一、前言

　　隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的深入，仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè) 的評估工藝計(jì)劃和設(shè)備，以及新產(chǎn)品 設(shè)計(jì)。虛擬數(shù)控機(jī)床(Virtual Machine Tool，VMT)是虛擬制造的執(zhí)行單元，是 虛擬制造的一個底層關(guān)鍵技術(shù)和前提條 件。它的最終目的是為虛擬制造建立一 個真實(shí)的加工環(huán)境，在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí) 現(xiàn)加工過程的仿真，以增強(qiáng)制造過程的各級決策與控制能力，優(yōu)化制造過程。 通過虛擬機(jī)床不僅可以全面、逼真地反 映現(xiàn)實(shí)的加工環(huán)境和加工過程，還能 對加工中出現(xiàn)的碰撞、干涉提供報(bào)警信 息，對產(chǎn)品的可加工性、工藝規(guī)程的合 理性和加工精度進(jìn)行評估、預(yù)測，達(dá)到節(jié)省資源、避免風(fēng)險(xiǎn)的目的。

　　如何結(jié)合高端軟件建立虛擬機(jī)床， 并通過仿真加工過程檢驗(yàn)數(shù)控加工程序 的正確性具有十分重要的作用。本文基 于N X軟件構(gòu)建了五軸聯(lián)動數(shù)控銑床的虛 擬模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程的虛擬制造。

　　二、NX4.0的功能

　　NX(以前稱UG)是當(dāng)前先進(jìn)和精密集成的、面向制造業(yè)CAID/CAD/CAM/CAE的中高端軟件。N X集成化加工切削 驗(yàn)證與機(jī)床運(yùn)動仿真(IS&V)提供了 一套完全集成的刀具路徑驗(yàn)證和仿真 解決方案，這套方案工作在相同的制 造環(huán)境中，共享相同的核心數(shù)據(jù)。允許用戶在部件制造流程的早期驗(yàn)證刀具路徑信息，以提高對最終生成NC程序的信心。

　　真正的仿真和干涉檢查應(yīng)當(dāng)包含 機(jī)床、機(jī)床控制器、刀具以及加工工件 在內(nèi)的大規(guī)模綜合仿真和檢驗(yàn)，N X系統(tǒng) 提供的機(jī)床構(gòu)造器(MTB)功能恰恰符合了這樣的要求。利用N X的集成化和功 能強(qiáng)大的建模、運(yùn)動分析和加工功能，實(shí)現(xiàn)虛擬加工系統(tǒng)的運(yùn)動仿真，并可動 態(tài)模擬毛坯金屬材料的去除過程。

　　三、虛擬機(jī)床建模

　　建立虛擬機(jī)床要依據(jù)以下三個步驟：1)通過測量真實(shí)部件的尺寸來獲得 它們相對應(yīng)的尺寸;2)根據(jù)尺寸對數(shù)控 機(jī)床進(jìn)行幾何建模;3)根據(jù)所建立的幾 何模型在系統(tǒng)中建立運(yùn)動學(xué)模型。

　　1.建立機(jī)床部件3D模型

　　D M U 70V是德國德馬吉(D M G)公 司生產(chǎn)的萬能五軸鏜銑加工中心，其 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)/擺動工作臺采用45°斜面實(shí)現(xiàn)工作臺立臥轉(zhuǎn)換，達(dá)到 五軸五面加工。因數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)十分 復(fù)雜，首先對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)簡化， 在不損失仿真精度的前提下，建立數(shù)控 機(jī)床的抽象結(jié)構(gòu)模型。在NX CAD環(huán)境下 將D M U 70V機(jī)床根據(jù)其結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特點(diǎn) 將其模塊化，分別建立機(jī)床底座、床 身、回轉(zhuǎn)臺、斜轉(zhuǎn)臺及各導(dǎo)軌等。將建 立好的機(jī)床模塊根據(jù)機(jī)床運(yùn)動的原理， 用N X的裝配建模功能，在主模型下依據(jù) 機(jī)床處于非工作狀態(tài)下的位置進(jìn)行裝配(見圖1)，即根據(jù)主模型的概念讓各 個模塊之間既有相關(guān)性又以參數(shù)化驅(qū)動，以便修改任意關(guān)鍵參數(shù)時可以保證全局的關(guān)系不變。

圖1 DMU 70V機(jī)床結(jié)構(gòu)模型

　　2.創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動模型

　　進(jìn)入機(jī)床構(gòu)造器MTB(Machine Tool B u i l d e r)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)模型的定義，并 在機(jī)床導(dǎo)航器中重新命名，新添機(jī)床 名“D M U_70_V”(雙擊“M T B”最上行“N O N A M E”命名)。運(yùn)動模型是用來 描述機(jī)床運(yùn)動的，定義了運(yùn)動模型后機(jī) 床各組件的運(yùn)動方式才能得以確定。

　　(1)定義機(jī)床基礎(chǔ)部件

　　機(jī)床基礎(chǔ)部件(機(jī)座組件)是創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動關(guān)系的基礎(chǔ)，是機(jī)床導(dǎo)航器中機(jī)床關(guān)系樹的根，一般先定義機(jī)床床身。創(chuàng)建步驟如圖2所示，順序?yàn)椋?/P>

　　“M T B”→“D M U_70_V”→“M B3”

　　(右鍵)→“I n s e r t”→“M a c h i n eBase Component”，在彈出的“CreateK-Component”對話框中選取“Add”→ 選取機(jī)床床身部件→“OK”。

　　(2)定義機(jī)床運(yùn)動組件并分類

　　其他部件創(chuàng)建運(yùn)動組件的方法也同圖2步驟，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動和裝配關(guān)系在上級部件下插入所要添加的“k-組 件”定義，“k-組件”的父、子關(guān)系 決定了它們的依存關(guān)系。當(dāng)定義PART、BLANK和FIXTURE等設(shè)備組件時只需先定義名稱并分類，不必指定幾何對象。

　　分類的目的是為了在進(jìn)行碰撞干涉檢查時，可以按照類進(jìn)行檢查。通常需對毛坯、工件、夾具進(jìn)行分類。如對加工件進(jìn)行分類時，只要在彈出 如圖2所示的運(yùn)動組件定義對話框中點(diǎn)擊“C l a s s i f y”選擇匹配類型(P A R T/ SETUP_ELEMENT)即可。定義完所有運(yùn)動組件并進(jìn)行分類后就創(chuàng)建了如圖3所示的組建樹。

　　(3)創(chuàng)建連接坐標(biāo)系并分類

　　為便于描述機(jī)床各運(yùn)動副之間的 相對運(yùn)動關(guān)系，分別在機(jī)床原點(diǎn)、工件 和刀具上建立同向平行的坐標(biāo)體系，且 使機(jī)床處于初始狀態(tài)時，工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向均與機(jī)床坐標(biāo)系一致。 首先必須在機(jī)床基礎(chǔ)件上定義機(jī)床坐標(biāo)系及機(jī)床原點(diǎn)，用于指定機(jī)床各組 件的運(yùn)動方向，因此機(jī)床坐標(biāo)系軸方向 的確定很重要，但原點(diǎn)的位置可以定義 在機(jī)床任意點(diǎn)。創(chuàng)建一個名為“MACHINE_ ZERO”、分類為“Machine Zero”的連接 坐標(biāo)系。操作步驟如圖4所示。

　　在機(jī)床工作臺上按照如圖5所示的 順序創(chuàng)建一個名為“PART_MOUNT_JCT” 的連接，用于在模擬仿真時，安裝加工 工件，將零件安裝坐標(biāo)系定位在當(dāng)前工作坐標(biāo)系位置(工作臺中心)。P A R T_ M O U N T_J C T實(shí)際上是定義工件在機(jī)床上 安放時的參考點(diǎn)，即裝卡原點(diǎn)。裝卡原 點(diǎn)常見于帶回轉(zhuǎn)(或擺動)工作臺的數(shù)控機(jī)床或加工中心，一般是機(jī)床工作臺 上的一個固定點(diǎn)，比如回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn) 中心，在零位時其與機(jī)床原點(diǎn)的偏移量 為定值，供CNC系統(tǒng)原點(diǎn)偏移計(jì)算用。

　　同樣的方式在刀具主軸端面創(chuàng)建 一名為“T O O L_M O U N T_J C T”的連接， 用于模擬仿真時的安裝刀具。應(yīng)注意坐 標(biāo)系方向，X 軸為刀具安裝軸。

　　按照如圖6所示的順序，同上方法創(chuàng)建工作臺相對于機(jī)床床身圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的 連接坐標(biāo)系“ROT_C”，和圍繞45°斜面 法線旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系“ROT_B”。

　　(4)創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動軸

　　該功能的作用是定義機(jī)床組 件的運(yùn)動形式，定義 X 、 Y 、 Z 、 B 和C軸的行程范圍及連接關(guān)系， 如 定 義 X 軸 ， 在 X 軸 上 點(diǎn) 擊 “ 左 鍵”→“MB3”→“Edit”→“Axis”→ 選擇如圖7所示的參數(shù)。

圖7 定義機(jī)床運(yùn)動軸

　　3.機(jī)床入庫

　　建立好運(yùn)動模型后，M T B導(dǎo)航器 窗口結(jié)構(gòu)如圖8所示，用機(jī)床模型文件 路徑將設(shè)置好的機(jī)床加入到機(jī)床庫以 便被調(diào)，通常按以下：MACH esourcelibrarymachinegraphicsDMU_70_V。

圖8 DMU 70V機(jī)床構(gòu)造導(dǎo)航窗口

　　4.修改機(jī)床庫文件

　　在 MAC H res ou rc e l i b rar y machineasciimachine_database.dat下 添加新機(jī)床入口“D A T A|d m u_70_v|1|5_ Ax Mill(MM)|None|Ex:|${NXII_CAM_POST_DIR}dmu_70_v.dat|1.000000”，使機(jī)床庫文件指向d m u_70_v.d a t文件，以便 在該“.dat”文件中，定義即將用的機(jī) 床后處理器。執(zhí)行完以上操作步驟將 生成一個完整的虛擬機(jī)床，當(dāng)需要時 就可以從機(jī)床庫里調(diào)出并實(shí)現(xiàn)該機(jī)床 仿真運(yùn)動和生成加工NC程序。

　　四、虛擬機(jī)床仿真加工與 驗(yàn)證

　　將建立好的虛擬機(jī)床添加到虛擬仿真機(jī)床庫之后，就可以通過后置處理 實(shí)現(xiàn)加工過程仿真以驗(yàn)證。

　　1)首先在加工環(huán)境下打開要驗(yàn)證 的已生成刀具路徑的加工件，使導(dǎo)航器 切換到刀具導(dǎo)航器，然后通過以下步驟載入建立好的虛擬機(jī)床運(yùn)動模型： 雙擊“Generic_machine”→“Replace m a c h i n e”→“M i l l”→“d m u_70_v ” → “ C r e a t e P a r t M o u n t J u n c t i o n”→“U s e P a r t M o u n t Junction”→“OK”。

　　2)定義加工件及夾具，打開機(jī)床 構(gòu)造導(dǎo)航器，與前面的添加組建同樣 方式在載入的虛擬機(jī)床上定義機(jī)床加工 件、毛坯及夾具等。

　　3)定義加工刀具，在M T B環(huán)境中對 加工所需的刀具裝配模型(刀具和刀柄 等)進(jìn)行運(yùn)動模型定義，方法與機(jī)床運(yùn)動模型的定義類似。如果不提供刀具運(yùn) 動模型，系統(tǒng)可以根據(jù)加工模型中的刀 具參數(shù)自動創(chuàng)建一個加工刀具，因此這 一步不是必須要有的。

　　4)定義機(jī)床驅(qū)動器(The Machine Tool Drive)，為了模擬真實(shí)的機(jī)床NC 控制器行為，需要定義虛擬N C控制器控 制虛擬機(jī)床，在Post Builder中為機(jī)床 創(chuàng)建POST處理器時，可以自動生成機(jī)床 驅(qū)動文件。

　　5)進(jìn)行I S V仿真(載入刀具運(yùn)動模 型與I S V的設(shè)置和實(shí)現(xiàn))。最后只要在 刀具導(dǎo)航器或幾何體導(dǎo)航器選擇具體 操作點(diǎn)右鍵激活仿真(simulate)，即 可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)程序的仿真加工。

　　NX的用戶還可以在仿真運(yùn)行的同時 以圖形化方式操縱顯示屏，從而使得用戶能從他們所希望的不同視角可視化地驗(yàn)證制造信息。所有機(jī)械加工操作的真 實(shí)再現(xiàn)，包括實(shí)時顯示每項(xiàng)操作的除料 過程。圖9和圖10為在虛擬機(jī)床DMU 70V 上實(shí)現(xiàn)加工驗(yàn)證實(shí)例圖。

　　五、結(jié)論

　　本文利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)動精度的優(yōu)化仿真模 型，同時利用現(xiàn)代測量技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)手段掌握數(shù)控機(jī)床在加工狀態(tài)下的 動態(tài)性能和運(yùn)行規(guī)律，驗(yàn)證數(shù)控機(jī)床 仿真模型的正確性，從而為數(shù)控機(jī)床 虛擬建模提供技術(shù)支持，使數(shù)控系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)化以及實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控成 為可能。通過構(gòu)建的DMU 70V五軸聯(lián)動 數(shù)控銑床虛擬模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程 的虛擬制造，比一些C A D/C A M單純的刀 位文件仿真更真實(shí)、直觀、更接近實(shí) 際加工情況，仿真后的N C程序不用試 切，可直接輸入機(jī)床進(jìn)行加工，極大 地提高數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。