自五軸聯(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 CATIA V5 的功能模塊建立的，通過對動龍門五軸聯(lián)動的實(shí)體測量、建模、組裝和整機(jī)模擬，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過程的仿真。同時根據(jù)本行業(yè)實(shí)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(yàn)證優(yōu)勢，建立CATIA 與 VERICUT 兩軟件平臺之間的宏聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)將機(jī)床運(yùn)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)計(jì)階段的口的，提高數(shù)控加工過程的可幕性。 *U 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(jī)

2、床與零件或工裝干涉，模鍛件裝夾定位不準(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(yàn)，工作M龐大且復(fù)雜，難以克服。-針對五坐標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床控制系統(tǒng)不具有數(shù)控加工過程的動態(tài)模擬仿真功能，筆者結(jié)合虛擬制造技術(shù)，在計(jì)算機(jī)輔助制造軟件 (VERICUT 5- 4) 平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)了數(shù)控加工機(jī)床仿真系統(tǒng)模塊。該仿真系統(tǒng)可以在 NC 代碼的驅(qū)動下運(yùn)行，用 以觀察數(shù)控機(jī)床部件運(yùn)動和零件的加工成形過程中空間運(yùn)動狀況，驗(yàn)證加工程序G 代碼的正確性，防止實(shí)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(jī)床為驗(yàn)證工作機(jī)，研究F I DIA C20 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

3、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)動銃切的加，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(yùn)行過程等。一、開發(fā)研究過程坦？五坐標(biāo)數(shù)控加工中心加工仿真系統(tǒng)技術(shù)研究A 比較同類型仿真系統(tǒng)現(xiàn)狀， U 前技術(shù)能力可以建立兒何仿真系統(tǒng)，模擬計(jì)具切削速度、切削量和切削時間等。(1)軟件系統(tǒng)研究方案制定與基礎(chǔ)工作調(diào)試準(zhǔn)備。4方案制定：首先將 VER I CUT與CATIA軟件功能模塊測試驗(yàn)證聯(lián)接；然后 建立五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)與運(yùn)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)。a基礎(chǔ)工作調(diào)試準(zhǔn)備。首先建立VERICUT與CATIA機(jī)床模擬

4、器軟件模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，在CATIA V5R15“ 加工模擬”環(huán)境模塊內(nèi)建立宏編輯器, 文本文件如下：血 En t r y point for CAT IA V5<>ub C a t Main() C ATI A. SystemS e r vice ? E xecute B ackgro u ndP r oces s u s H C: cgtech54w indowsc o mma n d s C ATV ? bat ”End Sub)運(yùn)行宏與VERICUT數(shù)控仿真平臺聯(lián)接，其中 “De sig n表示加工元素?cái)?shù) 模，"Stock”表示毛坯數(shù)模(包括復(fù)雜模段件 八 而“F

5、ixtures”表示夾具數(shù)模 聯(lián)接至VER ICUT數(shù)控仿真系統(tǒng)。(2)建立機(jī)床主結(jié)構(gòu)框架模型裝配結(jié)構(gòu)。金機(jī)床模型的構(gòu)建要依據(jù)以下兒個步驟: 通過測量真實(shí)部件的尺寸來獲得相應(yīng)尺寸； M 根據(jù)尺寸對機(jī)床各個部件進(jìn)行實(shí)體造型； 根據(jù)所建立的機(jī)床部件實(shí)體在NC 機(jī)床構(gòu)建模塊里進(jìn)行組裝； *進(jìn)行機(jī)床模型運(yùn)動參數(shù)的設(shè)置。金以 CATIA V5 的“ NC 機(jī)器工具構(gòu)建模塊”為基礎(chǔ)，進(jìn)行復(fù)雜兒何實(shí)體造型，彌 補(bǔ)VERICUT 5.4 系統(tǒng)兒何造型設(shè)計(jì)功能不足問題，建立機(jī)床框架模型裝配主 結(jié)構(gòu)。機(jī)床框架主結(jié)構(gòu)模型建立說明如圖 1 所示。以工作臺上頂面幾何中心為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，建立工作臺（Base）尺寸（6 000

6、mmX 2 50OmmX 4 00mm ）o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(jī)床機(jī)構(gòu)部件構(gòu)成機(jī)床裝配結(jié)構(gòu)， 機(jī)床各部件的三維數(shù)模文件分別單獨(dú)保存。金機(jī)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為數(shù)學(xué)模型基準(zhǔn)原點(diǎn) , 保證其與 A 軸旋轉(zhuǎn)中心距為 230mm （機(jī)床手冊查取后現(xiàn)場測量驗(yàn)證）。其中 , X 軸 部件、 Y 軸部件和 Z 軸部件為線性運(yùn)動 , C 軸部件為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動， A 軸部件為土1 10 °擺動，工作臺和主軸存儲箱為固定基準(zhǔn)主體。肚（ 3 ）機(jī)床主機(jī)構(gòu)模型文 件聯(lián)接導(dǎo)入VERICUT 系統(tǒng)環(huán)境。以機(jī)床工

7、作臺（Base）主參考體測按（圖 2）結(jié)構(gòu)樹順序采用相對運(yùn)動約束關(guān)系，建立機(jī)床原點(diǎn)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“ Component t ree"仿真控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹，形成五軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)（圖 3）。編制數(shù)控控制指令系統(tǒng)文件（ f i d i a20. c t 1 文件）與數(shù)控機(jī)床構(gòu)造文件（ FO REST-LINE.meh 文件），模擬FI D IA C20數(shù)控指令系統(tǒng)，翻譯識別檢查 FI DIAC2 0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(yùn)動）、 C 軸部件（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）和 A 軸部件（擺動）同步聯(lián)合運(yùn)動。訊

8、 4）機(jī)床主機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動關(guān)系設(shè)置。機(jī)床框架主結(jié)構(gòu)模型運(yùn)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(yùn)動 , C 軸部件為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動± 360° , A 軸部 件為± 110°擺動，建立運(yùn)動約束關(guān)系。同時按編制的 FOREST- L I NE 五坐標(biāo)數(shù) 控機(jī)床文件（ FOREST-LINE, meh 文件），模擬機(jī)床實(shí)體機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程，機(jī)床的空間運(yùn)行狀態(tài)同步顯示如圖 4o設(shè)置機(jī)床仿真系統(tǒng)工作行程軟邊界： 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

9、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(jī)床Z 向運(yùn)動機(jī)構(gòu)為紅色報(bào)警。執(zhí)行蒙皮五軸聯(lián)動劃線和鉆孔加工 時，工藝實(shí)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(yùn)動行程狀態(tài)，此時仿真系統(tǒng)可顯示機(jī)床X 軸、 Y 軸、 Z 軸、 A 軸 和 C 軸中任意運(yùn)動機(jī)構(gòu)過行程紅色報(bào)警提示。必（5）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（Stoc k）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：夾具（Fixt u re

10、）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)工藝裝備文件連接。標(biāo)準(zhǔn)組合夾具可以直接調(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(jī)床附件數(shù)學(xué)模型定義。4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(shí)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。24五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究一（1）五坐標(biāo)數(shù)控加工 G 代碼程序

11、與數(shù)控控制系統(tǒng)連接設(shè)置調(diào)試。血山于實(shí)際數(shù) 控機(jī)床選用的是 FIDIA2 0 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(yùn)算，采用絕對坐標(biāo)和刀具中心端點(diǎn)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)I D IA20 數(shù)控指令系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)與機(jī)床控制系統(tǒng)選項(xiàng)匹 配。山（ 2）五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)應(yīng)用測試。一圖9所示為蒙皮零件成型工裝五軸聯(lián)動加工投產(chǎn)前，在五坐標(biāo)數(shù)控仿真系統(tǒng)內(nèi)模擬應(yīng)用。該零件的工藝裝備最大外形10 50 0 mmX2 5 3 5mmX 54 5 mm, 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, Y

12、6 79. 1 16, Z5 5 3.4 1 7o 位置主軸角度為：A33 3 °,C-17 3 . 124 ，工裝定位未超出機(jī)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直觀狀態(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(yàn)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。墩 1 G9 6 G90N2 GOO X0. 0 Y0. 0 Z 1 0 0.0 A 0 C 0N3 G40 M08N4 T0M06No GO 0 X29 4 7. 902 Y 1 0 6 8. 768Z506. 92

13、8 A9. 5 99 C6. 8 87 S7 0 M03N6 G01X2951. 8 61 Y107 8.1 6 8 Zo 0 8.439 A9. 7 61 C 6.88 IFl 0 00 mN7 X2 9 5 5.1 3 5 Y10 8 7. 65 7 Z5 1 0.0 0 6A9? 92 8 C6. 875逝 8 X 2 9 5 7. 7 2 6 Y10 9 7. 1 7 3 Z5U. 619 A 1 0. 0 9 8 C6.8 6 8N9 X2959. 657 Y110 6 . 654 Z513. 2 69 A10. 271 C6. 86 1 ?N10 X2960. 957 Yll 1

14、6. 0 5 1 Z51 4.945 A 1 0 . 4 46 C 6. 8 54 沁 11 X 29 6 1.652 Y1125. 32 4 Z516. 642 A10. 6 21 C 6.847墩 12 X29 6 1. 751 Y1134. 44 Z5 1 8. 351 A10. 798 C6. 84墩 13 X2 9 61. 18 8 YU45. 135Z520. 41 A 1 1. 0 0 9 C6. 8 32 AN 1 4 X 2 9 59. 884 Y1 1 5 5.53 Z522- 4 6 8 A 1 1. 2 18 C6. 825N1 5 X 2 957. 9 1 8 Y1

15、1 6 5. 60 2 Z524. 51 7 All. 4 25 C6. 82 mN 16X295 5.33 6 Y117 5 . 3 35 Z526. 55 Al 1. 628 C6. 8 15N17 X2 9 52. 165 Y I 18 4 .713 Z528. 561 Al 1 . 828 C 6.812N 1 8 X2 948. 4 28 Y 1 193. 71 7Z530. 543 A12. 0 2 5 Y19 X2 9 44. 203Y1202. 356 Z53 2. 4 93 Al 2. 2 1 8 剛 20 X293 9 . 488 Y 1 210. 611 Z 5 3 4

16、. 4 04 A1 2. 408 C6. 814 沁 2 1 X293 3.417 Y1219. 7 52 Z 5 36. 5 7 9 A12. 625 C6. 81 8*N22 X2927. 72 7 Y 1 2 27. 143 Z5 3 8.387 A 1 2.806 C6. 8 2 3 八N23 X29 2 1 . 65 3 Y12 3 4. 14 8 Z540. 14 5A12. 982 C6. 829N24 X291 4 . 075 Y 1 2 4 1 . 802Z 5 42. 1 2 A13. 181 C6. 8 3 7N25 X2907. 149Y1247. 87 6Z543.

17、73 6 A 1 3.34 5C6. 84 5N26 X2899. 8 95 Y12 5 3. 546Z545. 2 8 6 A 13. 504 C6.852墩 27 X2890. 995 Y 1259. 59 7 Z5 4 6.9 9 6 Al 3 . 68 C6. 86 1N2 8X28 8 2. 992Y126 4 . 2 5 6 Z548. 362 A I 3. 821C6. 868N2 9 X 28 7 4.6 9Y12 6 8. 464 Z549. 64 A 1 3 . 9 5 2 C6. 873N 3 0 X28 6 6. 0 7 9 Y 127 2 . 1 7 3 Z550.

18、816 A14. 073 C6. 8 7831 X2857. 17Y1275. 3 54 Z 55 I. 88 Al 4 . 182 C6. 882 ?N32 X 2 8 4 7.98 4 Y1278. 0 09 Z 5 52. 827 A 14. 278 C6.88 6N33 X2 8 38. 5 3 Y 1 2 80. 104 Z 5 5 3. 648 Al 4. 3 6 2C6. 888aN 34 X2828. 82 Y1 2 81. 5 98 Z554. 328A14. 4 31 C6. 89N35 X 2 818. 873 Y1282. 453 Z55 4. 854 Al 4 . 4 8 5N36 X 2 8 08. 7 I 3 Y1 2 8 2 . 6 48Z555. 22 A14. 523墩 37 X2798. 36 4 Y12 82. 14 3 Z55