虛擬仿真技術在數控加工中的應用

宋健，顏士肖

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

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虛擬仿真技術在數控加工中的應用

宋健，顏士肖

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

摘要：虛擬仿真技術是通過建立基于實際加工環境的虛擬仿真加工系統，模擬與實際加工完全吻合的加工情況，對數控加工的可靠性進行檢驗。介紹了基于CAD/CAM的虛擬仿真加工系統的體系構架、虛擬仿真加工系統中的機床建模和虛擬仿真加工功能的實現，并以實際案例說明了虛擬仿真技術的實現過程。

關鍵詞：虛擬仿真；數控加工；VERICUT軟件

0引言

隨著CAD/CAM技術的成熟和廣泛應用，數控加工技術日益廣泛地應用于復雜零件的加工[1]，但隨著零件復雜程度的增加，加工零件的數控程序的潛在危險也隨之增加，可靠性降低。因此，在實際加工前，通常要進行試切和計算機圖形仿真，以檢驗刀具軌跡的正確性和數控程序的可靠性，虛擬仿真技術以其獨有的優點越來越受到重視[2,3]。

目前，商業化的CAM軟件如UG，Pro/E，MasterCAM，Cimatron等都具有一定的仿真功能，如刀具軌跡仿真和材料去除過程仿真功能，并且也提供了功能很強的二次開發接口(API)，基于這些二次開發接口可以開發專用的功能模塊。我國的一些研究機構和學者也開發出了具有一定實用性的數控仿真系統。此類系統通常采用C/C++編程語言，利用OpenGL作為圖形支持開發，該開發方法需要很高的編程技術。然而，不管是商業化的CAD/CAM軟件系統還是我國自主開發的數控仿真系統主要集中于刀具軌跡的仿真，沒有考慮具體的加工環境。而對于多坐標數控加工，加工系統中的機床部件、刀具、工件、夾具等各組件的相對運動和空間位置超乎想象的復雜，存在很大的潛在碰撞危險[3]。因此，數控加工可靠性的驗證必須基于具體的加工環境。

本文在著重介紹虛擬仿真技術的原理基礎上，舉例說明基于VERICUT軟件的虛擬仿真技術，建立基于實際加工環境的虛擬仿真加工系統，模擬與實際加工完全吻合的加工情況，對數控加工的可靠性進行檢驗。

1基于CAD/CAM的虛擬仿真加工系統的體系構架

在開發虛擬仿真加工系統時，首先應用CAD/CAM的設計功能建立機床和夾具的各主要零部件模型、工件模型，將其“裝配”為虛擬仿真加工系統的設備系統；然后應用CAD/CAM的自動數控編程功能生成零件的數控加工程序，并根據刀具的選擇準備刀具模型；經過這兩步就可以完成虛擬仿真加工的模型和信息準備。

虛擬仿真加工系統是建立在實際物理設備及其對應的活動和信息的基礎上的，并且能夠隨著實際加工系統的改變而對其進行維護。根據其功能，基于虛擬仿真加工系統的體系結構可以分為三個層次和兩個用戶界面，如圖1所示。

圖1　虛擬仿真加工系統體系構架

a) 虛擬仿真加工系統的三個層次

1) 物理層：該層是對應的現實制造設備資源，它為虛擬仿真加工系統的建立提供必要的設備資源信息。

2) 模型層：該層通過對現實制造系統的數字化建立三個數據庫，實現設備資源和生產活動的集成。

3) 仿真層：該層執行加工過程中的仿真，它集成了設備模型、數控程序、工件模型等。在該層虛擬仿真加工系統實現了最終功能，完成數控程序的校驗等功能。

b) 虛擬仿真加工系統的兩個用戶界面

1) 建模界面：操作員通過該CAD/CAM界面實現與物理層、模型層的交互，并且實現對數據庫的維護。

2) 仿真界面：操作員應用CAD/CAM開發專用的應用模塊，實現與模型層的交互，建立虛擬仿真加工系統。操作員可通過該界面實現對虛擬仿真加工過程的控制，并接受反饋的仿真過程結果信息。

2虛擬仿真加工系統中的機床建模

機床建模是虛擬仿真加工系統的關鍵模型，是實際機床在虛擬仿真加工系統中的數字化模型，包括幾何模型和運動模型。

幾何模型是在CAD系統中建立的，首先根據實測得到的機床部件尺寸，建立相應的模型，然后再根據相互關系進行“裝配”，形成機床的幾何模型。虛擬仿真加工系統中，通過改變機床幾何模型各運動零部件的相對位置來模擬加工中虛擬機床的切削運動。

運動模型是處理機床幾何模型在數控程序控制下如何改變各運動零部件模型相對位置的模型，與機床的結構緊密相關。以DMU 125P五軸加工中心為例，在運動模型建立過程中，機床各部件都視為剛體，這樣機床的結構可抽象為一個運動鏈模型，如圖2所示。在運動鏈各組成環節的剛體上固接坐標系，通過坐標變換，可以分析整個運動鏈的運動形式，建立運動鏈的依賴關系，即運動鏈的拓撲結構關系，如圖3所示。

圖2　運動鏈

圖3　運動鏈的拓撲結構關系

每一個機床零部件在數控指令驅動下的變換矩陣為其自身節點到根節點各個變換矩陣的乘積，如給定當前的數控坐標為(x,y,z,b,c)，則刀具和工件的變換矩陣分別為：

MT′=MT0×MZ×MY×MX=MT0×T(x,y,z)

MP′=MP0×MC×MB=RZ(c)×RX(-45)×RZ(b)×RX(45)

式中：Mn0表示零部件n變換之前的矩陣；

T(x,y,z)表示零部件的平移變換矩陣；

Rk(a)表示繞軸k旋轉a角。

3虛擬仿真加工功能的實現

a) 系統框架的建立

在虛擬仿真加工開始之前，針對工藝信息，選擇相應的虛擬機床、虛擬刀具、虛擬夾具、工件模型組成虛擬仿真加工系統。在虛擬仿真加工中，虛擬機床在數控指令的驅動下帶動虛擬刀具、虛擬夾具、工件模型等模擬切削過程，實現對數控程序的正確性和可靠性的驗證，其系統框架如圖4所示。虛擬仿真加工系統主要包括數控程序檢查、數控程序翻譯、運動仿真、刀具軌跡檢查、碰撞檢測等模塊。

圖4　虛擬仿真加工系統框架

b) 程序檢查模塊

數控程序檢查模塊包括詞法、語法檢查，主要檢查程序中是否有數控指令集外的非法字符、數控指令的參數是否有效、語法上是否合乎邏輯等。

c) 程序翻譯模塊

數控程序翻譯模塊以機床的數控程序規范為基礎，用以提取G指令、M指令、坐標、進給速度、主軸轉速、換刀、循環定義等信息，轉換為仿真數控代碼。這樣在虛擬仿真加工中，才能控制虛擬仿真加工系統的運動仿真和狀態設置，為運動仿真模塊提供必要的信息。

d) 運動仿真模塊

該模塊是虛擬仿真加工系統最關鍵的一個模塊，決定了后續的刀具軌跡檢查、碰撞檢查結果的正確性。在該模塊中，首先根據機床的運動模型，建立虛擬仿真加工系統各運動組件(包括虛擬機床各運動零部件、虛擬刀具、虛擬夾具和工件模型)的運動模型(即變換矩陣)；然后根據翻譯模塊所提供的坐標值計算各運動組件的變換矩陣并應用以改變各運動組件的位置，從而可以模擬虛擬仿真加工系統的運動，具體步驟如圖5所示。

圖5　運動仿真

e) 刀具軌跡檢查模塊

該模塊主要用于刀軸矢量的檢查，以避免刀軸的劇烈變化。大多數的CAM系統都提供了加工仿真和刀位軌跡(刀具軌跡數據包括刀位數據和刀軸矢量)仿真檢查功能。但對多坐標加工而言，加工仿真和僅顯示刀位軌跡是遠遠不能滿足要求的。在虛擬仿真加工系統運動模擬的過程中，該模塊在顯示刀位軌跡的同時，也顯示刀軸矢量，這樣可以準確地檢查刀具相對于工件位置及刀軸的變化。

f) 碰撞檢測模塊

對五坐標加工而言，刀具相對于工件的運動軌跡很復雜，難以預測，通常需要進行仿真檢驗數控程序中可能出現的碰撞干涉。大多數CAM系統提供的加工仿真功能僅考慮刀具與工件、夾具間的碰撞檢查，而不能檢查可能出現的刀具與工作臺間、主軸與工件、夾具間的碰撞。在該模塊中，根據經運動仿真模塊處理后的各運動零部件的相對位置，全面檢查可能出現的碰撞。

4應用實例

DECKEL MAHO公司的DMU 125P機床是五軸五聯動加工中心，具有立臥轉換功能。在立式狀態下，其結構形式如圖6所示，a軸為工作臺擺動，c軸為工作臺轉動。在臥式狀態下，主軸繞b軸旋轉90°，其他狀態與立式結構相同。在該機床上進行五軸五聯動的加工時，刀具相對于工件的空間運動軌跡復雜，加工前必須進行虛擬仿真加工。

圖6　125P立式加工狀態

本文以VERICUT軟件為平臺，構建了DMU 125P加工中心的虛擬仿真加工系統，用來檢驗數控加工程序、刀具軌跡與潛在的碰撞危險。在構建125P加工仿真環境時，首先根據運動鏈關系建立機床拓撲結構關系[4]，如圖7所示；然后建立機床的數字模型，如圖8所示；最后根據工件、刀具、夾具和機床的數字模型構建虛擬仿真加工環境，如圖9所示。

圖7　DMU125P機床拓撲結構關系

圖8　DMU125P機床數字模型

圖9　DMU125P機床虛擬仿真加工環境

5結語

隨著虛擬仿真技術研究的深入，該技術已不僅僅用于檢驗數控程序的可靠性，也用于數控程序的優化。基于CAD/CAM軟件平臺，利用二次開發接口(API)開發數控

加工的優化系統具有一定的可行性。通過建立典型零件和刀具的優化參數知識庫，數控加工程序的優化技術將得到越來越廣泛地應用，可以顯著提高數控加工的效率，對于制造企業具有明顯的經濟實用價值。

參考文獻:

[1] 王先逵. 計算機輔助制造[M]. 北京：清華大學出版社，1998.

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

[3] 張沖，汪方寶，等. 基于VERICUT的虛擬制造技術應用[M]. 合肥：合肥工業大學學報(自然科學版) 2004.

[4] 廖桂波，張林，等. VERICUT在數控加工技術培訓中技巧[M]. 2005.

Discussion on Applications of Simulation Technology in CNC Manufacturing

SONG Jian, YAN Shi-xiao

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

Abstract:The virtual simulation technology is used to check the CNC manufacturing process based on establishing the virtual simulation system, in which the real manufacturing environment can be miniched. The paper mainly introduces the architecture, machine modeling, and simulation functions of the simulation system based on CAD/CAM and describes the real process for example.

Keywords:virtual simulation; CNC manufacturing; VERICUT

中圖分類號：TH164;TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0095-03

作者簡介：宋健(1978-)，男，安徽滁州人，碩士，主要從事數控加工及數字化制造技術研究。

收稿日期：2014-11-04 2014-08-04