宋健，顏士肖

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

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虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用

宋健，顏士肖

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

摘要：虛擬仿真技術(shù)是通過建立基于實際加工環(huán)境的虛擬仿真加工系統(tǒng)，模擬與實際加工完全吻合的加工情況，對數(shù)控加工的可靠性進(jìn)行檢驗。介紹了基于CAD/CAM的虛擬仿真加工系統(tǒng)的體系構(gòu)架、虛擬仿真加工系統(tǒng)中的機(jī)床建模和虛擬仿真加工功能的實現(xiàn)，并以實際案例說明了虛擬仿真技術(shù)的實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；數(shù)控加工；VERICUT軟件

0引言

隨著CAD/CAM技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，數(shù)控加工技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜零件的加工[1]，但隨著零件復(fù)雜程度的增加，加工零件的數(shù)控程序的潛在危險也隨之增加，可靠性降低。因此，在實際加工前，通常要進(jìn)行試切和計算機(jī)圖形仿真，以檢驗刀具軌跡的正確性和數(shù)控程序的可靠性，虛擬仿真技術(shù)以其獨有的優(yōu)點越來越受到重視[2,3]。

目前，商業(yè)化的CAM軟件如UG，Pro/E，MasterCAM，Cimatron等都具有一定的仿真功能，如刀具軌跡仿真和材料去除過程仿真功能，并且也提供了功能很強的二次開發(fā)接口(API)，基于這些二次開發(fā)接口可以開發(fā)專用的功能模塊。我國的一些研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者也開發(fā)出了具有一定實用性的數(shù)控仿真系統(tǒng)。此類系統(tǒng)通常采用C/C++編程語言，利用OpenGL作為圖形支持開發(fā)，該開發(fā)方法需要很高的編程技術(shù)。然而，不管是商業(yè)化的CAD/CAM軟件系統(tǒng)還是我國自主開發(fā)的數(shù)控仿真系統(tǒng)主要集中于刀具軌跡的仿真，沒有考慮具體的加工環(huán)境。而對于多坐標(biāo)數(shù)控加工，加工系統(tǒng)中的機(jī)床部件、刀具、工件、夾具等各組件的相對運動和空間位置超乎想象的復(fù)雜，存在很大的潛在碰撞危險[3]。因此，數(shù)控加工可靠性的驗證必須基于具體的加工環(huán)境。

本文在著重介紹虛擬仿真技術(shù)的原理基礎(chǔ)上，舉例說明基于VERICUT軟件的虛擬仿真技術(shù)，建立基于實際加工環(huán)境的虛擬仿真加工系統(tǒng)，模擬與實際加工完全吻合的加工情況，對數(shù)控加工的可靠性進(jìn)行檢驗。

1基于CAD/CAM的虛擬仿真加工系統(tǒng)的體系構(gòu)架

在開發(fā)虛擬仿真加工系統(tǒng)時，首先應(yīng)用CAD/CAM的設(shè)計功能建立機(jī)床和夾具的各主要零部件模型、工件模型，將其“裝配”為虛擬仿真加工系統(tǒng)的設(shè)備系統(tǒng)；然后應(yīng)用CAD/CAM的自動數(shù)控編程功能生成零件的數(shù)控加工程序，并根據(jù)刀具的選擇準(zhǔn)備刀具模型；經(jīng)過這兩步就可以完成虛擬仿真加工的模型和信息準(zhǔn)備。

虛擬仿真加工系統(tǒng)是建立在實際物理設(shè)備及其對應(yīng)的活動和信息的基礎(chǔ)上的，并且能夠隨著實際加工系統(tǒng)的改變而對其進(jìn)行維護(hù)。根據(jù)其功能，基于虛擬仿真加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可以分為三個層次和兩個用戶界面，如圖1所示。

圖1　虛擬仿真加工系統(tǒng)體系構(gòu)架

a) 虛擬仿真加工系統(tǒng)的三個層次

1) 物理層：該層是對應(yīng)的現(xiàn)實制造設(shè)備資源，它為虛擬仿真加工系統(tǒng)的建立提供必要的設(shè)備資源信息。

2) 模型層：該層通過對現(xiàn)實制造系統(tǒng)的數(shù)字化建立三個數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)設(shè)備資源和生產(chǎn)活動的集成。

3) 仿真層：該層執(zhí)行加工過程中的仿真，它集成了設(shè)備模型、數(shù)控程序、工件模型等。在該層虛擬仿真加工系統(tǒng)實現(xiàn)了最終功能，完成數(shù)控程序的校驗等功能。

b) 虛擬仿真加工系統(tǒng)的兩個用戶界面

1) 建模界面：操作員通過該CAD/CAM界面實現(xiàn)與物理層、模型層的交互，并且實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的維護(hù)。

2) 仿真界面：操作員應(yīng)用CAD/CAM開發(fā)專用的應(yīng)用模塊，實現(xiàn)與模型層的交互，建立虛擬仿真加工系統(tǒng)。操作員可通過該界面實現(xiàn)對虛擬仿真加工過程的控制，并接受反饋的仿真過程結(jié)果信息。

2虛擬仿真加工系統(tǒng)中的機(jī)床建模

機(jī)床建模是虛擬仿真加工系統(tǒng)的關(guān)鍵模型，是實際機(jī)床在虛擬仿真加工系統(tǒng)中的數(shù)字化模型，包括幾何模型和運動模型。

幾何模型是在CAD系統(tǒng)中建立的，首先根據(jù)實測得到的機(jī)床部件尺寸，建立相應(yīng)的模型，然后再根據(jù)相互關(guān)系進(jìn)行“裝配”，形成機(jī)床的幾何模型。虛擬仿真加工系統(tǒng)中，通過改變機(jī)床幾何模型各運動零部件的相對位置來模擬加工中虛擬機(jī)床的切削運動。

運動模型是處理機(jī)床幾何模型在數(shù)控程序控制下如何改變各運動零部件模型相對位置的模型，與機(jī)床的結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。以DMU 125P五軸加工中心為例，在運動模型建立過程中，機(jī)床各部件都視為剛體，這樣機(jī)床的結(jié)構(gòu)可抽象為一個運動鏈模型，如圖2所示。在運動鏈各組成環(huán)節(jié)的剛體上固接坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)變換，可以分析整個運動鏈的運動形式，建立運動鏈的依賴關(guān)系，即運動鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖3所示。

圖2　運動鏈

圖3　運動鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系

每一個機(jī)床零部件在數(shù)控指令驅(qū)動下的變換矩陣為其自身節(jié)點到根節(jié)點各個變換矩陣的乘積，如給定當(dāng)前的數(shù)控坐標(biāo)為(x,y,z,b,c)，則刀具和工件的變換矩陣分別為：

MT′=MT0×MZ×MY×MX=MT0×T(x,y,z)

MP′=MP0×MC×MB=RZ(c)×RX(-45)×RZ(b)×RX(45)

式中：Mn0表示零部件n變換之前的矩陣；

T(x,y,z)表示零部件的平移變換矩陣；

Rk(a)表示繞軸k旋轉(zhuǎn)a角。

3虛擬仿真加工功能的實現(xiàn)

a) 系統(tǒng)框架的建立

在虛擬仿真加工開始之前，針對工藝信息，選擇相應(yīng)的虛擬機(jī)床、虛擬刀具、虛擬夾具、工件模型組成虛擬仿真加工系統(tǒng)。在虛擬仿真加工中，虛擬機(jī)床在數(shù)控指令的驅(qū)動下帶動虛擬刀具、虛擬夾具、工件模型等模擬切削過程，實現(xiàn)對數(shù)控程序的正確性和可靠性的驗證，其系統(tǒng)框架如圖4所示。虛擬仿真加工系統(tǒng)主要包括數(shù)控程序檢查、數(shù)控程序翻譯、運動仿真、刀具軌跡檢查、碰撞檢測等模塊。

圖4　虛擬仿真加工系統(tǒng)框架

b) 程序檢查模塊

數(shù)控程序檢查模塊包括詞法、語法檢查，主要檢查程序中是否有數(shù)控指令集外的非法字符、數(shù)控指令的參數(shù)是否有效、語法上是否合乎邏輯等。

c) 程序翻譯模塊

數(shù)控程序翻譯模塊以機(jī)床的數(shù)控程序規(guī)范為基礎(chǔ)，用以提取G指令、M指令、坐標(biāo)、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、換刀、循環(huán)定義等信息，轉(zhuǎn)換為仿真數(shù)控代碼。這樣在虛擬仿真加工中，才能控制虛擬仿真加工系統(tǒng)的運動仿真和狀態(tài)設(shè)置，為運動仿真模塊提供必要的信息。

d) 運動仿真模塊

該模塊是虛擬仿真加工系統(tǒng)最關(guān)鍵的一個模塊，決定了后續(xù)的刀具軌跡檢查、碰撞檢查結(jié)果的正確性。在該模塊中，首先根據(jù)機(jī)床的運動模型，建立虛擬仿真加工系統(tǒng)各運動組件(包括虛擬機(jī)床各運動零部件、虛擬刀具、虛擬夾具和工件模型)的運動模型(即變換矩陣)；然后根據(jù)翻譯模塊所提供的坐標(biāo)值計算各運動組件的變換矩陣并應(yīng)用以改變各運動組件的位置，從而可以模擬虛擬仿真加工系統(tǒng)的運動，具體步驟如圖5所示。

圖5　運動仿真

e) 刀具軌跡檢查模塊

該模塊主要用于刀軸矢量的檢查，以避免刀軸的劇烈變化。大多數(shù)的CAM系統(tǒng)都提供了加工仿真和刀位軌跡(刀具軌跡數(shù)據(jù)包括刀位數(shù)據(jù)和刀軸矢量)仿真檢查功能。但對多坐標(biāo)加工而言，加工仿真和僅顯示刀位軌跡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的。在虛擬仿真加工系統(tǒng)運動模擬的過程中，該模塊在顯示刀位軌跡的同時，也顯示刀軸矢量，這樣可以準(zhǔn)確地檢查刀具相對于工件位置及刀軸的變化。

f) 碰撞檢測模塊

對五坐標(biāo)加工而言，刀具相對于工件的運動軌跡很復(fù)雜，難以預(yù)測，通常需要進(jìn)行仿真檢驗數(shù)控程序中可能出現(xiàn)的碰撞干涉。大多數(shù)CAM系統(tǒng)提供的加工仿真功能僅考慮刀具與工件、夾具間的碰撞檢查，而不能檢查可能出現(xiàn)的刀具與工作臺間、主軸與工件、夾具間的碰撞。在該模塊中，根據(jù)經(jīng)運動仿真模塊處理后的各運動零部件的相對位置，全面檢查可能出現(xiàn)的碰撞。

4應(yīng)用實例

DECKEL MAHO公司的DMU 125P機(jī)床是五軸五聯(lián)動加工中心，具有立臥轉(zhuǎn)換功能。在立式狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示，a軸為工作臺擺動，c軸為工作臺轉(zhuǎn)動。在臥式狀態(tài)下，主軸繞b軸旋轉(zhuǎn)90°，其他狀態(tài)與立式結(jié)構(gòu)相同。在該機(jī)床上進(jìn)行五軸五聯(lián)動的加工時，刀具相對于工件的空間運動軌跡復(fù)雜，加工前必須進(jìn)行虛擬仿真加工。

圖6　125P立式加工狀態(tài)

本文以VERICUT軟件為平臺，構(gòu)建了DMU 125P加工中心的虛擬仿真加工系統(tǒng)，用來檢驗數(shù)控加工程序、刀具軌跡與潛在的碰撞危險。在構(gòu)建125P加工仿真環(huán)境時，首先根據(jù)運動鏈關(guān)系建立機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系[4]，如圖7所示；然后建立機(jī)床的數(shù)字模型，如圖8所示；最后根據(jù)工件、刀具、夾具和機(jī)床的數(shù)字模型構(gòu)建虛擬仿真加工環(huán)境，如圖9所示。

圖7　DMU125P機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系

圖8　DMU125P機(jī)床數(shù)字模型

圖9　DMU125P機(jī)床虛擬仿真加工環(huán)境

5結(jié)語

隨著虛擬仿真技術(shù)研究的深入，該技術(shù)已不僅僅用于檢驗數(shù)控程序的可靠性，也用于數(shù)控程序的優(yōu)化?；贑AD/CAM軟件平臺，利用二次開發(fā)接口(API)開發(fā)數(shù)控

加工的優(yōu)化系統(tǒng)具有一定的可行性。通過建立典型零件和刀具的優(yōu)化參數(shù)知識庫，數(shù)控加工程序的優(yōu)化技術(shù)將得到越來越廣泛地應(yīng)用，可以顯著提高數(shù)控加工的效率，對于制造企業(yè)具有明顯的經(jīng)濟(jì)實用價值。

參考文獻(xiàn):

[1] 王先逵. 計算機(jī)輔助制造[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[2] 馬云龍. 數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)VERICUT[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.

[3] 張沖，汪方寶，等. 基于VERICUT的虛擬制造技術(shù)應(yīng)用[M]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2004.

[4] 廖桂波，張林，等. VERICUT在數(shù)控加工技術(shù)培訓(xùn)中技巧[M]. 2005.

Discussion on Applications of Simulation Technology in CNC Manufacturing

SONG Jian, YAN Shi-xiao

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

Abstract:The virtual simulation technology is used to check the CNC manufacturing process based on establishing the virtual simulation system, in which the real manufacturing environment can be miniched. The paper mainly introduces the architecture, machine modeling, and simulation functions of the simulation system based on CAD/CAM and describes the real process for example.

Keywords:virtual simulation; CNC manufacturing; VERICUT

中圖分類號：TH164;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0095-03

作者簡介：宋健(1978-)，男，安徽滁州人，碩士，主要從事數(shù)控加工及數(shù)字化制造技術(shù)研究。

收稿日期：2014-11-04 2014-08-04