五轴加工中虚拟机床的建立

1、引言 　　随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展。目前代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，它是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段，对航空航天、军事、科研、精密器械等行业都起着举足轻重的作用。

　　但是五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之在数控程序编制上存在着很大困难，因而如何使得五轴加工得以“平民”化应用，已经成为机床制造业的一个热点问题。本文从虚拟机床技术开发，探讨其在五轴加工的应用，实现仿真加工，优化数控程序，从而提升加工质量、提高加工效率、降低加工成本。

2、虚拟机床应用的优势

　　数控加工最终的好坏取决于以下5个因数中的短板：数控机床、控制器、刀具、数控编程和CAM软件。虚拟机床的应用正好可以解决以上短板问题，采用虚拟机床存在以下优点：

2.1 真实性

　　传统CAM软件驱动的标准模拟仿真是一种不完整的近似运动模拟，不能避免实际加工过程中的过切与撞刀。虚拟机床技术采用内置CNC控制器驱动的加工模拟仿真是真实可靠的，可以把加工中的各种风险（撞刀、过切等）降为零。

2.2 先进性

　　虚拟机床不仅可以仿真传统的车床、铣床、加工中心，而且可以仿真车铣复合和多轴联动机床。目前，西门子公司的虚拟机床对于不同CNC控制系统的特殊加工指令及FMS柔性制造系统可以进行仿真。

2.3 互操作性

　　虚拟机床不仅提供三维数字机床，而且包含虚拟控制面板，提供和车间环境一样的虚拟实训环境。应用虚拟机床，可以实现学生的大量仿真与真实机床没有区别。这对于目前企业紧缺的中高端数控人才，是一个很好的培训解决方案，使复杂机床的编程及加工操作培训费用降低50%，从且可以大大地降低培训成本。

2.4 开放性

　　虚拟机床可以有效地连接CAM编程和车间加工，接受不同CAM软件编制的NC程序或手工编程，方便与不同的软件环境对接。虚拟机床也可以按照不同的CNC控制系统和机床型号进行定制，以方便与机床硬件环境对接。

　　2.5 异地共享

　　目前对于五轴联动数控机床这样的高端机床，由于数量少和技术要求高，导致普遍使用率偏低。虚拟机床技术可以打破真实机床共享使用的地域限制，平衡投资，而且未来升级方便。

3、复杂零件五轴加工过程与解决方案

　　五轴加工环节包括：模具准备、刀具编制、仿真验证、后置输出、机床加工。五轴加工的过程是纯计算机模拟的。

3.1 加工模型准备

　　NX把CAD、CAE和CAM全部集合在一个系统中。通过最新的CAD技术，数控编程人员能够快速地完成模型准备。即使原始数据来源于第三方CAD系统也是一样的。（1）模型创建和编辑：运用强大的建模和编辑技术（CAD）创建用于CAM编程的零部件模型。（2）模型质量与验证：分析和验证几何条件——检验表面缺陷、壁厚、半径等。（3）零件制造信息：检查可能影响加工方法的更多模型信息（公差、表面粗糙度），这些信息可驱动CAM。（4）文档与绘图：基于3D模型快速创建用于加工的任何文档。

　　在此过程中的关键技术包括四点，第一是混合建模、同步建模技术，进行无约束设计，第二是采用轻量表示和NX WAVE技术将零件、产品的制作复杂度降低，第三是在设计过程中使用行业专门自动化技术加快设计进度，第四是设计开放，能够处理其他CAD数据。

3.2 五轴加工编程

　　五轴加工采用广泛的加工策略，提供灵活的刀具轴控制选项，轻易处理复杂的工作需求，实现高度灵活的编程。利用最新的加工设备和制造工艺，以更快的速度加工质量更好的零件。

　　在五轴加工编程过程中，点、线、面、边界等驱动，法向、插补、相对等刀轴实现了丰富的驱动方式和刀轴控制；可变轴轮廓加工可以通过简单选择底部几何体来自动加工复杂侧壁，识别叶轮几何，自动创建刀轨，便于便捷式的交互处理；不断改变刀具和毛坯表面的相对角度，使刀具的接触面积最大化，实现了曲率匹配这一新技术。

3.3 CAM/CNC一体化

　　CAM/CNC的有机集成，通过刀轨计算精度控制、优化后置处理、真实的模拟仿真，让CAM的输出充分考虑机床控制系统的高级功能，实现产能的最大化，并消除了风险。

4、五轴加工中虚拟机床的建立

　　真实的数控机床包括了机械结构和控制系统两部分。在VER ICUT 平台上构建虚拟数控机床也需要有两部分内容： 机床结构模型的建立和机床控制系统的建立。

4.1 虚拟机床结构模型的建立

4.1.1 五轴运动结构分析

　　根据ISO的规定，在描述数控机床的运动时，采用右手直角坐标系。其中平行于主轴的坐标轴定义为z轴，绕x、y、z轴的旋转坐标分别为A、B、C。各坐标轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运动来实现，但方向均以刀具相对于工件的运动方向来定义。通常五轴联动是指x、y、z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动，如图1所示。五轴实际是指x、y、z三个移动轴加任意两个旋转轴。相对于常见的三轴（x、y、z三个自由度）加工而言，五轴加工是指加工几何形状比较复杂的零件时，需要加工刀具能够在五个自由度上进行定位和连接。

4.1.2 虚拟机床结构模型的建立

　　构建虚拟机床有多种方法 其中利用专业的数控加工仿真平台， 通过二次开发构建虚拟数控机床的方法是现实而有效的。VER ICUT是先进而成熟的数控仿真加工平台软件，不仅含有丰富的数控机床库，并支持定制功能，可以构建出用户所需要的数控机床。

　　虚拟机床的结构部分包括床身、主轴系统、进给系统、夹具、工件等。创建虚拟机床结构的方法主要有2个：一是基于VERICUT自身的通用建模功能，在VERICUT库中找一个相似程度很高的虚拟机床结构，以此为基础通过修改、添加的方法构建出所需要的机床结构模型。二是对于复杂机床结构，利用VERICUT与其它CAD/ CAM软件接口，将建立好的特种机床实体模型导入VERICUT环境中并装配。

　　笔者在设计虚拟机床结构模型时，首先采用第一种方法，虽然创建较为简单，但是由于局部特征表达得不够清晰，使得模拟加工过程中碰撞干涉检验的能力降低。在吸取经验教训的基础上，通过SIEMENS NX 重新对绘制模型，将机床整体模型描述清晰，使得局部特征明显。但此种方法存储空间较大，在模拟加工过程中有可能会出现坐标漂移的问题。通过不断优化模型，降低了坐标漂移的可能性。

4.2 虚拟机床模型运动关系设置

　　以机床工作台主参考体测量，按图2所示结构树顺序采用相对运动约束关系，建立机床原点静止装配数据模型，完善后转化为*.STL文件，数据分别联接入仿真控制系统结构树，形成五轴联动机构。

编制数控控制指令系统文件（fidia20.ctl文件）与数控机床构造文件（FOREST-LINE.mch文件），模拟FIDIA C20数控指令系统，翻译识别检查FIDIA C20系统（GM）指令，驱动结构树内X轴部件、Y轴部件、Z轴部件（线性运动）、C轴部件（旋转运动）和A轴部件（摆动）同步联合运动。

　　设置机床仿真系统工作行程软边界：X轴、Y轴、Z轴、C轴和A轴工作行程的上下边界。

4.3 建立机床刀具库和砂轮库

　　启动刀具管理器可以创建所需要的加工刀具。在刀具管理器中主要提供了很多刀具参数，如刀具类型、刀具直径、长度、刀柄等。在VERICUT软件中按所需建立的铣刀类型（包含直齿铣刀、球头铣刀、锥度铣刀及用户自定义等），设置刀具几何参数，然后可以单独保存，并可以提供给不同的虚拟机床调用。然后再用自画图方式，添加机床实际用的刀套Holder。依照此方法，，建立一系列常用的刀具库。

　　此外，由于VERICUT软件没有提供设置砂轮的模块。我们可以根据砂轮的切削原理采用铣刀类刀具模块创建砂轮，来满足仿真要求。结合特种回转面刀具的几何成型过程中的不同工序要求， 在VERICUT 中可以创建多个砂轮以供不同加工工序调用。

4.4 机床相关设置

　　（1）数控系统设置；根据机床的控制系统功能和指令格式，对准备功能G 代码、辅助功能M 代码、寄存器地址和状态指令等进行设置，并保存该文件。（2）设置干涉检查；（3）设置机床行程；（4）设置机床初始位置；（5）其他设置，如机床参考点、换刀位置等。

4.5 模型定位仿真加工

　　在仿真控制系统结构树内填加夹具和毛坯联接树结构接口，分别定义空间位置并进行位置装配约束，进行调用拼装组合夹具定位或模锻件定位加工。

　　其中夹具接结构树接口可以直接读取，其中专用工装夹具可以与公司产品相应工艺装备文件连接。标准组合夹具可以直接调用拼装夹具标准件库，然后在仿真系统内组合装配应用。

5、虚拟机床在五轴加工中的应用测试

　　图3所示涡轮增压器中复杂曲面叶轮的加工投产前，在五轴联动加工的数控仿真系统内模拟应用。该零件的工艺装备最大外形500mm×335mm×245mm，其中成型面为复杂双曲面，采用长度方向两侧局部拼接加工。叶轮在五轴联动加工时，边界为：X 50.779，Y-123.586，Z-58.258。位置主轴角度为：B-5.894°，C158.287°，工装定位未超出机床工作行程。通过仿真系统分析两次定位模拟加工，显示零件加工过程的直观状态，C轴部件和A轴部件大角度联动空间状态可以在不同视角观测，以验证工艺过程合理性，避免工件装夹位置错误导致主轴刀具与工件碰撞。

6、结语

　　通过上述研究实验的证明，利用虚拟机床技术，可以提高加工效率，保证数控编程质量，减少数控技术人员与操作人员的工作量和劳动强度，提高五轴联动加工的数控编程制造加工一次成功率，缩短产品设计和加工周期，提高生产效率。