高 駿，孟 勇，鐘 浩

(重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050)

隨著數(shù)字化、信息化與先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化的設(shè)計(jì)、工藝、仿真、制造等技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟并廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域，給制造業(yè)帶來了巨大的變革。因此，針對機(jī)械加工工藝驗(yàn)證周期長[1-3]、所耗費(fèi)人力物力大的問題，為降低產(chǎn)品研發(fā)成本，本文通過運(yùn)用設(shè)計(jì)與工藝的協(xié)同平臺(tái)，基于統(tǒng)一模型開展數(shù)據(jù)接口開發(fā)研究[4-7]，通過虛擬仿真平臺(tái)將實(shí)物制造環(huán)境映射到數(shù)字環(huán)境中[8-9]，實(shí)現(xiàn)在三維可視化環(huán)境下進(jìn)行加工工藝工序建模、加工坐標(biāo)系建立與變換、多工位仿真加工，完成對加工工藝設(shè)計(jì)的可行性和合理性驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)加工工藝的提前驗(yàn)證，提升制造工藝的迭代優(yōu)化效率，避免制造環(huán)節(jié)錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量。

1 仿真加工關(guān)鍵技術(shù)概述

基于TeamCenter與VERICUT的仿真加工技術(shù)流程如圖1所示。首先開展三維零件機(jī)械加工工藝工序建模研究，按工序內(nèi)容和關(guān)聯(lián)的資源創(chuàng)建機(jī)械加工工藝工序模型；然后開展零件的數(shù)控編程工作，完善工序模型、刀具信息及加工設(shè)備信息；最后開展虛擬加工技術(shù)中加工坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換研究，搭建三維工藝仿真加工平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)零件多工位仿真加工代替實(shí)物驗(yàn)證。

上述仿真加工過程中存在重復(fù)導(dǎo)入數(shù)控程序、設(shè)置加工毛坯參數(shù)等問題，因此本文將從機(jī)械加工工藝工序建模、數(shù)據(jù)接口開發(fā)及參數(shù)設(shè)置、加工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和多工位仿真加工4部分對基于TeamCenter與VERICUT仿真加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

2 仿真加工關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 PMI標(biāo)注與機(jī)械加工工序模型研究

基于TeamCenter與VERICUT的工藝設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證等所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來源于TeamCenter統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，首先設(shè)計(jì)零件的三維模型，并對其進(jìn)行三維制造信息(PMI)標(biāo)注(見圖2)，并在TeamCenter中利用分類庫創(chuàng)建了設(shè)備庫、刀具庫、工裝庫等資源庫(見圖3)。

基于TeamCenter建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，采用倒推法創(chuàng)建機(jī)械加工工藝工序模型。按照加工順序從零件最終狀態(tài)倒推至毛坯模型，即以下一道工序模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用同步建模進(jìn)行快速修改，生成本道工序模型，并基于下一道工序模型，利用WAVE幾何鏈接器關(guān)聯(lián)上一道工序模型，實(shí)現(xiàn)零件數(shù)據(jù)自動(dòng)更改、同步傳遞。因此，采用倒推法以上一道工序的模型為毛坯，本道工序的零件為目標(biāo)，按工序內(nèi)容和關(guān)聯(lián)的資源創(chuàng)建機(jī)械加工工藝工序模型(見圖4)。

根據(jù)對零件加工工藝的分析研究，在TeamCenter/CAM環(huán)境下建立2個(gè)程序組分別對應(yīng)零件頂面及底面的加工程序，添加加工所需要的刀具信息并設(shè)置刀具參數(shù)，以及在對應(yīng)的加工程序組下設(shè)置加工參數(shù)，建立工序中的加工方法，完成零件的加工刀軌(見圖5)。

2.2 接口開發(fā)技術(shù)與接口參數(shù)設(shè)置

基于TeamCenter已建立毛坯、刀具庫、數(shù)控程序、夾具、設(shè)計(jì)模型等要素，TeamCenter數(shù)據(jù)不能直接輸入VERICUT完成仿真加工，因此應(yīng)開發(fā)相應(yīng)接口，其目的是在零件多工位仿真加工時(shí)，可減少再次在項(xiàng)目中添加相關(guān)要素的操作，避免重復(fù)導(dǎo)入數(shù)控程序、設(shè)置加工毛坯等參數(shù)，從而節(jié)省大量仿真準(zhǔn)備時(shí)間。接口開發(fā)步驟如下。

1)進(jìn)入計(jì)算機(jī)環(huán)境變量，添加系統(tǒng)變量(見表1)，其中軟件版本為VERICUT 7.4.1、NX12.0。

表1 接口開發(fā)系統(tǒng)變量表

2)進(jìn)入計(jì)算機(jī)路徑X:SiemensNX12.0UGIImenus，打開文件custom_dirs.dat，在文件末尾新增環(huán)境變量值X:ProgramFilesCGTechVERICUT7.4.1windows64 xNX12.0english(NX12.0、VERICUT7.4.1為具體版本名稱)，指向TeamCenter下集成的NX平臺(tái)。

通過增加系統(tǒng)環(huán)境變量，開發(fā)了TeamCenter與VERICUT的接口，進(jìn)入加工模塊顯示VERICUT接口(見圖6)，接口參數(shù)界面可設(shè)置機(jī)床模板、設(shè)置工位、定義毛坯、夾具、定位以及加工程序等(見圖7)，完成參數(shù)設(shè)置后確認(rèn)輸出運(yùn)行仿真。

2.3 加工坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換研究

通過開發(fā)接口并設(shè)置仿真加工參數(shù)，確認(rèn)運(yùn)行后數(shù)據(jù)輸出到VERICUT中。零件加工工位應(yīng)建立相應(yīng)的加工坐標(biāo)系，其目的是將編程坐標(biāo)系與零件的基準(zhǔn)坐標(biāo)系重合，從而使數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)正確的仿真加工。建立加工坐標(biāo)系方法如圖8所示，添加G代碼偏置，設(shè)置為工作偏置，寄存器為54，工件坐標(biāo)原點(diǎn)參考位置為主軸到坐標(biāo)原點(diǎn)。執(zhí)行數(shù)控程序讀取到G54時(shí)，加工坐標(biāo)原點(diǎn)與編程坐標(biāo)原點(diǎn)重合，虛擬仿真加工實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的仿真動(dòng)作。

零件加工面通常不止一個(gè)，需完成多工位的仿真加工。以本文零件為例，第2工位加工時(shí)毛坯為第1工位仿真后的結(jié)果(見圖9)，此時(shí)待加工面未在正確的空間位置，因此應(yīng)對第2工位毛坯進(jìn)行相應(yīng)坐標(biāo)系變換，完成毛坯及夾具等組件的空間位置變換，從而實(shí)現(xiàn)零件正確的加工仿真。

根據(jù)毛坯尺寸及坐標(biāo)系位置進(jìn)行齊次坐標(biāo)變換，變換公式如下。

1)平移運(yùn)動(dòng)：將毛坯平移至正確位置，在X軸方向移動(dòng)x，在Y軸方向移動(dòng)y，在Z軸方向移動(dòng)z，以矩陣形式表示為：

(1)

2)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)：毛坯的坐標(biāo)系應(yīng)根據(jù)實(shí)際位置進(jìn)行變換，繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣分別如下：

(2)

(3)

(4)

空間坐標(biāo)系變換的步驟如下：通過第2工位項(xiàng)目樹選中整個(gè)夾具與毛坯組件，根據(jù)實(shí)際毛坯位置完成空間坐標(biāo)變換，在Z軸正方向移動(dòng)32 mm，繞Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，齊次變換矩陣如下：

(5)

完成對STOCK組件的坐標(biāo)變換(見圖10)，第2工位坐標(biāo)系變換后的初始狀態(tài)如圖11所示。

2.4 基于設(shè)計(jì)與工藝的仿真加工結(jié)果

基于TeamCenter與VERICUT仿真加工關(guān)鍵技術(shù)的研究，完成了基于TeamCenter的機(jī)械加工工藝工序建模，開發(fā)了TeamCenter與VERICUT數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌诓⒃O(shè)置了接口參數(shù)，采用空間坐標(biāo)變換完成了零件多工位仿真的加工坐標(biāo)系設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品三維模型到仿真加工的全過程(見圖12)。在虛擬仿真環(huán)境下，可實(shí)時(shí)查看仿真加工過程中虛擬機(jī)床與零件的狀態(tài)，觀察刀具與零件切削過程干涉、虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸與零件碰撞情況等，從而優(yōu)化數(shù)控程序，提高機(jī)床效能，縮短開發(fā)周期，有效保護(hù)機(jī)床和刀具。

本次實(shí)驗(yàn)以粗銑零件工序時(shí)間為目標(biāo)值進(jìn)行記錄，在構(gòu)建的虛擬環(huán)境中驗(yàn)證優(yōu)化后NC代碼的合理性，通過實(shí)物加工對比仿真驗(yàn)證優(yōu)化后的加工時(shí)間與傳統(tǒng)工序的加工時(shí)間結(jié)果(見表2)，在側(cè)面銑削中仿真驗(yàn)證后加工時(shí)間與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)加工總時(shí)間減少187 s。結(jié)果表明，通過仿真加工實(shí)現(xiàn)了零件粗銑加工工藝的優(yōu)化，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真加工提高機(jī)床效能的可行性。

表2 傳統(tǒng)工序與仿真驗(yàn)證后加工時(shí)間數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語

為減少工廠實(shí)物驗(yàn)證環(huán)節(jié)，通過對基于TeamCenter與VERICUT仿真加工關(guān)鍵技術(shù)的研究，驗(yàn)證機(jī)械加工工藝合理性和可行性提供了一種新的有效途徑。本文通過接口開發(fā)將TeamCenter與VERICUT實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，開展虛擬仿真加工技術(shù)研究，搭建了三維工藝仿真加工平臺(tái)，保證了工藝設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證等所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來源于TeamCenter統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)了在三維可視化環(huán)境下進(jìn)行加工工藝工序建模、加工坐標(biāo)系創(chuàng)建與變換、零件多工位仿真加工，驗(yàn)證了機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)的可行性和合理性，提高了工藝設(shè)計(jì)的效率。

結(jié)合虛擬加工環(huán)境驗(yàn)證數(shù)控代碼的合理性，并通過實(shí)物加工對比仿真驗(yàn)證優(yōu)化后的加工時(shí)間與傳統(tǒng)工序的加工時(shí)間結(jié)果，結(jié)果表明，僅零件粗銑工序加工效率就提高了21.8%，理論計(jì)算出完整加工單件零件時(shí)間可節(jié)約數(shù)十分鐘，從而驗(yàn)證了仿真加工提高機(jī)床效能的可行性，進(jìn)一步佐證了虛擬仿真平臺(tái)的正確性，為企業(yè)提高生產(chǎn)效率提供了依據(jù)。