周云曦

ZHOU Yun-xi

（常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

0 引言

先進的五軸五聯(lián)動數(shù)控加工中心在復(fù)雜零部件的生產(chǎn)制造方面具有明顯的優(yōu)勢和重要現(xiàn)實意義。UG軟件是SIEMENS公司開發(fā)的一款CAD/CAM/CAE集成軟件。該軟件的切削加工集成仿真和驗證功能（IS&V）可以實現(xiàn)數(shù)控機床虛擬加工零件的整個過程（如圖1所示）。

圖1 CAM控制處理關(guān)系

IS&V可以虛擬仿真機床控制器功能，包括循環(huán)指令、宏程序調(diào)用、子程序調(diào)用；同時可以檢測機床部件、夾具、刀具、零件之間的碰撞。技術(shù)人員通過運用IS&V功能可以避免花費昂貴和耗時的空運行檢查，從而降低成本，減少操作者干涉；通過減少碰撞降低機床、夾具和工件損壞風(fēng)險；最終提升企業(yè)的生產(chǎn)效能。本文運用UG軟件進行TOM1060型五軸聯(lián)動加工中心的虛擬機床及后置處理開發(fā)。

1 構(gòu)建虛擬機床模型

TOM1060型五軸加工中心配備SIEMENS840D sl數(shù)控系統(tǒng)，采用雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)。各運動軸行程XYZ1000mmX600mmX500mm，A軸±110℃，C軸±180℃。

在使用UG軟件進行IS&V時，首先需要運用UG建模功能按照床身本體（machine_base）、Z軸部件（Z_slide）、X軸部件（X_slide）、Y軸部件（Y_slide）、A軸部件（A_table）和C軸部件（C_table）的分類，創(chuàng)建模型數(shù)據(jù)；其次運用裝配功能將各部件裝配成完整的機床模型數(shù)據(jù)，各裝配體之間建立約束關(guān)系，限制自由度；最后將XYZAC各軸部件設(shè)定與真實機床相一致的初始位置，從而完成虛擬機床模型的構(gòu)建。

2 創(chuàng)建虛擬機床運動模型

虛擬機床模型構(gòu)建完成后，需要對其定義運動模型（Kinematics Model）。運動模型定義裝配零部件之間的關(guān)系，以及軸的名稱、方向、行程和聯(lián)結(jié)點。仿真過程將利用運動模型和機床驅(qū)動器提供的信息使機床運動起來。

雙轉(zhuǎn)臺型五軸加工中心的運動模型創(chuàng)建，需要按照右手笛卡爾法則設(shè)定主軸方向T、第四軸矢量P、第五軸矢量S、第四軸聯(lián)結(jié)點CP、第五軸聯(lián)結(jié)點CS、機床坐標(biāo)系M（圖），同時為虛擬機床控制器（VNC）配置MOM變量名（如圖2、表1所示）。

圖2 虛擬機床坐標(biāo)關(guān)系

表1 配置MOM變量名

運用UG軟件機床構(gòu)建器功能（MTB）為機床定義運動模型。MTB通過運動樹結(jié)構(gòu)創(chuàng)建運動模型。這個運動樹包含運動部件和其對應(yīng)關(guān)系。運動部件是機床的物理模型。當(dāng)父部件運動，其下屬子部件也跟隨運動，關(guān)系如圖3所示。

圖3 虛擬機床運動模型關(guān)系

3 創(chuàng)建虛擬機床驅(qū)動器（后置開發(fā)）

機床驅(qū)動器（MTD）創(chuàng)建模仿CNC控制器的CNC程序。CNC控制器模仿器（或虛擬NC控制器）是一個可編程的界面，可以按照實際的運動設(shè)定機床模型以及設(shè)定這些運動如何顯示。機床仿真過程中的所有運動和反饋都由MTD控制。

相比較而言，MTD類似于機床仿真器，而CNC控制器就類似它控制的機床。對機床庫中的每臺機床都有一個對應(yīng)的MTD驅(qū)動器（NX標(biāo)準安裝帶有12臺普通的MTD）。若要創(chuàng)建一臺新的機床，可以修改現(xiàn)有的MTD以符合新機床的特點。

TOM1060型五軸加工中心在完成虛擬機床模型和運動模型設(shè)計后，虛擬機床類似于真實的數(shù)控機床還要有CNC控制器來控制各類運動。在UG軟件中的機床驅(qū)動器（MTD）功能可以創(chuàng)建模仿CNC控制器的CNC程序。MTD通過如圖所示，完成虛擬控制的工作流程。MTD是由TCL腳本語言編寫的，但是也可以使用高級的語言如C++來開發(fā)。MTD可以模仿特定的循環(huán)、用戶自定義的事件、宏和其他和CNC控制器有關(guān)而加工環(huán)境（Manufacturing Application）不支持的功能。

TOM1060型五軸加工中心MTD使用UG/POST BUILDER 創(chuàng)建（如圖4 所示），在虛擬NC控制（Virtual N/C Controller）選項中勾選創(chuàng)建虛擬N/C控制（Generate Virtual N/C Controller），在VNC Commands中創(chuàng)建控制命令（如圖5所示）。

圖4 后置處理創(chuàng)建

圖5 虛擬N/C控制創(chuàng)建

UG軟件中對于虛擬加工使用的ISO代碼提供了仿真模擬的標(biāo)準文件PB_CMD_VNC*.TCL。使用者只需要從Export中導(dǎo)入使用標(biāo)準的ISO代碼即可。但是TOM1060型加工中心所配備SIEMENS840D系統(tǒng)具有刀具跟隨點加工功能（TPCP），因此需要針對五軸聯(lián)動轉(zhuǎn)換功能和五軸定向加工功能設(shè)計模擬代碼。五軸加工模式轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖6所示。根據(jù)對應(yīng)關(guān)系運用TCL編程語言，根據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)采用判斷語言指令編寫控制代碼（如圖7所示）。

4 測試虛擬機床仿真加工

圖6 五軸加工模式轉(zhuǎn)換關(guān)系

圖7 轉(zhuǎn)換關(guān)系控制編程語句

IS&V機床設(shè)計完成后，選擇Φ80mm銑刀盤零件（如圖8所示），對其測試仿真加工。零件具有五軸定向加工面、五軸聯(lián)動加工面、A軸>90°擺動面特征，使用該零件測試，可以測試坐標(biāo)軸行程超程（如圖9所示）、機床幾何體碰撞、五軸定向加工退刀、五軸聯(lián)動轉(zhuǎn)換角度干涉等方面在真實加工才能遇到的嚴重問題，有效保障生產(chǎn)加工安全，提升生產(chǎn)效率。

銑刀盤使用聯(lián)結(jié)功能定位在需要測試的虛擬機床上，打開“機床仿真”功能，首先設(shè)定“顯示3D材料移除”和“碰撞檢測”組件；然后在“可視化動畫”中，選擇機床代碼仿真；最后點選“播放”功能，虛擬加工仿真動畫自動進行直至結(jié)束。通過測試得到如表2所示。

表2 測試結(jié)果

圖8 Φ80mm銑刀盤

圖9 仿真加工模擬圖例

5 結(jié)束語

基于UG的集成仿真和驗證（IS&V）技術(shù)可以開發(fā)設(shè)計出各類五軸聯(lián)動加工虛擬機床和車銑復(fù)合加工虛擬機床。使用與真實機床一致的虛擬機床，形象直觀地模擬數(shù)控加工的全過程，進行數(shù)控程序的檢驗，分析零件的可加工性和工序的合理性，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文論述了配備SIEMENS840D系統(tǒng)雙轉(zhuǎn)臺型五軸加工中心虛擬機床開發(fā)過程，可以為雙擺頭型和單擺單轉(zhuǎn)型五軸加工中心虛擬機床開發(fā)提供借鑒和參考。

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[3]楊曉京,傅中裕,劉劍雄.基于UG IS&V的數(shù)控機床加工仿真[J].機械設(shè)計與制造,2007(07).