基于T-FLEX 3D CAD系統的數控程序檢驗方案*

莊朱協 高偉強

(廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006)

五軸數控加工程序的檢驗是五軸數控加工的關鍵技術之一。五軸聯動數控機床運動關系復雜，加工過程中極易出現干涉、碰撞等現象。五軸聯動數控機床造價昂貴，一旦損壞功能部件將造成巨大的經濟損失。因此，沒有經過反復檢驗的數控程序一般不能用于加工。五軸數控機床結構有96種［1］，不同結構的機床，數控程序互不相同。因此，數控程序的檢驗難度較大。

試切法是最典型的數控程序檢驗方法，該方法的缺點是無法保證不碰刀而且檢驗時間長。筆者用石蠟試切(精加工葉輪的一個流道，大約需要6 h，而準備石蠟毛坯和粗加工流道(分2層)等需要20 h。顯然，試切法無法滿足企業對效率的要求。

數控程序檢驗的目的在于：①檢驗刀具路徑及刀位文件是否正確；①檢驗加工過程中是否發生干涉、碰撞等現象。以此為目標，Pro/ENGINEER［2］、Unigraphics NX［3］、Cimatron［4］等大型商業化軟件都提供功能強大的數控加工仿真模塊，但它們只能對刀位文件進行仿真。VERICUT軟件能同時進行刀位文件和機床運動仿真，仿真程度極高［5］。但該軟件價格昂貴，市場覆蓋率低。

綜上所述，隨著五軸數控加工技術開始走向大眾化，探討一種直接檢驗數控程序的快速有效的方案勢在必行。因此，本文提出了基于參數化CAD系統的仿真方案。

1 基于參數化CAD系統的仿真方案

利用現有的商業化CAD系統，可以建立描述加工過程的五軸數控加工工藝系統(含刀具-機床-工件等)三維約束模型。逐行提取數控程序中的加工參數，通過參數驅動三維模型連續變化，可觀察、檢驗數控加工過程中是否發生干涉、碰撞等現象，并生成三維動畫文件。

但普通CAD系統不提供數控程序的識別和參數提取功能。為此本文提出如下方案：利用T-FLEX 3D CAD系統，針對具體五軸數控加工工藝系統建立具有參數約束的三維模型。開發軟件系統實現如下功能：

(1)語法編輯功能：讀取數控程序并進行語法診斷、識別。如果檢驗出錯，可對數控程序進行編輯。

(2)接口程序功能：利用OLE自動機制建立與T-FLEX CAD系統的嵌入連接，使T-FLEX CAD系統中的三維模型變成OLE控制對象，并與軟件系統中的數控程序連接。逐行提取數控程序中的五軸坐標，通過Active X函數將五軸坐標傳送給T-FLEX CAD系統中描述三維模型的參數，由參數驅動模型連續變化，從而動態仿真加工過程并產生動畫文件，進而快速有效地檢驗數控程序。接口程序有數據中轉、Active X自動機制兩種實現方式(下文詳述)。系統流程圖如圖1所示，數控程序預處理流程圖如圖2所示。

該方案的優點如下：①不需要設計復雜的仿真系統，只需要建立仿真模型和設計接口程序；①通過采用時間分割法的插補，實現精確的仿真；③由于該方案在計算機中實現，因此可靠、穩定、成本低。

2 方案實現

基于T-FLEX CAD系統的仿真方案分三步實現：第一步，建立仿真模型；第二步，編程實現接口程序；第三步，動態仿真。

2.1 建立仿真模型

為仿真機床運動，加工工藝系統除了必須包含工件、刀具、機床模型外，更重要的是通過裝配約束嚴格定義機床結構和五個運動自由度。

五軸數控機床的結構有雙回轉工作臺、雙擺動主軸、回轉工作臺加擺動主軸三種形式，對應的三種幾何模型如圖3、4、5 所示。

根據文獻［1］的研究結果，帶動工件直線運動的坐標記為X、Y、Z，帶動主軸直線運動的坐標記為X'、Y'、Z'，A、B、C 同理，則在樣本空間(X、Y、Z 、A、B、C、X'、Y'、Z'、A'、B'、C')中，如圖 3 所示的機架、主動軸回轉臺、依賴軸回轉臺、刀具系統，可裝配出24種機床結構形式。圖3a、b分別列出其中的兩種形式。

本方案根據機床的實際結構，通過裝配約束嚴格定義該系統的五個自由度如下：機架實現X、Y軸的直線運動，主動軸旋轉臺裝配在機架上，實現B軸的旋轉運動，依賴軸旋轉臺裝配在主動軸旋轉臺上，實現C軸的旋轉運動。刀具安裝在主軸上，實現Z軸的直線運動。系統裝配后為BCXYZ'的結構形式，只保留如上文所述的五個自由度，有兩條傳動鏈，分別為：機架——B 軸回轉臺——C 軸回轉臺——工件；刀具——工件。在此基礎上，如要更真實仿真機床運動，可增加夾具等零件。在裝配過程中，零件的幾何尺寸、五個自由度的運動量都以變量的形式保存到變量表(即“變量編輯器”，如圖6所示)中，根據不同機床的實際結構修改變量值。該模型便描述了結構為BCXYZ'的一類機床。

2.2 編程實現接口程序

筆者已使用Delphi7.0語言開發出“五軸數控加工過程仿真系統”。并正在申請軟件版權。該系統分數據中轉、Active X自動化兩種方式實現接口程序，其核心程序如下：

(1)數據中轉方式的實現

使用T-FLEX CAD系統提供的數據庫函數“mdb(“外部數據庫名”，“數據庫表名”，“數據庫字段名”，“條件表達式”)”建立仿真模型與數據庫之間的參數約束關系。如用語句 mdb(“NC5D.mdb”，“Coord”，“C”，“N=｛n｝”)”實現C軸旋轉角度與數據表的參數約束。

(2)Active X自動化機制的實現

在本系統中先定義如下一個創建T-FLEX OLE控制對象的函數：

在該函數中寫入如下語句：

其中“CreateOLEObject()”函數用于創建一個TFLEX CAD系統OLE控制對象，“TFW32.SERVER”語句用于建立與T-FLEX CAD系統的連接，以后TFLEX CAD系統打開的文檔即可作為本系統的操作對象。

本系統具備插補仿真功能，因此該系統的仿真精度很高。該系統能實時計算并顯示插補過程中的插補點，為數控系統的開發提供算法的檢驗工具。

2.3 動態仿真

對應接口程序的兩種實現方式，分別有兩種仿真方法：

第一種是把五軸坐標儲存到mdb數據庫中，每行數控程序對應數據表中的一條記錄。仿真時，使用T-FLEX CAD系統中的“動態模擬”功能，以數據表的記錄號為指針，逐行讀取數據表中的五軸坐標，驅動仿真模型連續變化，并生成仿真過程的AVI動畫文件。

第二種是在應用上文所述的Active X自動化機制建立高級語言程序與T-FLEX CAD系統的連接后，逐行提取每行數控程序中的五軸坐標，連續修改變量表(如圖6“變量編輯器”所示)中的變量值，驅動仿真模型連續變化，實現動態仿真。

3 實例驗證

以葉輪的五軸數控加工過程仿真為例，筆者首先使用Cimatron E8.5軟件生成數控程序。再用“五軸數控加工過程仿真系統”讀入數控程序并動態仿真數控程序(圖 7)。

在仿真過程中，使用T-FLEX CAD系統提供的動態旋轉、放大、測量等功能，檢測、測量刀具與工件、夾具等的距離，沒有發現干涉、碰撞等問題。說明該數控程序正確，可直接用于數控加工。在計算機上仿真(精加工)該葉輪的一個流道，由于無需仿真粗加工，因此只需15 min。與試切法相比，有效地減少了檢驗時間。

4 結語

本文提出一種基于T-FLEX 3D CAD系統的數控程序檢驗方案，并在此基礎上開發出具備自主知識產權的“五軸數控加工過程仿真系統”軟件。該系統能直接仿真數控程序并實現插補仿真，對數控程序的檢驗快速有效。經該系統檢驗并調試的數控程序，可直接應用于數控加工，極大地縮短了五軸數控程序的準備周期。

［1］全榮，等.五坐標聯動數控技術［M］.長沙：湖南科學技術出版社，1995.

［2］張瀅.Pro/E Wildfire數控加工及二次開發技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］黃毓榮，陳大治.UG NX4高級銑應用技術［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［4］衛兵工作室.Cimatron E中文版數控編程入門與實例進階［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［5］李云龍，曹巖.數控機床加工仿真系統VERICUT［M］.西安：西安交通大學出版社，2005.