虛擬機床仿真定制和應用

羅 威

（上海優集工業軟件有限公司，上海 201203）

1 引言

為適應集成電路裝備精密零部件快速報價和加工的模式，某半導體設備精密零部件生產企業急需實施虛擬機床仿真，通過虛擬機床仿真定制，實現在將生產任務送到車間之前，減少大型復雜零件的編程和運行時間，降低成本的目的。通過對五軸數控機床的仿真定制，達成預期目標，實現基于數據驅動的G代碼機床仿真，用于檢查干涉、碰撞和機床行程，在仿真界面可進行NC程序編譯，在圖形界面顯示機床運動和實體切削，切削的過程工件IPW可以和模型進行比對測量，以圖譜形式顯示過切和欠切余量，仿真結束后輸出虛擬機床仿真報告。

2 虛擬機床仿真定制

2.1 虛擬機床仿真結構圖

虛擬機床仿真結構圖如圖1所示，CAM操作部分是在CAM軟件中編制工件加工刀路軌跡，CAM POST部分可以把生成的刀路軌跡轉化成機床加工需要的NC代碼，圖1中所示的NC代碼是西門子840D格式的NC代碼，仿真驅動部分可以把NC中的運動指令和輔助指令轉換成各個軸的運動，從而驅動機床運動模型，仿真和驗證NC程序的正確性。

圖1 虛擬機床仿真結構圖

軟件中編制的工序，通過定制的機床后處理生產NC文件，在軟件中調入虛擬機床，設定加工坐標系，調入數據庫中刀具加工用到的工裝夾具和需要仿真的NC文件，在圖形窗口開始虛擬機床仿真。這樣的結構保證編程、后處理生成NC文件、機床仿真的流程和車間進行編程、后處理、數控設備加工的流程一致。

2.2 機床后處理定制

通過機床后置處理定制可以把刀位數據文件轉換成指定數控機床能執行的數控程序，使用西門子NX CAM提供的后處理構建器Post Builder創建機床后處理，定義時選擇后處理輸出單位、機床類型、控制器型號、線性軸行程限制值、線性軸運動精度及回零位置點，機床旋轉軸旋轉平面、線性插值及最大進給率，創建完成后采用TCL語言對后處理細節進行調整和編輯。

對于機床廠家定義的特殊指令，比如機床廠家基于Heidenhain iTNC 530開發的特殊指令CYCL DEF 398 ADVANCE 3D ROT，需要根據機床說明書中的定義進行定制。

2.3 機床模型處理

為了仿真的準確性，虛擬機床模型需要按實際機床1∶1進行建模，建模時需要對機床組件進行分解，比如X軸機床組件、Y軸機床組件、Z軸機床組件、B軸機床組件和旋轉工作臺C軸組件，利用軟件裝配功能對繪制好的模型組件進行裝配。如圖2所示，以DMU125P機床為例，首先對實際機床進行測量，測量結束后繪制X軸、Y軸和C軸機床組件，繪制擺頭B軸組件和旋轉工作臺C軸組件，繪制機床床身組件，對于不參與仿真運動的模型進行處理，對于影響仿真的組件要進行細節處理，確保關鍵部件是1∶1建模，建模結束后進行模型裝配，確保裝配后的模型和實際數控設備完全一致，模型正確了仿真時的干涉碰撞檢查才有意義。

圖2 虛擬仿真機床視圖

2.4 建立機床運動模型

機床運動模型的建立是為了搭建機床運動鏈，定義虛擬仿真機床的各個線性軸和旋轉軸。用機床生成器（Machine Tool Builder，MTB）建立DMU125P機床運動模型，定義機床的運動組件、運動軸、運動軸方向、運動組件行程、運動組件加速度等數據，定義的數據會在CSE驅動中進行映射使用，其中運動軸上限、運動軸下限、運動軸初始值、運動軸軟上限和運動軸軟下限用來定義各個運動軸的行程，這個值越準確，虛擬仿真時行程檢查的效果越真實，如NC程序中有超程的程序語句，可以在上機床加工前仿真出來，避免工件在機床加工時因為行程問題而進行調整位置或切換加工機床。定義的最大速度、最大加速度、最大加加速度、最大減速度和跳躍速度等軸動態屬性要根據實際機床設定的參數進行定義，這些值的定義會影響虛擬機床仿真輸出的加工時間。

2.5 仿真驅動定制

對于虛擬機床仿真中的機器代碼模擬，需要解析和執行 NC 程序，這些任務由 NX Manufacturing 的通用仿真引擎（CSE）執行，通過 CSE 的機床配置文件、控制器配置文件和Python腳本文件，來定制機器模擬行為。CSE 的機床配置文件、控制器配置文件和Python腳本文件將解析器的代碼語言輸出映射到引擎可以執行的命令和方法上。

機床配置文件和控制器配置文件采用機床配置器進行定制開發，根據不同數控設備控制器進行不同的配置，DMU125P機床使用的是Heidenhain iTNC 530系統，要根據NC代碼中的指令，參照Heidenhain iTNC 530控制器對該指令的解析進行定制，比如NC程序中7 TOOL CALL 6.2 Z S4000 F1350 DL+0.1 DR-0.5DR2+0.03的程序行，7是行號，在刀具軸Z 調用6 號刀具，主軸轉速為4 000 r/min，進給速率為1 350 mm/min。編程刀具長度和刀具半徑均為2 時必須為其分別編程0.1 mm和0.03 mm 的正余量，刀具半徑必須編程0.5 mm 的負余量。在仿真驅動定制時，需要定義TOOL CALL仿真指令，使虛擬仿真時執行TOOL CALL指令可以調用對應刀號的刀具到虛擬機床模型的主軸上，執行刀具調用的同時需要取出刀具的長度參數，在執行Z向值時把刀具長度參數補償進來，保證刀具Z向位置的正確性。虛擬機床在調用刀具時需要回換刀安全點，在定制換刀指令時進行換刀安全點設置。定制轉速SpindleSpeed，當SpindleSpeed為0時，仿真進行報錯提示，當設定值大于機床最高轉速時，也需要停止仿真進行報警。定制Feed指令，當Feed值為0或Feed值大于設定的最高值時，進行報警提示。按照Heidenhain iTNC 530機床說明書種對指令的定義，在機床仿真定制時對相應指令進行解析，最終實現在虛擬仿真時機床的運動軌跡和實際機床一致。

2.6 特殊專用指令的定義

對于虛擬機床仿真中的特殊專用指令，需要根據機床說明書進行定制，比如對于機床廠家重新定義的Heidenhain iTNC 530中的CYCL DEF 398 ADVANCE 3D ROT～指令，機床廠家對斜面加工指令基于Heidenhain iTNC 530進行了客戶化定制，指令如下：

CYCL DEF 398 ADVANCE 3D ROT～

Q1496=+0.000；Q1497=+0.000；Q1498=+0.000；Q1499=+2；Q1500=+54.736；Q1501=+0.000；Q1502=-45.000；Q1503=+1；Q1504=+1；Q1505=+1；Q1506=+0；Q1507=+0；Q1508=+1；Q1509=+0；Q1510=+0；Q1511=+0；Q1512=+0；

需要對斜面加工指令CYCL DEF 398 ADVANCE 3D ROT進行特殊專用指令定制，針對Q1496至Q1512的Q參數，進行解析，使機床虛擬仿真在執行CYCL DEF 398 ADVANCE 3D ROT時可以進行加工坐標系轉換，使刀具垂直于要加工的斜面，做這個指令定制時要考慮刀具隨著主軸進行擺角度時對刀長的影響。

2.7 角度頭仿真指令的定義

在定制虛擬仿真時，客戶提出加工工件時會使用大量角度頭，由于角度頭作為刀具安裝至機床時，改變了刀軸方向，角度頭的仿真在虛擬仿真軟件時需要專門定制。角度頭安裝至機床主軸時存在X+、X-，Y+、Y-四個方向的安裝位置，給虛擬機床仿真帶來很大的技術難度。角度頭種類多，安裝方式存在4種情況，需要使用角度頭的設備存在三軸、四軸、五軸立式機床、五軸臥式機床，考慮諸多情況后，沒有參照以前項目上的經驗，而是重新構建定制了角度頭仿真指令，重新構建后的指令可以適應不同安裝方向，不同結構的數控設備?？紤]到不斷購進增加的角度頭，在仿真驅動中沒有采用固定的角度頭在各個軸方向的偏差值，而是采用函數進行調用讀取，這樣當客戶購進新的角度頭時，只需要在外部按照規則配置，就可在仿真時調用新加的角度頭而進行正確的角度頭仿真。

角度頭仿真指令的定義解決了編程人員使用角度頭時無法驗證的狀況，使用角度頭加工時，很多情況下角度頭深入零件內部，如果沒有虛擬機床仿真，在實際機床上進行加工時無法從零件外部觀察到角度頭在零件內部的位置，當NC程序存在碰撞風險時無法通過觀察進行檢查和預防。使用角度頭虛擬機床仿真后，在NC程序下放車間前，可以對要加工的NC程序進行驗證，出現干涉、超程、碰撞風險時可以通過虛擬機床仿真檢查出來，把加工風險降到最低。

3 虛擬機床仿真驗證

測試時以圖3的工件為例，加工工件采用虎鉗夾持，調入虛擬機床，如圖4所示。

圖3 虛擬仿真測試工件

圖4 仿真中的虛擬機床

1）將已經生成刀路的測試工件經過機床后處理生成NC文件simulation_test.h，調入需要仿真的虛擬機床，比如前面定義的DMU125P，步驟如下：在GENERIC_MACHINE上點編輯，在彈出界面上選擇從庫中調用機床，選擇DMU125P虛擬機床，通過裝配的方式把機床和工裝進行裝配。

2）調入機床后，在機床導航視圖中制定加工的工件、加工毛坯幾何體和工裝夾具，檢查NC程序中用到的刀具是否齊全，如有問題新建或編輯刀具，并根據車間現場實際情況配置相同的刀柄。

3）選擇機床仿真圖標，進入機床仿真環境，選擇外部程序仿真，選擇NC文件simulation_test.h，首先在機床軸位置界面檢查各個軸的方向和行程是否正確，保證各個軸的運動方向和行程和實際機床完全一致。

4）點擊播放按鈕，檢查機床仿真的NC文件刀路軌跡和操作中的刀路軌跡完全一致。在虛擬仿真過程中，可以設置斷點、播放、停止等操作對仿真過程進行控制，也可以對仿真界面通過縮放、平移以及旋轉操作來全方位觀察仿真過程并及時發現加工中存在的安全隱患，通過設置可以檢查刀具、機床主軸、機床工作臺、工件和工裝夾具間的干涉碰撞，如果存在干涉碰撞機床仿真將暫停，并把干涉碰撞處標紅處理，在該狀態下可以修改NC程序，直至NC程序安全無誤。

5）仿真結束后可以生成仿真過程工件IPW，在IPW上可以用圖譜樣式顯示過切和欠切，并對過切和欠切位置進行測量。

4 虛擬機床仿真報告創建

為了方便客戶在虛擬機床仿真后對仿真結果進行記錄和保存，對客戶需求詳細調研后開發了虛擬機床仿真報告。虛擬機床仿真報告見表1，仿真報告可細化至單個工步，用來記錄每個工步加工時間，虛擬機床仿真出來的加工時間準確性高于95%，可用于工件加工前的成本核算和工時評估。

表1 虛擬機床仿真報告（仿真機床：DMU125P）

仿真過程中遇到機床組件和工件、工裝碰撞干涉，在工步對應表格中記錄碰撞對，同樣，如果存在過切，在對應表格中記錄過切對。仿真結束后對于工時、過切、碰撞和超程可以做綜合評估。

5 結束語