畢忠梁，李陶勝，王偉

安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，安徽安慶，246003

0 引言

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，虛擬機床仿真技術(shù)應(yīng)用在高檔數(shù)控機床上越來越普遍。虛擬機床仿真的目標(biāo)是模擬實際的加工環(huán)境和條件，并對加工過程進行全面的監(jiān)測。這樣可以提前預(yù)知機床的運動碰撞、干涉等問題和相關(guān)警報，防止加工產(chǎn)品報廢、刀具折斷、機床被撞擊，危及操作者的生命安全[1]，虛擬機床仿真還能對機床的加工能力、加工過程的合理性、加工精度等進行評價，為加工提供參考數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化加工過程。

越高端的數(shù)控機床對虛擬仿真的要求越高，因為高端的數(shù)控機床普遍包含多軸、多通道、多刀具、多工位、多部件，這就要求虛擬仿真的精確度要高，要能真實仿真機床所有的運動細節(jié)，除了仿真刀具路徑外，還應(yīng)包括換刀、夾具的加緊松開、切削進給加速度，切削力等的仿真，此外高度數(shù)控機床控制器大多深度定制，很多特殊指令的指令代碼和功能也需要仿真。目前針對復(fù)制高端數(shù)控機床的虛擬仿真應(yīng)用不多，文章以津上M06SD雙主軸單通道四動力頭車銑復(fù)合數(shù)控機床為例，應(yīng)用NX軟件的CSE功能對車銑復(fù)合加工的整個操作流程進行了虛擬仿真加工。

1 NX的CSE仿真概述

對于CAM軟件而言，機床虛擬仿真通常包括兩大類：一種是純刀具路徑的仿真，另一種是直接帶機床運動的仿真。刀具路徑仿真往往只能驗證CAM軟件生成的刀具路徑軌跡是否正確，切削時是否有過切或者干涉的情況；而機床虛擬仿真包含機床、刀具和夾具等，可以預(yù)測加工過程中的碰撞。帶機床運動的虛擬仿真又分成兩種：一種是基于刀具路徑軌跡的機床虛擬仿真，另一種是基于G代碼的機床虛擬仿真[2]。前者仿真時只參考CAM軟件生成的刀路軌跡，基于刀具路徑驗證與模擬，無法驗證G代碼的正確性；而后者同真實的CNC控制系統(tǒng)一樣，集成虛擬加工環(huán)境，直接讀取G代碼并執(zhí)行仿真動作，顯然更接近實際情況，仿真更加精準(zhǔn)。

N X軟件的C A M部分，包含了一整套集成仿真與驗證系統(tǒng)（integrated simulation and verification，以下簡稱ISV仿真），通過圖1可以看到，NX的ISV仿真可以直接仿真后處理生成的G代碼，包含了兩種仿真驅(qū)動模式，一種是通用仿真引擎（CSE）驅(qū)動，另一種是虛擬 CNC 控制器（VNCK）驅(qū)動，VNCK界面與真實的數(shù)控機床操作面板完全一致，仿真效果更強大，但是目前只針對Sinumerik 840D系統(tǒng)才能運行，由于津上M06SD-II采用的是FANUC系統(tǒng)，因此這里采用通用仿真引擎（CSE）驅(qū)動。置文件MCF（machine configuration file），用于定義機床幾何特性、軸配置、通道配置、機器驅(qū)動參數(shù)等的二進制/加密XML文件。④子程序，包含至少1個換刀循環(huán)文件，可附加鉆孔循環(huán)、車削循環(huán)、用戶自定義其他子程序等。NX軟件自帶了CSE 支持的3種主要控制器類型（Fanuc、Sinumerik S840D、Heidenhain TNC）的DLL、CCF和MCF文件，以及各種類型的包含運動學(xué)的機床模型，基本可以實現(xiàn)通用型機床的OOTB。但是針對一些高端復(fù)雜的數(shù)控機床，還是需要定制和深度開發(fā)才可以使用。

圖1 NX集成仿真與驗證系統(tǒng)

2 機床運動學(xué)定義

CSE（common simulation engine）是一個虛擬控制器仿真引擎，支持許多常見的數(shù)控系統(tǒng)，例如：西門子840D+840C、發(fā)那科系列、海德漢TNC等，采用G代碼（后處理直接生成、手動創(chuàng)建或者外部導(dǎo)入G代碼）直接驅(qū)動虛擬機床，CSE自帶后處理器可以在仿真前自動將刀軌數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為NC代碼。它可以像真正的機床操作系統(tǒng)一樣編譯讀取G代碼仿真。通過CSEDriver驅(qū)動程序中設(shè)置的機器運動學(xué)，為每個軸設(shè)置硬限位和軟限位、最大速度、最大加速度、最大減速度、加加速度和KV系數(shù)等。CSE有4個主要組成部分：①控制器編譯文件DLL，它可以編譯特定控制器的代碼（例如發(fā)那科G10、西門子CYCLE等）。②控制器配置文件CCF（controller configuration files）一個二進制/加密的XML文件，它定義了為有效語句執(zhí)行的操作。③機床配

2.1 建立機床模型

首先需要根據(jù)機床的結(jié)構(gòu)，通過測量真實部件的尺寸對數(shù)控機床進行幾何建模，該機床型號為津上M06SD（圖2），具有雙主軸結(jié)構(gòu)，配備了四個軸向和徑向銑削動力頭，在車鉆鏜削的基礎(chǔ)上，也可進行銑削加工，實現(xiàn)車銑復(fù)合加工，主軸和背軸均配有C軸功能，采用電主軸可實現(xiàn)對接加工，無需二次裝夾，配備熱位移校正功能，可長時間穩(wěn)定加工。具體參數(shù)如表1所示。

圖2 津上M06SD雙主軸車銑復(fù)合機床

表1 津上M06SD機床參數(shù)

利用UG NX CAD模塊將M06SD機床的各個運動部件依據(jù)結(jié)構(gòu)特點分別建模，如床身、刀塔、主軸背軸、卡盤和鈑金等，需要保證機床各個部件尺寸1：1還原。然后將各個部件按照機床在靜止?fàn)顟B(tài)下的初始模式進行裝配，需要注意作為機床運動學(xué)的機床組件一定要是獨立的部件。如圖3所示，為建好的機床模型。

圖3 NX建立的M06SD機床實體模型

2.2 定義機床運動學(xué)

首先，開啟NX的Machine Tool Builder機床構(gòu)造器，定義機床的運動學(xué)模型，在機床構(gòu)造器導(dǎo)航器的最頂層節(jié)點處添加新機床，并將其命名為“M06SD”?；旧?，機床運動學(xué)定義過程可以分為4個步驟。

（1）建立機床運動學(xué)組件。在運動學(xué)模型中的組件是代表機械特征的剛體。每臺機床包含各個組件的聯(lián)結(jié)，這些組件建立了父子關(guān)系，并且以關(guān)系樹的形式存在?？梢酝ㄟ^選擇多個裝配組件來定義單個組件來創(chuàng)建簡化的運動模型以便設(shè)置軸運動。更復(fù)雜的運動學(xué)模型可以通過部件分類來創(chuàng)建，可以在檢查碰撞干擾時根據(jù)類別來進行檢查。組件建立的方法以床體基座為例進行設(shè)置：在機床名稱“M06SD”鼠標(biāo)右鍵選擇“插入”——“機床組件”，在彈出的對話框中設(shè)置名稱為“_MACHINE_BASE”，選擇幾何體為機床模型中的床身，聯(lián)結(jié)名稱為 “MACHINE_ZERO*”，設(shè)置坐標(biāo)系為機床零點坐標(biāo)，設(shè)置在卡盤的左端面的中心處，最后確認即完成組件建立。使用同樣的方法設(shè)置機床其他運動組件，在機床關(guān)系樹中確定父子關(guān)系及分類。其余機床組件設(shè)定如表2所示。

表2 M06SD機床運動學(xué)組件

（2）建立機床運動學(xué)聯(lián)結(jié)點。機床運動學(xué)聯(lián)結(jié)點是一個分類和命名的坐標(biāo)系（CSYS），它是相對于機床模型零件的絕對坐標(biāo)系定義的。每個連接點都與一個機床組件相關(guān)聯(lián)[3]。當(dāng)創(chuàng)建機床組件時，NX會自動為該組件分配一個默認連接，我們也可以根據(jù)需要調(diào)整聯(lián)結(jié)點位置。NX使用運動學(xué)聯(lián)結(jié)點有以下作用：可以在CAM中自動安裝部件，要正確安裝零件，SETUP組件的聯(lián)結(jié)點必須與計劃安裝的零件的方向相同；在CAM中自動安裝工具或其他機床附件如動力頭等；可以用來定義NC 軸的方向；可以用于變換坐標(biāo)系等。該機床需要建立的運動學(xué)聯(lián)結(jié)點主要有以下幾個：機床零點MACHINE_ZERO*、主軸車削旋轉(zhuǎn)中心工作平面MAIN_SPINDLE_CSYS、背軸車削旋轉(zhuǎn)中心工作平面SUB_SPINDLE_CSYS、主軸零件安裝自動裝配聯(lián)結(jié)點MAIN_MOUNT_JCT、主軸零件安裝自動裝配聯(lián)結(jié)點SUB_MOUNT_JCT、刀塔旋轉(zhuǎn)中心聯(lián)結(jié)點TURRET_ROT，以及12個刀具安裝工位的聯(lián)結(jié)點TOOL_MOUNT_JCT。

（3）建立機床運動軸。要將機床運動分配給機床組件，必須為該組件定義一個運動軸，然后沿著或圍繞該軸進行運動。如果一個機床組件移動，那么在機床結(jié)構(gòu)樹中它下面的所有子組件也會跟隨父組件一起移動。創(chuàng)建機床運動軸，需要包含以下幾點：①軸名稱：每個軸都必須定義自己的軸名稱，一旦確定軸名稱，則所有CSE功能/命令都使用此名稱。②軸聯(lián)結(jié)點名稱：即軸引用的聯(lián)結(jié)點，所有軸都必須參考一個聯(lián)結(jié)點，也可以共享軸聯(lián)結(jié)點。③軸方向：表示軸的連接方向（X、Y 或 Z），影響組件的運動行為。④軸的運動類型：包含旋轉(zhuǎn)軸或線性軸。⑤軸號：軸號必須唯一且不能重復(fù)。⑥軸運動的上限和下限：表示機床軸運動的極限位置，參考機床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

以Z軸建立為例，如圖4所示：右鍵點擊Z-S L IDE插入軸，輸入軸名稱Z，聯(lián)接名稱MACHINE_BASE@MACHINE_ZERO，方向為Z+，定義該軸類型為線性直線軸，軸編號為3，初始值441mm，上限541mm，下限141mm[4]。類似方法建立其他運動軸，津上M06SD一共包含7個軸，分別是線性移動軸X、線性移動軸Z、主軸車削旋轉(zhuǎn)軸CM、背軸車削旋轉(zhuǎn)軸CB、背軸線性移動軸A、刀塔旋轉(zhuǎn)軸T和動力刀頭旋轉(zhuǎn)軸S。

圖4 機床運動軸設(shè)置

（4）定義機床運動鏈及配置通道。設(shè)置完運動軸之后，還需要指定軸所在的通道。設(shè)定方法：在機床導(dǎo)航器中，右鍵單擊機床名稱“M06SD”——選擇“通道配置”，M06SD為單通道雙主軸機床，設(shè)置通道Main為Channel 1包括以下軸，由一個 NC 程序驅(qū)動：軸 X、Z、A、CM（主軸）、CB（背軸）、T、S，NX能夠自動識別運動學(xué)模型中存在的所有軸，無論它們是線性軸、旋轉(zhuǎn)軸還是主軸。單擊確定以保存設(shè)置。最后設(shè)置運動鏈，代表組合的鏈用于機床的逆運動，NX系統(tǒng)提供預(yù)先配置的軸組合作為“默認鏈”。對于復(fù)雜的機床，必須檢查配置的運動鏈或?qū)ζ溥M行調(diào)整。每條運動鏈最多可以包含3個線性軸和2個旋轉(zhuǎn)軸。M06SD由于是雙主軸機床，因此包含兩條運動鏈，主軸和背軸各包含一個運動鏈。最終機床運動仿真關(guān)系如5圖所示。

圖5 M06SD機床運動學(xué)關(guān)系圖

（5）將機床添加到機床數(shù)據(jù)庫。將機床添加到機床數(shù)據(jù)庫文件中，該文件名為machine_database.dat，位置在…Program FilesUGSNX1980MACH esourcelibrarymachineascii machine_database.dat。把建好的機床模型文件放在以graphics 命名的文件夾里，替換到UG安裝目錄下的 SiemensNX1980MACH esourcelibrarymachineinstalled_machinesM06SDgraphics里[5]。

3 虛擬機床仿真加工驗證

打開已經(jīng)建好的CAM文件，該零件已經(jīng)定義了一些操作和刀具，以便可以生成了刀具路徑。進入加工模塊里，加載后切換到操作導(dǎo)航器——機床視圖。將在最頂層節(jié)點找到“NULL_MACHINE”或“GENERIC_MACHINE”，將先前定義好的機床分配給實際的CAM零件。雙擊最上面的（機床）節(jié)點，單擊從庫中檢索機器按鈕以獲取可用機器的列表，從庫中檢索車銑復(fù)合機床MILL-TURN，找到之前建立的M06SD機床并打開。選擇零件放置定位使用部件安裝聯(lián)接，將零件安裝到主軸的三爪卡盤上，確定后系統(tǒng)加載對應(yīng)的機床并將其與CAM部件成功連接，接下來就可以選擇刀具路徑運行機床仿真，如圖6所示。

圖6 虛擬機床仿真加工驗證

4 結(jié)語

本文使用NX CSE虛擬機床仿真技術(shù)，創(chuàng)建了M06SD車銑復(fù)合數(shù)控機床的運動學(xué)模型，利用CSE建立了機床模擬和切削驗證，為數(shù)控機床虛擬模型仿真提供了技術(shù)支撐。CSE虛擬機床仿真是基于G代碼的機床虛擬仿真。其他的一些CAM軟件只是基于刀具路徑仿真，無法驗證G代碼的正確性；而CSE虛擬機床仿真技術(shù)同真實的CNC控制系統(tǒng)一樣，集成虛擬加工環(huán)境，直接讀取仿真G代碼，仿真更真實、直觀，更接近實際加工情況[6]。仿真后的G代碼可直接輸入數(shù)控系統(tǒng)進行加工，提高了數(shù)控加工質(zhì)量，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性，優(yōu)化了數(shù)控加工時間，消除了事故的發(fā)生。