiàng)下面包含一碰撞檢測(cè)欄目，包含著2個(gè)開關(guān)，一是打開碰撞開關(guān)，二是指定碰撞對(duì)。

　　在這里選擇會(huì)發(fā)生碰撞的一對(duì)對(duì)象，比如可以假設(shè)第一對(duì)象旋轉(zhuǎn)C軸與第二對(duì)象加工零件PART是一對(duì)碰撞對(duì)象；返回到仿真選項(xiàng)面板中設(shè)置好碰撞發(fā)生時(shí)候的系統(tǒng)顯示“碰撞時(shí)停止”。在模擬時(shí)候，發(fā)生碰撞仿真機(jī)床系統(tǒng)就會(huì)停止。

　　在仿真機(jī)床上調(diào)試數(shù)控加工刀路非常便捷，一是可以設(shè)置仿真面板里的長度增量、角度增量和時(shí)間增量，調(diào)節(jié)仿真的顯示速度；二是直接在仿真狀態(tài)下修改不合理的刀路，改變的結(jié)果再次仿真驗(yàn)證結(jié)果，所改即所得，讓編程人員看到在任何情況下機(jī)床的關(guān)鍵部件、夾具和切削刀具的準(zhǔn)確位置。用軟件仿真來實(shí)現(xiàn)程序調(diào)試工作，所花費(fèi)的時(shí)間只有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的數(shù)十分之一。因此機(jī)床仿真就成為NC編程人員必不可少的武器，而不僅僅是作為一個(gè)有用的程序驗(yàn)證工具。

7 結(jié)論

　　本文創(chuàng)建了T35機(jī)床的仿真系統(tǒng)，對(duì)在其上加工的復(fù)雜零件刀具路徑及機(jī)床運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行精確的模擬加工，真實(shí)地反映和再現(xiàn)實(shí)際的加工過程，大大減少了機(jī)床的試切時(shí)間，提高了CAM程序的安全性和可靠性，降低了產(chǎn)品研發(fā)的成本。