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隨著零件結(jié)構(gòu)和加工工藝的日益復(fù)雜及數(shù)控機(jī)床加工速度、精度和智能化水平的不斷提高，各類數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為裝備制造業(yè)，特別是航空、航天、軍工等制造業(yè)必不可少的加工設(shè)備，而以提高數(shù)控加工效率和自動(dòng)化水平為目標(biāo)的多軸復(fù)合加工機(jī)床又已經(jīng)成為機(jī)床制造業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。與此同時(shí)，多軸復(fù)合加工機(jī)床的日益普及給零件加工工藝的可行性驗(yàn)證提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的試切法驗(yàn)證加工工藝，不但占用數(shù)控機(jī)床加工時(shí)間，周期長(zhǎng)，成本高，而且通用性差。伴隨加工建模理論和計(jì)算圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬加工已經(jīng)成為數(shù)控加工工藝驗(yàn)證的有力工具，它可以在虛擬機(jī)床上直觀地觀察到零件的加工過(guò)程，從而分析和改進(jìn)加工工藝。

虛擬機(jī)床建模是虛擬加工技術(shù)的關(guān)鍵，它包括以下4個(gè)層次的映射：機(jī)床幾何模型的映射、機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的映射、控制系統(tǒng)模型的映射和切削加工模型的映射。虛擬機(jī)床模型和物理機(jī)床模型的一致性是虛擬加工仿真結(jié)果可靠性的重要保證。

VERICUT是美國(guó)CGTECH公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)的虛擬數(shù)控加工軟件。與一般CAM軟件只進(jìn)行零件刀具軌跡或中間文件的模擬不同，VERICUT不僅可以進(jìn)行數(shù)控加工終端代碼程序（G代碼）的模擬，而且可實(shí)現(xiàn)包括物理機(jī)床、夾具、刀具、毛坯等完整加工環(huán)境的虛擬可視化。

針對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜、加工準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、干涉碰撞易發(fā)生的特點(diǎn)，本課題在研究機(jī)床結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，基于VERICUT構(gòu)建了某車銑復(fù)合加工中心虛擬加工環(huán)境，重點(diǎn)研究了虛擬機(jī)床的建模方法，包括幾何模型、運(yùn)動(dòng)模型和控制系統(tǒng)模型的定制，特別是專用數(shù)控指令的定制方法，實(shí)現(xiàn)了零件數(shù)控加工前的仿真校驗(yàn)。

基于VERICUT的虛擬加工仿真框架

某型車銑復(fù)合加工中心是雙主軸、雙刀架、帶自動(dòng)換刀系統(tǒng)的九軸五聯(lián)動(dòng)多功能復(fù)合加工機(jī)床，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)床具有雙通道控制，具備雙主軸高速同步對(duì)接、上下刀塔獨(dú)立進(jìn)行車銑加工、四軸聯(lián)動(dòng)車削、五軸聯(lián)動(dòng)銑削等眾多加工優(yōu)勢(shì)，其主要運(yùn)動(dòng)軸有X1、Y、Z1、B、C1、C2、Z2、X2、W。由于該車銑復(fù)合加工中心功能多、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要一個(gè)虛擬加工環(huán)境以有助于該機(jī)床的設(shè)計(jì)、加工培訓(xùn)和加工工藝驗(yàn)證等。

基于以上需求本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VERICUT的車銑復(fù)合加工中心虛擬加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要工作流程如圖2所示，通過(guò)建立機(jī)床的幾何模型、運(yùn)動(dòng)模型和控制系統(tǒng)模型構(gòu)建機(jī)床的虛擬加工環(huán)境，同時(shí)建立刀具、夾具庫(kù)模型；利用PROE等CAD軟件構(gòu)建毛坯模型和設(shè)計(jì)模型，并轉(zhuǎn)換為STL格式，導(dǎo)入虛擬加工環(huán)境中；利用MasterCAM等CAM軟件生成零件數(shù)控加工G代碼。在虛擬加工仿真階段，以數(shù)控代碼驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床進(jìn)行仿真加工，以自動(dòng)檢測(cè)加工過(guò)程中是否存在碰撞、過(guò)切、欠切、機(jī)床超程等問(wèn)題，從而指導(dǎo)操作人員優(yōu)化數(shù)控代碼，滿足加工要求。

與普通虛擬數(shù)控機(jī)床建模不同，車銑復(fù)合加工中心虛擬數(shù)控控制系統(tǒng)建模不僅包含通用控制系統(tǒng)的定制，還需要通過(guò)宏指令定義一些專用的控制指令，以實(shí)現(xiàn)虛擬控制指令與實(shí)際控制系統(tǒng)中該指令運(yùn)動(dòng)功能上的一致性，滿足該機(jī)床的加工仿真需求。

車銑復(fù)合加工中心虛擬模型構(gòu)建

本課題對(duì)虛擬加工環(huán)境建模的過(guò)程和技術(shù)路線如下：在對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)鏈分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊劃分和CAD模型簡(jiǎn)化，構(gòu)建機(jī)床三維幾何模型和機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；對(duì)現(xiàn)有虛擬控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)宏命令定義特殊數(shù)控編碼，保證虛擬控制系統(tǒng)與實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)功能一致性，完成虛擬控制系統(tǒng)的定制。

1 機(jī)床幾何模型的構(gòu)建

虛擬機(jī)床模型和物理機(jī)床模型的一致性是虛擬加工仿真結(jié)果可靠性的重要保證。VERICUT中的幾何模型主要用于虛擬機(jī)床的可視化和碰撞檢測(cè)，精度越高，結(jié)構(gòu)特征越接近真實(shí)物理模型，機(jī)床渲染和碰撞檢測(cè)的精度也越高；與此同時(shí)，機(jī)床渲染和碰撞檢測(cè)所占用的計(jì)算資源也會(huì)增多，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行速度的降低。因此在構(gòu)建機(jī)床幾何模型時(shí)要綜合考慮精度和計(jì)算效率2方面的影響，在保證精度的前提下需要盡可能簡(jiǎn)化模型特征，提高虛擬機(jī)床仿真的運(yùn)行效率。

在研究VERICUT軟件特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本課題獲得5條可供參考的機(jī)床三維CAD模型簡(jiǎn)化原則。

（1）對(duì)機(jī)床進(jìn)行功能模塊和運(yùn)動(dòng)模塊劃分，并進(jìn)行零部件抽取。

（2）以VERICUT環(huán)境下機(jī)床運(yùn)動(dòng)、防護(hù)狀態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行無(wú)關(guān)零件的刪除。

（3）根據(jù)機(jī)床防護(hù)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行零部件間布爾運(yùn)算以減少模型數(shù)量。

（4）對(duì)布爾運(yùn)算后的零部件進(jìn)行以減少結(jié)構(gòu)特征為目的模型簡(jiǎn)化。

（5）將簡(jiǎn)化后的零部件按VERICUT環(huán)境下的構(gòu)建需求進(jìn)行拆分和重組。

針對(duì)機(jī)床生產(chǎn)廠家構(gòu)建的車銑復(fù)合加工中心三維CAD模型，本課題按上述原則將由數(shù)千個(gè)零件組成的機(jī)床模型簡(jiǎn)化為支撐、排屑、運(yùn)動(dòng)、防護(hù)、刀具存儲(chǔ)和換刀六大模塊，58個(gè)模型。簡(jiǎn)化后的機(jī)床模型為STL數(shù)據(jù)格式，總數(shù)據(jù)量小于2M，可以滿足精度和運(yùn)行速度的要求。

2 機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的構(gòu)建

VERICUT環(huán)境下，機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的構(gòu)建主要包括創(chuàng)建機(jī)床結(jié)構(gòu)組件樹(shù)和設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)2部分。創(chuàng)建機(jī)床結(jié)構(gòu)組件樹(shù)主要是在對(duì)機(jī)床各部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)父子關(guān)系樹(shù)狀圖，并將機(jī)床各部分幾何模型導(dǎo)入相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部件下。設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要包括機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的行程設(shè)置以及機(jī)床各初始狀態(tài)設(shè)置、機(jī)床各部件的碰撞檢查設(shè)置等。

通過(guò)對(duì)該車銑復(fù)合加工中心機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈的分析和機(jī)床參數(shù)的研究獲得如圖3所示該機(jī)床的主要傳動(dòng)鏈。根據(jù)該運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈模型，在VERICUT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組件樹(shù)（ComponentTree）窗口中建立了機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型，同時(shí)配置傳動(dòng)鏈上零件的位置和相關(guān)尺寸，從而建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

3 機(jī)床控制系統(tǒng)建模

控制系統(tǒng)是虛擬數(shù)控機(jī)床的核心，負(fù)責(zé)將數(shù)控編碼轉(zhuǎn)化為各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)加工仿真運(yùn)行，它是虛擬加工過(guò)程和實(shí)際加工過(guò)程一致的關(guān)鍵。虛擬數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)建模就是在VERICUT軟件中建立數(shù)控編碼翻譯模塊。

VERICUT軟件提供了通用的數(shù)控編碼翻譯模塊，可以滿足簡(jiǎn)單通用結(jié)構(gòu)機(jī)床的使用需要，但對(duì)于像車銑復(fù)合加工中心等復(fù)雜數(shù)控機(jī)床，需要進(jìn)行機(jī)床特殊指令的開(kāi)發(fā)定制，以完善數(shù)控編碼翻譯模塊。

該車銑復(fù)合加工中心使用的控制系統(tǒng)為SIEMENS840D，本課題選擇VERICUT中該控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)控編碼翻譯模塊sin840d.ctl作為虛擬機(jī)床控制器模塊，并對(duì)其進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，定義了相關(guān)特殊指令，實(shí)現(xiàn)了虛擬控制系統(tǒng)與實(shí)際控制系統(tǒng)功能上的一致性。特殊指令定義流程如圖4所示，包括指令學(xué)習(xí)、格式定義、指令名稱添加和指令功能定義4步。下面以G75指令的配置流程對(duì)特殊指令的定義流程進(jìn)行說(shuō)明。

（1）指令學(xué)習(xí)：指令學(xué)習(xí)即獲取指令的功能、格式和使用方法，了解指令中各參數(shù)的含義。根據(jù)SIEMENS840D數(shù)控編程手冊(cè)，G75指令功能為返回某一固定點(diǎn)，其功能為在任何狀態(tài)下機(jī)床直接運(yùn)動(dòng)到指定坐標(biāo)位置，該坐標(biāo)位置預(yù)存儲(chǔ)在機(jī)床參數(shù)面板中，在執(zhí)行時(shí)需要首先取消運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，指令格式為“G75FP=m X1=a Y1=b Z1=c”。

（2）字符格式定義：任何數(shù)控編碼（指令、變量及字符）都必須首先進(jìn)行文字格式的預(yù)定義，才能被虛擬數(shù)控系統(tǒng)識(shí)別和解釋。定義內(nèi)容包括指令或變量的文字名稱、類型、次級(jí)類型、公制/英制及對(duì)應(yīng)格式等。如圖5右上部分(b)所示，本指令進(jìn)行了字符“FP=”的格式定義。

（3）字符指令添加：作為目標(biāo)數(shù)控編碼的名稱，經(jīng)預(yù)定義完成的字符或變量可以按其功能添加到文字/地址欄內(nèi)相應(yīng)的所屬類別組中，也可建立獨(dú)立類別組進(jìn)行添加，VERICUT已有的類別組包括M代碼、變量、循環(huán)、特殊、CGTECH等。本例需在“配置——文字/地址”窗口下G-Prep欄增加G75指令。

（4）數(shù)控編碼的功能定義：添加完成后的指令需要進(jìn)行數(shù)控編碼功能的定義以滿足其加工仿真的需求。VERICUT提供了2種指令功能的實(shí)現(xiàn)格式：一是從VERICUT提供的宏指令庫(kù)中的選取相應(yīng)功能的宏在指令名稱下方進(jìn)行邏輯添加，并對(duì)宏進(jìn)行數(shù)值輸入和邏輯命令的選取，完成數(shù)控編碼的功能定義；二是編制子程序，通過(guò)具備調(diào)用功能的宏指令進(jìn)行子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)數(shù)控編碼的功能定義。根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)及指令功能，按第一種方式進(jìn)行G75的功能配置（詳見(jiàn)圖5）：采用RotaryControlPointOnOff宏指令實(shí)現(xiàn)RTCP和RPCP運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的取消；采用ReferencePointIndex宏指令實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸回機(jī)床固定點(diǎn)的動(dòng)作，同時(shí)進(jìn)行固定點(diǎn)標(biāo)記和指令執(zhí)行順序勾選；采用ProcessMotion宏指令執(zhí)行處理上述軸的運(yùn)動(dòng)指令；進(jìn)行“FP=”字符的與非設(shè)置，實(shí)現(xiàn)“EP”字符與不同固定點(diǎn)的匹配，見(jiàn)圖5的(a)部分；進(jìn)行功能的輔助設(shè)置，包括：“X1=1、Y1=1、Z1=1”的輸入輸出代替功能設(shè)置，見(jiàn)圖5（c）部分；設(shè)置X、Y、Z線性軸在G75指令下的運(yùn)動(dòng)模式，見(jiàn)圖5（e）部分；固定點(diǎn)預(yù)存儲(chǔ)，見(jiàn)圖5（d）部分。

按上述方法，完成了本系統(tǒng)其他指令的配置：下刀架換刀指令Tb()；上刀架換刀指令及動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)指令T/M6；第一、二主軸車削旋轉(zhuǎn)指令（S1=、S2=、M1=3/4/5、M2=3/4/5）；上、下刀架銑削指令轉(zhuǎn)速指令（S3=、S4=、M3=3/4/5、M4=3/4/5）；第一第二車削主軸上夾具的夾持卸載指令（M10、M11、M12、M13）；三五坐標(biāo)轉(zhuǎn)換指令TRAORI；機(jī)床防護(hù)門的開(kāi)關(guān)指令（OPENDOOR、CLOSEDOOR）；多通道設(shè)置以及各通道車銑切換指令(M70/M71、M2=70/M2=71)等。

虛擬加工仿真的配置過(guò)程

在構(gòu)建完成的虛擬數(shù)控機(jī)床模型上模擬零件加工仿真之前，需根據(jù)待加工零件的加工要求，按照?qǐng)D6所示的流程設(shè)置虛擬加工環(huán)境。首先確定加工該零件所使用的夾具以及零件毛料模型和設(shè)計(jì)模型，將建立的零件CAD模型轉(zhuǎn)換為STL格式的面片模型加載到虛擬加工系統(tǒng)中；導(dǎo)入利用相關(guān)CAM軟件生成的零件數(shù)控加工G代碼；添加機(jī)床加工零件使用的刀具，構(gòu)建刀具庫(kù)；設(shè)置數(shù)控加工程序零點(diǎn)；并進(jìn)行加工仿真前的輔助設(shè)置（相關(guān)工位轉(zhuǎn)換設(shè)置、最大切深限制、轉(zhuǎn)速控制、開(kāi)啟碰撞檢測(cè)等），以便實(shí)現(xiàn)零件過(guò)切/欠切檢查、干涉碰撞檢測(cè)以及程序優(yōu)化等要求。

為了使用戶能夠根據(jù)待加工零件快速組建目標(biāo)刀具庫(kù)，本課題在對(duì)刀具設(shè)計(jì)參數(shù)和加工需求參數(shù)大量分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合VERICUT中刀具的構(gòu)建模式，對(duì)刀具的特征參數(shù)進(jìn)行了歸納提取，針對(duì)常用刀具和刀柄構(gòu)建了全新的參數(shù)化索引式刀具模板庫(kù)。

在該參數(shù)化索引式刀具模板庫(kù)中，將車銑復(fù)合加工機(jī)床常用刀具進(jìn)行了分類，然后將各類刀具的參數(shù)進(jìn)行選擇提取和類別細(xì)化，針對(duì)每一細(xì)化類別的刀具進(jìn)行基本參數(shù)的刀柄和刀體構(gòu)建。然后按一定的規(guī)則進(jìn)行刀具系統(tǒng)的命名，并在刀具描述欄進(jìn)行漢字描述說(shuō)明，以達(dá)到快速索引的目的。

針對(duì)車銑復(fù)合加工中心使用的刀具種類，在虛擬機(jī)床仿真環(huán)境中初步構(gòu)建了以機(jī)床常用規(guī)格刀具為基礎(chǔ)的參數(shù)化索引式刀具模板庫(kù)。刀具的命名格式為“符號(hào)1-符號(hào)2-參數(shù)1-符號(hào)3”各符號(hào)和參數(shù)的含義見(jiàn)表1所示。

以參數(shù)化索引式刀具模板庫(kù)中的名為M-BU-65-C01的刀具為例，它表示刀具懸伸長(zhǎng)度為65的底角銑刀，刀柄為SDVKcaptoC6刀柄。上述參數(shù)化索引式刀具模板庫(kù)具有構(gòu)建速度快、開(kāi)放性好、檢索方便的特點(diǎn)。

目前物理車銑復(fù)合加工中心標(biāo)準(zhǔn)夾具配置為HFKN-M-260型中空動(dòng)力三爪卡盤，本系統(tǒng)在虛擬機(jī)床仿真環(huán)境中構(gòu)建了機(jī)床虛擬夾具模型，并相應(yīng)配置了控制系統(tǒng)中2主軸虛擬夾具的夾持和卸載指令M10、M11、M12、M13。 

虛擬加工系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證

完成上述虛擬加工環(huán)境的研究構(gòu)建后，選用針對(duì)某飛機(jī)不規(guī)則軸類零件編制的程序?qū)λ⒌奶摂M加工仿真系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，并獲得了良好的效果。

圖7所示為零件加工過(guò)程中某工序的過(guò)/欠切檢查，系統(tǒng)能夠在虛擬加工仿真日志里面給出過(guò)切/欠切的代碼段，以供工藝人員修改數(shù)控加工程序。

結(jié)束語(yǔ)