1引言

　　數(shù)控加工仿真技術是現(xiàn)代先進制造技術的研究熱點，五軸聯(lián)動曲面加工由于機床運動軸數(shù)多，刀具軌跡復雜。特別是銑頭式機床在曲面加工時，不僅要考察刀具的運動與干涉，特別需要考察銑頭結(jié)構(gòu)在切削過程中的運動位置，連帶刀具加工時，工藝參數(shù)的設置是否合理，是否與加工零件和所選機床碰撞、是否產(chǎn)生過切或欠切等現(xiàn)象。借助圖形的實體機床加工過程仿真能夠更加接近實際加工環(huán)境，提供了一種集分析、計算于一體的可視化加工仿真系統(tǒng)，制定、優(yōu)化加工工藝流程的輔助手段，取代傳統(tǒng)工藝試切的方法，達到提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短加工周期的目的。

　　借助基于實體機床進行虛擬制造及數(shù)控加工仿真軟件VERICUT，對使用中的銑頭式五軸機床建模，模擬加工。虛擬環(huán)境和實體機床仿真系統(tǒng)能夠真實反映加工過程中刀具運動軌跡、工件過切情況和刀具、夾具運動干涉等錯誤，可以直接代替實際加工過程中試切的工件，提供了對刀位軌跡和加工工藝優(yōu)化處理的功能，可以提高零件的加工效率和機床的利用率，保證數(shù)控程序的正確性和加工過程的安全性。

2 五軸數(shù)控機床原型

　　機床SKl216是一種典型的龍門式雙擺頭五軸銑床，如圖1所示。機床采用工作臺固定、動梁龍門式結(jié)構(gòu)，兩個旋轉(zhuǎn)軸設計在主軸上，通過主軸回轉(zhuǎn)與擺動完成進給工作，用于加工復雜型腔、型面及復雜曲面等大型零部件。機床的主要技術參數(shù)，如表1所示。

 
圖1五軸數(shù)控機床SKl216
 

3機床結(jié)構(gòu)分析

　　根據(jù)SK1216創(chuàng)建五軸機床結(jié)構(gòu)，如圖2所示。機床各工作軸結(jié)構(gòu)特點如下：

 
圖2五軸機床結(jié)構(gòu)

　y軸工作臺依附在機床底座上，x軸滑枕依附在y軸上，而Z軸滑枕依附在x軸上，Z軸滑枕上配置五軸聯(lián)動銑頭，即A、C旋轉(zhuǎn)軸依附在Z軸上。另外，刀具依附在主軸上，主軸依附在Z軸上，夾具和工件依附在固定工作臺。

4 虛擬機床模型構(gòu)建

　4.1 定義機床組件結(jié)構(gòu)樹

　　由前述五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)特點可知，其結(jié)構(gòu)主要由機床基體、前后運動部件y軸、左右運動部件x軸、上下運動部件z軸、主軸回轉(zhuǎn)與擺動部件C軸和A軸以及主軸等部件組成。根據(jù)各部件之間的運動關系和位置關系，構(gòu)建機床組件結(jié)構(gòu)樹，如圖3所示。

 
圖3機床組件結(jié)構(gòu)樹

　　4.2 添加幾何模型

　　機床各部件的幾何模型經(jīng)cAD軟件建立后，轉(zhuǎn)化成.sn格式文件，根據(jù)建立的機床組件結(jié)構(gòu)樹，依次導人VERICUT，與機床組件結(jié)構(gòu)樹中各部件相對應。通過對各部件幾何模型進行移動、旋轉(zhuǎn)、組合、矩陣轉(zhuǎn)換、坐標系設定等，確定模型間的相互位置關系及運動關系，最終完成的機床模型，如圖4所示。

 
圖4機床模型

　　4.3 機床參數(shù)設置

　　機床參數(shù)的設置主要包括機床的初始位置、各坐標軸的行程極限和碰撞檢測設置、數(shù)控系統(tǒng)配置、刀具設置、夾具及毛坯設置、數(shù)控程序設置等。

　　4.3.1 初始位置設置

　　VERICUT中的機床位置表用來描述機床的初始位置和機床換刀時機床怎樣移動。參考SKl2 16機床，設置機床的初始位置在X-700 Y-1000 Z0。選擇“配置”-“機床設定”-“表”對話框，在“位置名”列表框中選擇“初始機床位置”，并在“值”文本框內(nèi)輸入“X-700 Y-1000 Z0”，其他設置為系統(tǒng)默認。

　　4.3.2 行程極限和碰撞檢測設置

　　在仿真過程中，碰撞檢測能夠檢查可能發(fā)生碰撞的部件，通過“配置”一“機床設定”中的“行程極限”和“碰撞檢測”，可以將實際加工效果更好的模擬出來。

　　4.3.3 數(shù)控系統(tǒng)配置

　　VERICUT系統(tǒng)自帶多種控制系統(tǒng)文件，集成了目前制造業(yè)中各類機床的數(shù)控系統(tǒng)，例如HEIDENHAIN、CINCINNATI、FANUC、PHILLIPS和SIEMENS等。控制系統(tǒng)的文件為．cd格式，用戶可以根據(jù)自身需要調(diào)用合適的控制系統(tǒng)文件。在“配置’’_一“控制”一“打開控制文件”選擇hei530．etl作為該機床的數(shù)控系統(tǒng)文件。

　4.3.4 刀具設置

　　打開“刀具管理”對話框，可以定制加工過程中所需的各種刀具，通過制訂刀具類型、長度、直徑、刀具裝夾點以及對刀點等信息，并將這些信息以．ds格式文件存儲在刀具庫中，然后調(diào)用以仿真切削工件。

　　4.3.5 夾具及毛坯設置

　　對于SKl216，夾具和工件依附在固定工作臺上，結(jié)合實際加工位置，夾具和毛坯的幾何模型應該定義在相應的位置，即毛坯的幾何模型須添加在機床組件樹的“Stock”節(jié)點下，并依次設定其位置和角度參數(shù)。而夾具則應添加到“Fixture”節(jié)點下，同樣要設定其位置和角度參數(shù)。

　　4.3.6 數(shù)控程序設置

　　仿真之前，需要通過CAM軟件編制數(shù)控加工程序，然后將編寫的數(shù)控程序輸入VERICUT中。通過項目樹中“配置NC程序”-“數(shù)控程序類型”-“添加NC程序文件”，可以添加nc、APT、cls、cut、mcd等多種格式的數(shù)控程序文件。

5 實例仿真應用

　　通過上述虛擬機床的構(gòu)建及其相關技術參數(shù)的設置，下面通過加工葉輪的實例以測試虛擬機床的仿真效果。葉輪的最大外徑為170mm，有7個葉片，葉片的厚度約為5mm，葉片的出口角約為700，相鄰葉片的最小間距約為30 mm。毛坯選擇直徑為170mm、長度為70mm的代木棒料。根據(jù)整體葉輪的曲面特征，其加工分為毛坯粗加工、葉片精加工和輪轂精加工三個步驟，因此，需要選擇不同刀具與加工工藝。葉輪加工工藝規(guī)劃，如表2所示。

 
 
圖5葉輪加工仿真

　　通過仿真，可以及時發(fā)現(xiàn)刀具與毛坯、刀具與機床等的碰撞和干涉，進而修改數(shù)控程序，重新設置切削參數(shù)，以優(yōu)化刀具路徑。

6 結(jié)論

　　根據(jù)現(xiàn)有五軸數(shù)控機床SKl216建立其虛擬模型，在虛擬加工環(huán)境中進行加工過程的仿真，檢驗加工程序，優(yōu)化刀具路徑，針對不合理的程序可以及時更改，從而避免毛坯試切或刀具碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，為以后復雜零件在此類機床上加工提供一個預先檢測、仿真的虛擬加工環(huán)境，以保證數(shù)控加工程序的正確性。