數(shù)控加工仿真是CAD／CAM領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)數(shù)控加工仿真，可用幾何圖形、圖像或動(dòng)畫的方式顯示加工過(guò)程，從而檢驗(yàn)零件的最終幾何形狀是否符合要求，加工過(guò)程中是否存在漏切、過(guò)切現(xiàn)象，刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否會(huì)與夾具或機(jī)床產(chǎn)生碰撞，從而確保能加工出符合設(shè)計(jì)的零件，并避免刀具、夾具和機(jī)床的不必要損壞。基于三維實(shí)體的數(shù)控加工仿真，可以精確全面地描述空間幾何體的相對(duì)位置。能夠有效地克服傳統(tǒng)的NC程序檢驗(yàn)方法(試切法和二維軌跡顯示法等)的局限性，提高NC程序檢驗(yàn)的效率。

    UGNX是當(dāng)今世界上最先進(jìn)和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAID／CAD／CAE／CAM高端軟件。作為一個(gè)全面集成的產(chǎn)品工程解決方案，其中的IS&V(Integerated Simulation&verfication，即綜合仿真與檢查)是系統(tǒng)提供的一個(gè)全客戶化的應(yīng)用模塊，主要對(duì)整個(gè)機(jī)床的切削過(guò)程進(jìn)行仿真，給用戶提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的、立體的視覺(jué)效果；此外，仿真能檢查在機(jī)床、夾具、刀具和零件問(wèn)的干涉檢測(cè)。通過(guò)建立精確的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型來(lái)模擬整個(gè)加工過(guò)程，以使模擬仿真結(jié)果完全符合實(shí)際情況。

    作者通過(guò)運(yùn)用CAD／CAM軟件UGNX 5.0及其IS&V模塊，針對(duì)VSl575型三軸立式數(shù)控銑床進(jìn)行了虛擬機(jī)床技術(shù)的研究。并基于該技術(shù)進(jìn)行了對(duì)某一銑削加工過(guò)程實(shí)時(shí)仿真的驗(yàn)證。

1 IS&V的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    綜合仿真與檢查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 綜合仿真與檢查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

    綜合仿真與檢查功能通過(guò)下面的步驟實(shí)現(xiàn)：

    (1)定義機(jī)床裝配模型。進(jìn)行綜合仿真與檢查之前，必須建立機(jī)床的幾何體裝配模型，機(jī)床的各組件要在裝配模塊中進(jìn)行裝配組合。機(jī)床零部件必須是單獨(dú)的部件模型，因?yàn)闄C(jī)床組件在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中必須是運(yùn)動(dòng)件。

    (2)定義運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是用來(lái)描述并確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)的，裝配模型成為機(jī)床模型，每一個(gè)裝配模型的文件對(duì)應(yīng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，可以在機(jī)床構(gòu)建器(Machine Tool Builder)中編輯。需要注意的是：進(jìn)入機(jī)床構(gòu)建起模塊的前提是兩件模型不能進(jìn)入NX5.0的加工環(huán)境，即如果零件模型進(jìn)入了加工環(huán)境，則無(wú)法打開(kāi)機(jī)床構(gòu)建器。

    (3)將模型存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。定義了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型后，還需要把機(jī)床的全部模型存入系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)庫(kù)中，即把機(jī)床的全部模型保存在NX5.0的安裝目錄“UGS＼MACH＼resource＼library＼machine＼graphics”下。

    (4)定義加工刀具。和定義機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的方法一樣，在機(jī)床構(gòu)建器環(huán)境中需要定義刀具的裝配模型，該模型必須包含安裝信息。如果不定義刀具裝配模型，系統(tǒng)會(huì)找不到刀具裝配，此時(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)加工模型中的刀具參數(shù)產(chǎn)生一個(gè)刀具。

    (5)定義起床驅(qū)動(dòng)器。機(jī)床驅(qū)動(dòng)器(MachineTool Drive，簡(jiǎn)稱MTD)，是NX5.0后處理器的擴(kuò)展，用來(lái)生成數(shù)控代碼命令文件。為了模擬真實(shí)的機(jī)床NC控制器行為，需要用戶定義虛擬NC控制起來(lái)控制虛擬機(jī)床。

    (6)準(zhǔn)備機(jī)床仿真的工具模型。在加工模型中建立工件運(yùn)動(dòng)組件，通過(guò)自動(dòng)裝配功能在機(jī)床上安裝工作，然后才能夠進(jìn)行綜合仿真與檢查。

2 機(jī)床模型的建立

    2.1 建立機(jī)床仿真模型

    如果要進(jìn)行機(jī)床仿真操作，必須把機(jī)床模型建立成一個(gè)裝配體，機(jī)床的各個(gè)組件分別在獨(dú)立的部件中給出，然后裝配起來(lái)，這是因?yàn)樗械牟考x予運(yùn)動(dòng)幅。應(yīng)用裝配模塊組裝成機(jī)床裝配模型，在機(jī)床模型中不要有幾何元素，特別重要的是，哪些要變成運(yùn)動(dòng)組件的機(jī)床組件一定要在單獨(dú)的文件中畫出，然后組裝成裝配體。

    以山東理工大學(xué)校辦工廠的由威海華東數(shù)控股份有限公司生產(chǎn)的VSl575大型立式加工中心為模型進(jìn)行模擬機(jī)床的建模。為了使建立好的機(jī)床仿真模型數(shù)據(jù)不甚復(fù)雜并保證其最后的仿真逼真度，一般仿真模型中只要包含其主要部件就能滿足要求。到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量取機(jī)床主要組件的數(shù)據(jù)以備建模。利用UGNX5.0建模，機(jī)床組件模型尺寸與實(shí)際機(jī)床組件誤差控制在0.5cm以內(nèi)。確定機(jī)床各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系后再利用NX5．0的裝配功能得到機(jī)床的幾何裝配模型，如圖2所示。

圖2 VSl575機(jī)床仿真模型

 2.2 建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型

    運(yùn)動(dòng)模型(Kinematics Model)需要添加到一個(gè)建模完成的裝配中。運(yùn)動(dòng)模型定義裝配部件之間的關(guān)系，以及軸的名稱，方向和行程。仿真過(guò)程將利用這些信息和機(jī)床驅(qū)動(dòng)器(Machine Tool Driver)提供的信息來(lái)使機(jī)床運(yùn)動(dòng)起來(lái)。機(jī)床驅(qū)動(dòng)器是由后處理器創(chuàng)建的。只有在機(jī)床的仿真模型上定義了運(yùn)動(dòng)，機(jī)床驅(qū)動(dòng)器MTD才能通過(guò)后處理文件驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。定義的運(yùn)動(dòng)要完全參照實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，這樣進(jìn)行的仿真才會(huì)生成可靠的結(jié)構(gòu)。而該三軸銑床主要完成3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，故定義了其x、y、z 3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和其他一些輔助信息。建立的VSl575運(yùn)動(dòng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 VSl575運(yùn)動(dòng)模型結(jié)構(gòu)圖

    2.3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的后續(xù)操作

    創(chuàng)建好的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型還不能直接用于綜合仿真與檢查，需要進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)操作。機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的后續(xù)操作用來(lái)把運(yùn)動(dòng)模型添加到機(jī)床庫(kù)中，按下面的操作步驟進(jìn)行后續(xù)操作：

    (1)修改機(jī)床數(shù)據(jù)文件“Machine_Data．dat”。打開(kāi)NX5.0的安裝目錄“UGS＼NX5．0＼MACH＼resource、library、machine、ascii”的Machine_Data．dat文件，添加如下內(nèi)容“DATA | new_mill_lxd ｜3_AxMill(MM)(XY-TB／Z-HD／Vert)｜None｜Ex：l｜4$｜UGII_CAM_POST_DIR}lxd_sim．dat｜1．000000”至文件中，并保存。

    (2)建立機(jī)床后處理文件。利用后置處理構(gòu)造器創(chuàng)建的機(jī)床后處理文件為“l(fā)xd_sim．pui”，在生成該文件的同時(shí)，還生成了一系列的后處理文件，分別是機(jī)床定義文件“l(fā)xd _sim．def”、事件管理器文件“l(fā)xd_sim．tcl”和虛擬控制器文件“l(fā)xd_sim_vnc．tel”。復(fù)制并編輯安裝目錄“UGS＼NX 4.0＼MACH＼resource＼postprocessor”的sim010101_001_in．dat文件，重命名為L(zhǎng)xd_sim．dat，編輯后處理器名稱和位置如下：lxd_sim，${UGII_CAM_POST_DIR}lxd_sim．tcl，${UGII_CAM—POST—DIR}lxd_simdef。隨同上面3個(gè)文件一起存到UGS＼NX 5．0＼MACH＼resource＼postprocessor目錄下。

    (3)復(fù)制文件到安裝目錄。把建立的VSl575運(yùn)動(dòng)模型Dew_mill_lxd存放到安裝目錄“UGS＼NX5．0＼MACH f resource t library|machine f graphics}new_mill_lxd”中。

    至此，機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的后續(xù)操作就完成了，接下來(lái)就可以進(jìn)行綜合仿真與檢查了。

3 IS&V環(huán)境下的加工仿真

    實(shí)際應(yīng)用中，以山東理工大學(xué)校辦工廠為泰安航天特種車有限公司加工的TA5380特種車過(guò)橋齒輪下箱蓋為例子，如圖4 所示。

圖4 已生成刀路的TA5380過(guò)橋下箱蓋

    將已生成刀路的TA5380特種車過(guò)橋下箱蓋調(diào)入已經(jīng)建立好的銑床仿真模型。并將夾具、工件、毛坯、刀具等重新定位到機(jī)床上，建立整個(gè)機(jī)床的加工仿真系統(tǒng)(包括銑床，工件、刀具、夾具等)。針對(duì)該仿真系統(tǒng)，打開(kāi)操作導(dǎo)航器的“機(jī)床”視圖，選擇第一行結(jié)點(diǎn)并右擊，選擇“刀軌”→“仿真”命令。通過(guò)設(shè)置“仿真控制面板”對(duì)話框可以進(jìn)行整個(gè)加工過(guò)程的綜合仿真與檢查操作。其中機(jī)床的滑鞍做y向運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)做x向運(yùn)動(dòng)，而箱體做z向運(yùn)動(dòng)。這3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和實(shí)際銑床完全一致。在該銑床的仿真過(guò)程中，可以通過(guò)縮放、平移以及旋轉(zhuǎn)操作來(lái)全方位地觀察仿真過(guò)程并及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工中的問(wèn)題，而且可以通過(guò)干涉和碰撞的設(shè)置讓IS&V在發(fā)生干涉碰撞時(shí)給出警告以便對(duì)加工零件進(jìn)行即使修正。

    加工過(guò)程仿真實(shí)例如圖5所示，可以清楚的看到刀具、刀柄和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。

圖5 仿真加工中的IS&V機(jī)床

    上述仿真過(guò)程很真實(shí)模擬了對(duì)TA5380特種車過(guò)橋上箱蓋在VSl575大型立式加工中心實(shí)際加工情況，達(dá)到了減少并替代試切的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

    結(jié)合軟件UG的CAD／CAM功能和UG的后處理功能的數(shù)控加工過(guò)程仿真功能，針對(duì)VSl575大型立式加工中心三軸立式數(shù)控銑床探討了虛擬機(jī)床技術(shù)。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)逐漸向集成化、智能化方向發(fā)展，仿真加工技術(shù)對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。總之，UG IS&V數(shù)控仿真設(shè)計(jì)是UG二次開(kāi)發(fā)中具有代表意義和實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)發(fā)展方向，由于其具有可降低生產(chǎn)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，將得到廣泛的應(yīng)用。