數(shù)控銑床虛擬裝配建模及其加工仿真

數(shù)控銑床虛擬裝配建模及其加工仿真研究為有效預(yù)防數(shù)控加工中機(jī)床、刀具、夾具相互之間的干涉碰撞問題，通過基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床虛擬裝配建模方法確定了數(shù)控銑床的虛擬裝配體。借助于UG/ISV加工仿真模塊，建立了數(shù)控銑床虛擬加工環(huán)境，并進(jìn)行了加工過程仿真。仿真結(jié)果證明該虛擬裝配建模方法可行，加工仿真可有效判斷機(jī)床工藝系統(tǒng)的相互干涉問題。kostech0引言

數(shù)控加工過程中出現(xiàn)機(jī)床、刀具、夾具相互碰撞問題的概率雖然小，但卻是最容易導(dǎo)致加工事故、損壞主軸乃至損壞機(jī)床的誘因，因此加工碰撞仿真在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前多數(shù)商品化CAD/CAM軟件不具備機(jī)床仿真功能，少數(shù)獨(dú)立的機(jī)床仿真軟件建模功能又十分有限，對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機(jī)床和工裝夾具裝配模型，通常都做了簡化，從而失去了許多有用信息，不能真實(shí)反映實(shí)際加工環(huán)境，不能進(jìn)行后續(xù)的機(jī)床動力學(xué)仿真研究。UG/ISV(IntegratedSimulation&Verification)仿真加工模塊能很好地解決這些問題。作者基于該仿真模塊，通過數(shù)控機(jī)床虛擬裝配建模方法建立了數(shù)控銑床虛擬裝配體，介紹了在UG/ISV模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真的方法步驟，并成功地實(shí)現(xiàn)了數(shù)控銑床的加工仿真，可為加工過程研究提供數(shù)據(jù)參考和方法借鑒。1數(shù)控機(jī)床的虛擬裝配建模過程1.1裝配模型的信息組成

數(shù)控機(jī)床裝配模型的信息組成主要包括：(1)管理信息，即與機(jī)床零部件管理相關(guān)的信息，包括機(jī)床各構(gòu)成組件的名稱、代號、材料、存儲路徑等；(2)幾何信息，即與各組成零件幾何實(shí)體構(gòu)造相關(guān)的信息，包括零件的尺寸大小和零部件的定位信息；(3)拓?fù)湫畔?，一種是有關(guān)機(jī)床裝配結(jié)構(gòu)樹的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系信息，另一種是零部件之間的幾何配合約束關(guān)系信息，如貼合(Mate)、對齊(Align)、相切(Tangent)等。這些信息在機(jī)床裝配過程中逐步建立，最終將保存于機(jī)床裝配體文件中。1.2裝配模型樹及零部件的標(biāo)識圖1機(jī)床裝配樹

組成裝配體的零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系可以用具有層次結(jié)構(gòu)的樹狀圖，即裝配模型樹表示，如圖1所示。零件在裝配模型樹中用最底層的葉節(jié)點(diǎn)表示。機(jī)床零部件的標(biāo)識是裝配模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲和檢索的關(guān)鍵。零部件的標(biāo)識和拓?fù)涠ㄎ魂P(guān)系可通過圖1說明。

如圖1所示，機(jī)床由若干個子裝配和零件組成，各裝配零部件為該樹的節(jié)點(diǎn)。每一節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湮恢每捎脭?shù)組P[i](i=1，2，…，n)表示，其中n表示該零部件在機(jī)床裝配模型樹中所處的層數(shù)，P[i]則表示該零部件在第i層節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識號。利用這一機(jī)制，零部件在機(jī)床裝配模型樹中的拓?fù)湮恢镁涂梢院芊奖愕卮_定，以達(dá)到快速存儲和檢索的目的。1.3建立數(shù)控銑床裝配模型

建立機(jī)床裝配模型，首先根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特性準(zhǔn)確劃分各運(yùn)動子模塊，找出目標(biāo)機(jī)床的兩條運(yùn)動鏈：“工件一機(jī)架”運(yùn)動鏈和“刀具一機(jī)架”運(yùn)動鏈舊1。根據(jù)這兩條運(yùn)動鏈找出動力源、傳動件和執(zhí)行件，并以此為依據(jù)，劃分出床身、主軸模塊、X向進(jìn)給模塊、y向進(jìn)給模塊、z向進(jìn)給模塊、工作臺以及這些模塊所包含的零部件等。根據(jù)運(yùn)動鏈上運(yùn)動傳遞的先后順序，按照前一級是后一級子裝配的原則，確定各模塊在模型樹中的層次和位置，進(jìn)而繪出機(jī)床裝配模型樹(圖1)。然后根據(jù)自底向上的裝配原則，先進(jìn)行各子裝配體的裝配，由底層子裝配體和相關(guān)零件組裝成上一層子裝配，這樣逐層即可建立機(jī)床總裝配模型。機(jī)床裝配模型和機(jī)床零件文件應(yīng)保存到默認(rèn)的文件夾＄UGⅡ_BASE-DIR＼MACH＼resource＼library、machine＼graphics中。作者以北京第一機(jī)床廠的XKA713B/E型立式數(shù)控銑床為對象，對該機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，按照前述建模方法，找出兩條運(yùn)動鏈：

(1)刀具(TOOL)→主軸(SPINDLE)→Z向進(jìn)給模塊(Z_BASE)→機(jī)座(MACHINE_BASE)

(2)工件夾具裝配模型(SETUP)→X向進(jìn)給模塊(X_SLIDE)→Y向進(jìn)給模塊(Y_SLIDE)→機(jī)座(MACHINE_BASE)圖2機(jī)床裝配模型

參考這兩條運(yùn)動鏈繪出裝配模型樹，在UG軟件中建立了機(jī)床裝配模型，如圖2所示。2數(shù)控銑床加工過程仿真2.1UG/ISV機(jī)床仿真模塊簡介

UG/ISV是UG軟件中用來進(jìn)行機(jī)床加工過程仿真的集成化模塊。其主要功能是對用戶建立的2-5軸虛擬機(jī)床進(jìn)行加工過程仿真。用戶可以建立任意復(fù)雜的逼近真實(shí)的機(jī)床裝配模型、刀具裝配模型，可以按工藝要求建立符合實(shí)際工件尺寸、裝夾位姿的零件夾具裝配模型，從而建立起與實(shí)際加工環(huán)境相一致的虛擬機(jī)床加工周邊環(huán)境。借助仿真可以預(yù)先檢查出刀具與夾具、壓板，刀具與工作臺，主軸與夾具、壓板等的干涉碰撞問題。2.2建立數(shù)控銑床虛擬加工環(huán)境

數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境由機(jī)床模型、刀具模型和工件、夾具裝配模型及其它機(jī)床輔助件組成，其構(gòu)成如圖3所示。在創(chuàng)建了機(jī)床裝配模型后，還需按圖3所示創(chuàng)建其它組成部分。慎圖3制虛柳擬數(shù)多控機(jī)住床加按工環(huán)腦境構(gòu)奔成柏(1舍)定躁義銑右床運(yùn)禽動模糕型匙蜜再機(jī)床陜運(yùn)動攻模型桑定義每了裝公配模黑型中喝各移嘴動部不件間年的相巡互運(yùn)莫動關(guān)萍系(哀運(yùn)動具模型弱)，已指定么機(jī)床享各N乞C軸脂(如花直線引軸和岔旋轉(zhuǎn)進(jìn)軸)滴的移揀動方惱向、早行程箏及運(yùn)探動范殖圍。準(zhǔn)UG割/I號SV燥通過死交互修方式虛識別塊裝配堵模型沫中機(jī)麥床主助軸、津基座蹤、拖底板等聾運(yùn)動洋部件折。運(yùn)疼動模調(diào)型中秒還定恥義了慰機(jī)床勝零點(diǎn)壽、刀答具安禍裝點(diǎn)慚、工歷件安罵裝點(diǎn)爬等相楊關(guān)參廟數(shù)。淹進(jìn)入津機(jī)床代構(gòu)建貢器模腰塊(遙Ma流ch描in催e樣To眠ol庸B皂ui兄ld僵er掘)，轟單擊豐右側(cè)差機(jī)床風(fēng)導(dǎo)航由器圖測標(biāo)進(jìn)各入機(jī)膀床構(gòu)君建器錯，在犬名稱年欄單爸擊右出鍵插余入運(yùn)丈動組嫩件，膽參考射兩條弊運(yùn)動叼鏈的兇順序盈，逐粒步建著立機(jī)慣床運(yùn)五動模寄型。濾據(jù)此鋤建立生的銑褲床運(yùn)縫動模厭型結(jié)畢構(gòu)圖滲如圖乳4所冰示。羨圖4劇數(shù)期控銑辯床運(yùn)燈動模谷型結(jié)慚構(gòu)圖擴(kuò)(2努)建韻立虛療擬機(jī)桿床驅(qū)撥動器僑MT京D池指龍?zhí)摂M束機(jī)床醋驅(qū)動貍器M殖TD鳳(M轟ac澡hi鏟ne紐T亦oo溪l粥Dr將iv等er哭)是殃UG隔/P啄os缸t的沙延伸泳。U賊G/翻po設(shè)st挨的核燥心是傘加工洲輸出通管理堵器M孝OM勾(M忽an葡uf用ac亂tu蛙ri陣ng愉O源ut話pu匙t盼Ma駛na抹ge愁r)籌，它革提供趁一種下事件計(jì)驅(qū)動積工具來，作溉用是摸從存苦儲在形UG細(xì)/C霜AM腰內(nèi)的足數(shù)據(jù)鬧中提宜取數(shù)棚據(jù)來特生成扮輸出猛。M鄭TD住正是和在M省OM粱的基拐礎(chǔ)上猜增加執(zhí)了一位個虛精擬N媽C控艦制器耗(V錫NC房)而熔形成仔。當(dāng)牽事件善處理肚器返老回?cái)?shù)次據(jù)給易MO艙M時(shí)肚，M鳥OM優(yōu)將處翁理信宮息又摩傳給泊VN皺C(jī)，譜VN某C依塔據(jù)具碎體事睜件處樂理信音息調(diào)赴用不勉同的墨命令切來驅(qū)據(jù)動機(jī)渣床動雀作。叫系統(tǒng)欠提供暗了一翠個通采用M訪TD縣，用件戶可次以此會為模過板，龍經(jīng)過蠶調(diào)試弦、修維改、還添加號所需初命令息，使日其適坡合特燭定機(jī)饅床。牢創(chuàng)建罪完畢星以后害，需厲要在線機(jī)床張數(shù)據(jù)轟文件鐘ma聾ch憤in閣e_顆da碰te徐ba你se比.d課at鄰中為處該機(jī)救床指伏定添株加該鹽MT決D。餃寨傭用U徑G/多Po洞st惱B鉛ui薯ld獸er頑創(chuàng)建羞該機(jī)卻床后摧處理參器，床生成賴事件沈處理悄器(成.t圓cl凍文件交)、碼定義能文件跌(.頑de碑f文體件)粱。對日通用拼VN寺C文籌件進(jìn)繳行相蓄應(yīng)修荷改，擾生成欺該機(jī)昂床的器VN機(jī)C文陰件。兇例如糊，該漂立式尊銑床更其默奪認(rèn)圓明弧插曉補(bǔ)平設(shè)面為牙X-菌Y平正面即促G1喝7平窗面，原其對橫應(yīng)矢腥量應(yīng)蝕為[旋00爺＄d雁ir派]，桂更改戶后的團(tuán)該部珠分V高NC耐程序嘩如下勒：掩(3團(tuán))建盯立刀繁具模巡型和巨工件睛、夾授具裝聚配模填型脖食悉為機(jī)蕉床刀貨具庫障添加唉所使公用刀昌具，壇在機(jī)偏床仿優(yōu)真時(shí)廈，可歌自動訂安裝嗎該刀葉具進(jìn)慰行加靠工。件其創(chuàng)戴建步邀驟：剝先建桃立刀錄柄、怪刀桿幕、彈窩性夾叔簧的駛裝配且模型燙，進(jìn)尿入M兆ac熔hi起ne劈T禽oo四lB勾ui賓ld醬er兆模塊馳進(jìn)行叉定義匯并指給定刀主尖點(diǎn)普和安盈裝點(diǎn)磚，然橫后在刺刀具扯數(shù)據(jù)開文件諸to業(yè)ol檢_d裁at厚ab墨as役e.察da姜t中房相應(yīng)粒刀具住類別軟中指習(xí)定該簽刀具懸即可突。建需立毛局坯和側(cè)夾具小模型剖的目梁的是這為了迅加工蛾仿真儲時(shí)能禮檢驗(yàn)牢出刀踩具、段主軸廢頭座絕和毛度坯、踢壓板枯、螺難釘、圖夾具千等的尚碰撞內(nèi)干涉源。其稍建模震過程尿和機(jī)君床的項(xiàng)建模愿過程漆類似緞。建詢立好拼后進(jìn)著入加散工制惱造模俯塊，洗單擊供右側(cè)夾機(jī)床嘗導(dǎo)航驢器圖張標(biāo)，竄指定析安裝季點(diǎn)保片存即給可。確例如滴，創(chuàng)禽建的姨Φ1箭2m垂m直片柄立剛銑刀襖裝配位模型棄和某涉一零茄件及到夾具壓的裝瀉配模有刑如災(zāi)圖5碑所示封?；蕡D5靜實(shí)軍例裝染配模經(jīng)型撲2.縣3裝加工寧過程瓜仿真抵纖醫(yī)仿真副過程即操作風(fēng)流程棄圖如限圖6凱所示鼻。劉頌疑在建慘立好恨完整至的機(jī)燦床加喉工環(huán)掠境后鼠，即歉可進(jìn)府入U(xiǎn)弄G/影IS壓V模割塊進(jìn)緊行加鍛工仿快真。棒打開母零件廢夾具奸模型倘進(jìn)入騾UG擇/C回AM倚模塊蓋，進(jìn)反入機(jī)筐床刀包具視訊圖，館單擊嶺右側(cè)客操作藝導(dǎo)航饒器進(jìn)連入操嚼作導(dǎo)登航窗呢口，聲雙擊阻機(jī)床圈刀具坐名稱洞，選朋擇“現(xiàn)更換升機(jī)床用”即叢可將迷零件哄安裝害在機(jī)突床工雜作臺影上。近然后蔥按照夾UG百/C伙AM墻刀軌許生成煩有關(guān)請步驟粘生成碼刀軌按，切蜂換到萍程序叉順序牌視圖我，進(jìn)葬入操賽作導(dǎo)侍航器哲，右違擊刀必軌名沈稱，慘選擇慎模擬題即可下進(jìn)行情加工擱仿真是。針距對仿鞭真過譽(yù)程中弄出現(xiàn)何干涉筒碰撞汁錯誤軌的零似件、能夾具沃部位貴和相資應(yīng)的難NC扒代碼嫩段進(jìn)欠行調(diào)外整和飯改正噸，直西至無吹誤為伙止，幕即可盼輸出毛實(shí)用醋NC醫(yī)代碼忌。實(shí)東例中碗仿真旗過程此和N舍C加馬工代餅碼顯艇示如清圖7糾所示他。燈圖6蔑仿武真流啄程圖伙圖7鏟加養(yǎng)工過泊程仿潑真聽3激結(jié)論講批熊以X及KA錘71叮3B否/E主型立皆式數(shù)院控銑翅床為撈對象律，從吧加工吵仿真掛系統(tǒng)嫩建模哥過程