五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心仿真系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用

1、五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心仿真系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用摘要：本文所涉及的數(shù)控加工系統(tǒng)是基于CATIAV5的功能模塊建立的，通過對動龍門五軸聯(lián)動的實體測M、建模、組裝和整機模擬，實現(xiàn)數(shù)控加工過程的仿真。同時根據(jù)本行業(yè)實際生產(chǎn)技術(shù)需要，結(jié)合VER-ICUTR軟件零件切削過程仿真驗證優(yōu)勢，建立CATIA與VERICUT兩軟件平臺之間的宏聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)將機床運行數(shù)控程序過程中的過切、干涉、碰撞和欠切等錯誤消除在設(shè)訃階段的U的，提高數(shù)控加工過程的可靠性。LI前大型數(shù)控五軸聯(lián)動在科研生產(chǎn)過程中，主要用于進(jìn)行大型復(fù)雜航空零部件與工藝裝備制造加工，因空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形體積大，常出現(xiàn)零件首件過切，未加工到位，機床與零件或工裝干涉，模

2、鍛件裝夾定位不準(zhǔn)確和加工超行程等問題，僅憑借數(shù)控編程技術(shù)人員個人經(jīng)驗，工作M龐大且復(fù)雜，難以克服。針對五坐標(biāo)數(shù)控加，機床控制系統(tǒng)不具有數(shù)控加，過程的動態(tài)模擬仿真功能，筆者結(jié)合虛擬制造技術(shù)，在計算機輔助制造軟件(VERICUT5.4)平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)了數(shù)控加工機床仿真系統(tǒng)模塊。該仿真系統(tǒng)可以在C代碼的驅(qū)動下運行，用以觀察數(shù)控機床部件運動和零件的加工成形過程中空間運動狀況，驗證加工程序G代碼的正確性，防止實際加工過程中干涉和碰撞等故障發(fā)生。該系統(tǒng)旨在以五坐標(biāo)數(shù)控機床為驗證工作機，研究FIDIAC20控制系統(tǒng)的驅(qū)動工作原理，建立數(shù)控加工中心仿真工作平臺，進(jìn)行典型回轉(zhuǎn)曲輪軸和蒙皮鍛金工藝裝備五軸聯(lián)動銃

3、切的加工過程模擬。涉及到仿真工作環(huán)境下的大型工藝裝備裝夾定位，確定數(shù)控參數(shù)庫，模擬數(shù)控加工程序的運行過程等。一、開發(fā)研究過程1.五坐標(biāo)數(shù)控加工中心加工仿真系統(tǒng)技術(shù)研究比較同類型仿真系統(tǒng)現(xiàn)狀，LI前技術(shù)能力可以建立兒何仿真系統(tǒng)，模擬計算刀具切削速度、切削M和切削時間等。軟件系統(tǒng)研究方案制定與基礎(chǔ)工作調(diào)試準(zhǔn)備。方案制定：首先將VERICUT與CATIA軟件功能模塊測試驗證聯(lián)接；然后建立五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心機床結(jié)構(gòu)與運動關(guān)系分析；最后生成五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心模擬系統(tǒng)。基礎(chǔ)工作調(diào)試準(zhǔn)備。首先建立VERICUT與CATIA機床模擬器軟件模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，在CATIAV5R15“加工模擬”環(huán)境模塊內(nèi)建立宏

4、編輯器，文本文件如下：'EntrypointforCATIAVoSubCatMainOCATIA?SystemService?ExecuteBackgroundProcessusC:cgtech54windowscommandsCATV.bat"EndSub）運行宏與VERICUT數(shù)控仿真平臺聯(lián)接，其中“Design裝示加工元素數(shù)模，“Stock蓑示毛坯數(shù)模（包括復(fù)雜模段件），而“Fixtures表示夾具數(shù)模聯(lián)接至VERICUT數(shù)控仿真系統(tǒng)。（2）建立機床主結(jié)構(gòu)框架模型裝配結(jié)構(gòu)。機床模型的構(gòu)建要依據(jù)以下兒個步驟：通過測M真實部件的尺寸來獲得相應(yīng)尺寸；根據(jù)尺寸對機床各個部件進(jìn)行

5、實體造型；根據(jù)所建立的機床部件實體在NC機床構(gòu)建模塊里進(jìn)行組裝;進(jìn)行機床模型運動參數(shù)的設(shè)置。以CATIAV5的“丸機器工具構(gòu)建模塊”為基礎(chǔ)，進(jìn)行復(fù)雜兒何實體造型，彌補VERICUT5.4系統(tǒng)兒何造型設(shè)訃功能不足問題，建立機床框架模型裝配主結(jié)構(gòu)。機床框架主結(jié)構(gòu)模型建立說明如圖1所示。以工作臺上頂面兒何中心為設(shè)計基準(zhǔn)，建立工作臺（Base）尺寸（6000mmX2300mmX400mm）。帶雙側(cè)導(dǎo)軌、X軸部件、Y軸部件、Z軸部件、C軸部件、A軸部件、主軸部件和電主軸存儲箱，所有這些機床機構(gòu)部件構(gòu)成機床裝配結(jié)構(gòu)，機床各部件的三維數(shù)模文件分別單獨保存。機床框架模型主結(jié)構(gòu)模型裝配關(guān)系為：以上頂面端面軸中心

6、為數(shù)學(xué)模型基準(zhǔn)原點,保證其與A軸旋轉(zhuǎn)中心距為230mm（機床手冊查取后現(xiàn)場測M驗證）。其中，X軸部件、Y軸部件和Z軸部件為線性運動，C軸部件為旋轉(zhuǎn)運動，A軸部件為±10。擺動，工作臺和主軸存儲箱為固定基準(zhǔn)主體。（3）機床主機構(gòu)模型文件聯(lián)接導(dǎo)入VERICUT系統(tǒng)環(huán)境。以機床工作臺（Base）主參考體測按（圖2）結(jié)構(gòu)樹順序采用相對運動約束關(guān)系，建立機床原點靜止裝配數(shù)據(jù)模型，完善后轉(zhuǎn)化為*.STL文件。數(shù)據(jù)分別聯(lián)接入“ComponenttreeB真控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹，形成五軸聯(lián)動機構(gòu)（圖3）。編制數(shù)控控制指令系統(tǒng)文件Edia20.ctl文件）與數(shù)控機床構(gòu)造文件（FOREST-LINE,meh文

7、件），模擬FIDIAC20數(shù)控指令系統(tǒng)，翻譯識別檢查FIDIAC20系統(tǒng)（GM）指令，驅(qū)動結(jié)構(gòu)樹內(nèi)X軸部件、Y軸部件、Z軸部件（線性運動）、C軸部件（旋轉(zhuǎn)運動）和A軸部件（擺動）同步聯(lián)合運動。（4）機床主機構(gòu)模型運動關(guān)系設(shè)置。機床框架主結(jié)構(gòu)模型運動關(guān)系說明：以工作臺和主軸存儲箱為固定基準(zhǔn)，其中X軸部件、Y軸部件和Z軸部件為線性運動，C軸部件為旋轉(zhuǎn)運動斗60°,A軸部件為10°擺動，建立運動約束關(guān)系。同時按編制的FOREST-LINE五坐標(biāo)數(shù)控機床文件（FOREST-LINE,meh文件）,模擬機床實體機構(gòu)運動過程，機床的空間運行狀態(tài)同步顯示如圖4o設(shè)置機床仿真系統(tǒng)工作行程軟

8、邊界：X軸、Y軸、Z軸、C軸和A軸工作行程的上下邊界如圖5所示。其中，圖5所示為在執(zhí)行蒙皮成型工藝裝備五軸聯(lián)動劃線時，Z向超過行程，則仿真系統(tǒng)顯示機床Z向運動機構(gòu)為紅色報警。執(zhí)行蒙皮五軸聯(lián)動劃線和鉆孔加工時，工藝實施要考慮到空間位置的X軸、Y軸和Z軸，包括A軸和C軸的角度運動行程狀態(tài)，此時仿真系統(tǒng)可顯示機床X軸、Y軸、Z軸、A軸和C軸中任意運動機構(gòu)過行程紅色報警提示。零件模型、模鍛件模型與夾具模型定位仿真加工。在仿真控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹內(nèi)填加夾具（Fixture）和毛坯（Stock）聯(lián)接樹結(jié)構(gòu)接口,分別定義空間位置并進(jìn)行位置裝配約束，進(jìn)行調(diào)用拼裝組合夾具定位（圖6）或模鍛件定位（圖7）加工。應(yīng)用說明

9、：夾具（Fixture）聯(lián)接結(jié)構(gòu)樹接口可以宜接讀取，其中專用工裝夾具可以與公司產(chǎn)品相應(yīng)匚藝裝備文件連接。標(biāo)準(zhǔn)組合夾具可以宜接調(diào)用拼裝夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫，然后在仿真系統(tǒng)內(nèi)組合裝配應(yīng)用。（6）機床附件數(shù)學(xué)模型定義。在刀具庫（圖8）當(dāng)中建立讀入功能，這樣有利于多人模板化應(yīng)用，從而經(jīng)過積累形成刀具參數(shù)庫（GYTOOL.tls文件），仿真系統(tǒng)內(nèi)存有的刀具參數(shù)庫需按實際刀具兒何特征添加。刀具的分類一般按功能定義：銃刀、中心鉆、鉆和鋰刀。仿真加工中心刀具數(shù)據(jù)參數(shù)庫可以按加工工件材料和刀具兒何結(jié)構(gòu)功能特征分類，采用數(shù)據(jù)庫優(yōu)化管理所使用的刀具。2.五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究五坐標(biāo)數(shù)控加工G代碼程序與數(shù)控控制系統(tǒng)連

10、接設(shè)置調(diào)試。山于實際數(shù)控機床選用的是FIDIA20數(shù)控指令系統(tǒng)，因此五軸聯(lián)動加工過程中為便于系統(tǒng)空間兒何運算，采用絕對坐標(biāo)和刀具中心端點為轉(zhuǎn)心的模式進(jìn)行后置處理程序G代碼指令的過程模擬，F(xiàn)IDIA20數(shù)控指令系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)與機床控制系統(tǒng)選項匹配。五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)應(yīng)用測試。圖9所示為蒙皮零件成型工裝五軸聯(lián)動加工投產(chǎn)詢，在五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)內(nèi)模擬應(yīng)用。該零件的_1藝裝備最大外形10500mmX2535mmX545mm,其中成型面為復(fù)雜雙曲面，采用長度方向兩側(cè)局部拼接加工。在五軸聯(lián)動加工時，邊界為：X-2227,081,Y679,116,Z553.417o位置主軸角度為:A-16.333；173.1

11、24°,工裝定位未超出機床工作行程。通過仿真系統(tǒng)分析兩次定位模擬加工，顯示零件加工過程的宜觀狀態(tài)，C軸部件和A軸部件大角度聯(lián)動空間狀態(tài)可以在不同視角觀測，以驗證工藝過程合理性，避免裝夾定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致超程重復(fù)工作。模擬調(diào)用五軸聯(lián)動加工數(shù)控程序如下。N1G96G90N2GOOX0.0Y0,0Z100.0AOC0N3G40M08N4T0M06N5GOOX2947.902Y1068.768Z506.928A9.599C6.887S70M03N6G01X2951.861Y1078.168Z508.439A9.761C6.881F1000N7X2955.135Y1087.657Z510.006A

12、9.928C6.875N8X2957,726N9X2959,657Y1097.173Z511.619A10.098C6,868Y1106.654Z513.269A10.271C6.861N10X2960,957Y1116,051Z514,945A10,446C6,854NilX2961,652Y1125,324Z516,642A10,621C6,847N12X2961,751Y1134,44Z518,351A10,798C6,84N13X2961.188YU45.135Z520.41All.009C6.832N14X2959.884Y1155.53Z522.468All.218C6,825N1

13、5X2957.918Y1165.602Z524.517All.425C6.82N16X2955.336Y1175.335Z526.55All.628C6,815N17X2952.165Y1184.713Z528,561All.828C6,812N18X2948.428Y1193.717Z530.543A12.025N19X2944.203Y1202.356Z532.493A12.218N20X2939.488Y1210.611Z534.404A12.408C6.814N21X2933.417Y1219.752Z536.579A12.625C6.818N22X2927.727Y1227.143Z

14、538.387A12.806C6.823N23X2921.653Y1234.148Z540.145A12.982C6.829N24X2914.075Y1241.802Z542.12A13.181C6.837N25X2907.149Y1247.876Z543.736A13.345C6.845N26X2899.895Y1253.546Z545.286A13.504C6.852N27X2890.995Y1259.597Z546.996A13.68C6.861N28X2882.992Y1264.256Z548.362A13.821C6.868N29X2874.69Y1268.464Z549.64A13

15、.952C6.873N30X2866.079Y1272.173Z550.816A14.073C6.878N31X2857.17Y1275.354Z551.88A14.182C6.882N32X2847.984Y1278.009Z552.827A14.278C6.886N33X2838.53Y1280.104Z553.648A14.362C6.888N34X2828.82Y1281.598Z554.328A14.431C6.89N35X2818.873Y1282.453Z554.854A14.485N36X2808.713Y1282.648Z555.22A14.523N37X2798.364Y1

16、282.143Z555.411A14.544N38X1954.551Y1183.258Z555.976A14.738C6.776N39X238.175Y981.947Z556.221A15.351C6.705N40M05N41M02二、試驗件加工驗證仿真系統(tǒng)可以根據(jù)零件加工程序驅(qū)動機床運動，計算模擬零件、刀具系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和機床系統(tǒng)的切削工作過程。當(dāng)程序執(zhí)行時，仿真系統(tǒng)模擬出所加工零件的即時狀態(tài)，準(zhǔn)確反映出機構(gòu)干涉發(fā)生位置和相應(yīng)程序位置。數(shù)控程序執(zhí)行結(jié)束后,系統(tǒng)將準(zhǔn)確宜觀地顯示零件切削結(jié)果和毛坯切削殘留狀況，同時計算模擬出零件過切或未切到位并生成模擬數(shù)值報表。在圖10所示的實際測試切削應(yīng)用過程中，拼裝夾具裝夾結(jié)構(gòu)略有變動，裝夾方式一致，圓柱曲面導(dǎo)向槽五軸聯(lián)動加工按輪軸曲線槽數(shù)