1、引言　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國民經(jīng)濟各部門所需求的多品種、多功能、高精度、高品質(zhì)、高度自動化的技術(shù)裝備的開發(fā)和制造，促進了先進制造技術(shù)的發(fā)展。目前代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，它是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等加工的唯一手段，對航空航天、軍事、科研、精密器械等行業(yè)都起著舉足輕重的作用。

　　但是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)價格十分昂貴，加之在數(shù)控程序編制上存在著很大困難，因而如何使得五軸加工得以“平民”化應(yīng)用，已經(jīng)成為機床制造業(yè)的一個熱點問題。本文從虛擬機床技術(shù)開發(fā)，探討其在五軸加工的應(yīng)用，實現(xiàn)仿真加工，優(yōu)化數(shù)控程序，從而提升加工質(zhì)量、提高加工效率、降低加工成本。

2、虛擬機床應(yīng)用的優(yōu)勢

　　數(shù)控加工最終的好壞取決于以下5個因數(shù)中的短板：數(shù)控機床、控制器、刀具、數(shù)控編程和CAM軟件。虛擬機床的應(yīng)用正好可以解決以上短板問題，采用虛擬機床存在以下優(yōu)點：

　　2.1 真實性

　　傳統(tǒng)CAM軟件驅(qū)動的標準模擬仿真是一種不完整的近似運動模擬，不能避免實際加工過程中的過切與撞刀。虛擬機床技術(shù)采用內(nèi)置CNC控制器驅(qū)動的加工模擬仿真是真實可靠的，可以把加工中的各種風(fēng)險（撞刀、過切等）降為零。

　　2.2 先進性

　　虛擬機床不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的車床、銑床、加工中心，而且可以仿真車銑復(fù)合和多軸聯(lián)動機床。目前，西門子公司的虛擬機床對于不同CNC控制系統(tǒng)的特殊加工指令及FMS柔性制造系統(tǒng)可以進行仿真。

　　2.3 互操作性

　　虛擬機床不僅提供三維數(shù)字機床，而且包含虛擬控制面板，提供和車間環(huán)境一樣的虛擬實訓(xùn)環(huán)境。應(yīng)用虛擬機床，可以實現(xiàn)學(xué)生的大量仿真與真實機床沒有區(qū)別。這對于目前企業(yè)緊缺的中高端數(shù)控人才，是一個很好的培訓(xùn)解決方案，使復(fù)雜機床的編程及加工操作培訓(xùn)費用降低50%，從且可以大大地降低培訓(xùn)成本。

　　2.4 開放性

　　虛擬機床可以有效地連接CAM編程和車間加工，接受不同CAM軟件編制的NC程序或手工編程，方便與不同的軟件環(huán)境對接。虛擬機床也可以按照不同的CNC控制系統(tǒng)和機床型號進行定制，以方便與機床硬件環(huán)境對接。

　　2.5 異地共享

　　目前對于五軸聯(lián)動數(shù)控機床這樣的高端機床，由于數(shù)量少和技術(shù)要求高，導(dǎo)致普遍使用率偏低。虛擬機床技術(shù)可以打破真實機床共享使用的地域限制，平衡投資，而且未來升級方便。

3、復(fù)雜零件五軸加工過程與解決方案

　　五軸加工環(huán)節(jié)包括：模具準備、刀具編制、仿真驗證、后置輸出、機床加工。五軸加工的過程是純計算機模擬的。

　　3.1 加工模型準備

　　NX把CAD、CAE和CAM全部集合在一個系統(tǒng)中。通過最新的CAD技術(shù)，數(shù)控編程人員能夠快速地完成模型準備。即使原始數(shù)據(jù)來源于第三方CAD系統(tǒng)也是一樣的。（1）模型創(chuàng)建和編輯：運用強大的建模和編輯技術(shù)（CAD）創(chuàng)建用于CAM編程的零部件模型。（2）模型質(zhì)量與驗證：分析和驗證幾何條件——檢驗表面缺陷、壁厚、半徑等。（3）零件制造信息：檢查可能影響加工方法的更多模型信息（公差、表面粗糙度），這些信息可驅(qū)動CAM。（4）文檔與繪圖：基于3D模型快速創(chuàng)建用于加工的任何文檔。

　　在此過程中的關(guān)鍵技術(shù)包括四點，第一是混合建模、同步建模技術(shù)，進行無約束設(shè)計，第二是采用輕量表示和NX WAVE技術(shù)將零件、產(chǎn)品的制作復(fù)雜度降低，第三是在設(shè)計過程中使用行業(yè)專門自動化技術(shù)加快設(shè)計進度，第四是設(shè)計開放，能夠處理其他CAD數(shù)據(jù)。

　　3.2 五軸加工編程

　　五軸加工采用廣泛的加工策略，提供靈活的刀具軸控制選項，輕易處理復(fù)雜的工作需求，實現(xiàn)高度靈活的編程。利用最新的加工設(shè)備和制造工藝，以更快的速度加工質(zhì)量更好的零件。

　　在五軸加工編程過程中，點、線、面、邊界等驅(qū)動，法向、插補、相對等刀軸實現(xiàn)了豐富的驅(qū)動方式和刀軸控制；可變軸輪廓加工可以通過簡單選擇底部幾何體來自動加工復(fù)雜側(cè)壁，識別葉輪幾何，自動創(chuàng)建刀軌，便于便捷式的交互處理；不斷改變刀具和毛坯表面的相對角度，使刀具的接觸面積最大化，實現(xiàn)了曲率匹配這一新技術(shù)。

　　3.3 CAM/CNC一體化

　　CAM/CNC的有機集成，通過刀軌計算精度控制、優(yōu)化后置處理、真實的模擬仿真，讓CAM的輸出充分考慮機床控制系統(tǒng)的高級功能，實現(xiàn)產(chǎn)能的最大化，并消除了風(fēng)險。

4、五軸加工中虛擬機床的建立

　　真實的數(shù)控機床包括了機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。在VER ICUT 平臺上構(gòu)建虛擬數(shù)控機床也需要有兩部分內(nèi)容： 機床結(jié)構(gòu)模型的建立和機床控制系統(tǒng)的建立。

　　4.1 虛擬機床結(jié)構(gòu)模型的建立

　　4.1.1 五軸運動結(jié)構(gòu)分析

　　根據(jù)ISO的規(guī)定，在描述數(shù)控機床的運動時，采用右手直角坐標系。其中平行于主軸的坐標軸定義為z軸，繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)坐標分別為A、B、C。各坐標軸的運動可由工作臺，也可以由刀具的運動來實現(xiàn)，但方向均以刀具相對于工件的運動方向來定義。通常五軸聯(lián)動是指x、y、z、A、B、C中任意5個坐標的線性插補運動，如圖1所示。五軸實際是指x、y、z三個移動軸加任意兩個旋轉(zhuǎn)軸。相對于常見的三軸（x、y、z三個自由度）加工而言，五軸加工是指加工幾何形狀比較復(fù)雜的零件時，需要加工刀具能夠在五個自由度上進行定位和連接。

　　4.1.2 虛擬機床結(jié)構(gòu)模型的建立

　　構(gòu)建虛擬機床有多種方法 其中利用專業(yè)的數(shù)控加工仿真平臺， 通過二次開發(fā)構(gòu)建虛擬數(shù)控機床的方法是現(xiàn)實而有效的。VER ICUT是先進而成熟的數(shù)控仿真加工平臺軟件，不僅含有豐富的數(shù)控機床庫，并支持定制功能，可以構(gòu)建出用戶所需要的數(shù)控機床。

　　虛擬機床的結(jié)構(gòu)部分包括床身、主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、夾具、工件等。創(chuàng)建虛擬機床結(jié)構(gòu)的方法主要有2個：一是基于VERICUT自身的通用建模功能，在VERICUT庫中找一個相似程度很高的虛擬機床結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)通過修改、添加的方法構(gòu)建出所需要的機床結(jié)構(gòu)模型。二是對于復(fù)雜機床結(jié)構(gòu)，利用VERICUT與其它CAD/ CAM軟件接口，將建立好的特種機床實體模型導(dǎo)入VERICUT環(huán)境中并裝配。

　　筆者在設(shè)計虛擬機床結(jié)構(gòu)模型時，首先采用第一種方法，雖然創(chuàng)建較為簡單，但是由于局部特征表達得不夠清晰，使得模擬加工過程中碰撞干涉檢驗的能力降低。在吸取經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，通過SIEMENS NX 重新對繪制模型，將機床整體模型描述清晰，使得局部特征明顯。但此種方法存儲空間較大，在模擬加工過程中有可能會出現(xiàn)坐標漂移的問題。通過不斷優(yōu)化模型，降低了坐標漂移的可能性。

　　4.2 虛擬機床模型運動關(guān)系設(shè)置

　　以機床工作臺主參考體測量，按圖2所示結(jié)構(gòu)樹順序采用相對運動約束關(guān)系，建立機床原點靜止裝配數(shù)據(jù)模型，完善后轉(zhuǎn)化為*.STL文件，數(shù)據(jù)分別聯(lián)接入仿真控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹，形成五軸聯(lián)動機構(gòu)。

　　編制數(shù)控控制指令系統(tǒng)文件（fidia20.ctl文件）與數(shù)控機床構(gòu)造文件（FOREST-LINE.mch文件），模擬FIDIA C20數(shù)控指令系統(tǒng)，翻譯識別檢查FIDIA C20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（線性運動）、C軸部件（旋轉(zhuǎn)運動）和A軸部件（擺動）同步聯(lián)合運動。

　　設(shè)置機床仿真系統(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。

　　4.3 建立機床刀具庫和砂輪庫

　　啟動刀具管理器可以創(chuàng)建所需要的加工刀具。在刀具管理器中主要提供了很多刀具參數(shù)，如刀具類型、刀具直徑、長度、刀柄等。在VERICUT軟件中按所需建立的銑刀類型（包含直齒銑刀、球頭銑刀、錐度銑刀及用戶自定義等），設(shè)置刀具幾何參數(shù)，然后可以單獨保存，并可以提供給不同的虛擬機床調(diào)用。然后再用自畫圖方式，添加機床實際用的刀套Holder。依照此方法，，建立一系列常用的刀具庫。

　　此外，由于VERICUT軟件沒有提供設(shè)置砂輪的模塊。我們可以根據(jù)砂輪的切削原理采用銑刀類刀具模塊創(chuàng)建砂輪，來滿足仿真要求。結(jié)合特種回轉(zhuǎn)面刀具的幾何成型過程中的不同工序要求， 在VERICUT 中可以創(chuàng)建多個砂輪以供不同加工工序調(diào)用。

　　4.4 機床相關(guān)設(shè)置

　?。?）數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置；根據(jù)機床的控制系統(tǒng)功能和指令格式，對準備功能G 代碼、輔助功能M 代碼、寄存器地址和狀態(tài)指令等進行設(shè)置，并保存該文件。（2）設(shè)置干涉檢查；（3）設(shè)置機床行程；（4）設(shè)置機床初始位置；（5）其他設(shè)置，如機床參考點、換刀位置等。

　　4.5 模型定位仿真加工

　　在仿真控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹內(nèi)填加夾具和毛坯聯(lián)接樹結(jié)構(gòu)接口，分別定義空間位置并進行位置裝配約束，進行調(diào)用拼裝組合夾具定位或模鍛件定位加工。

　　其中夾具接結(jié)構(gòu)樹接口可以直接讀取，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。標準組合夾具可以直接調(diào)用拼裝夾具標準件庫，然后在仿真系統(tǒng)內(nèi)組合裝配應(yīng)用。

5、虛擬機床在五軸加工中的應(yīng)用測試

　　圖3所示渦輪增壓器中復(fù)雜曲面葉輪的加工投產(chǎn)前，在五軸聯(lián)動加工的數(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500mm×335mm×245mm，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。葉輪在五軸聯(lián)動加工時，邊界為：X 50.779，Y-123.586，Z-58.258。位置主軸角度為：B-5.894°，C158.287°，工裝定位未超出機床工作行程。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，以驗證工藝過程合理性，避免工件裝夾位置錯誤導(dǎo)致主軸刀具與工件碰撞。

6、結(jié)語

　　通過上述研究實驗的證明，利用虛擬機床技術(shù)，可以提高加工效率，保證數(shù)控編程質(zhì)量，減少數(shù)控技術(shù)人員與操作人員的工作量和勞動強度，提高五軸聯(lián)動加工的數(shù)控編程制造加工一次成功率，縮短產(chǎn)品設(shè)計和加工周期，提高生產(chǎn)效率。