1引言

　　數(shù)控加工仿真技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)，五軸聯(lián)動(dòng)曲面加工由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸數(shù)多，刀具軌跡復(fù)雜。特別是銑頭式機(jī)床在曲面加工時(shí)，不僅要考察刀具的運(yùn)動(dòng)與干涉，特別需要考察銑頭結(jié)構(gòu)在切削過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)位置，連帶刀具加工時(shí)，工藝參數(shù)的設(shè)置是否合理，是否與加工零件和所選機(jī)床碰撞、是否產(chǎn)生過(guò)切或欠切等現(xiàn)象。借助圖形的實(shí)體機(jī)床加工過(guò)程仿真能夠更加接近實(shí)際加工環(huán)境，提供了一種集分析、計(jì)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(dá)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(shí)體機(jī)床進(jìn)行虛擬制造及數(shù)控加工仿真軟件VERICUT，對(duì)使用中的銑頭式五軸機(jī)床建模，模擬加工。虛擬環(huán)境和實(shí)體機(jī)床仿真系統(tǒng)能夠真實(shí)反映加工過(guò)程中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡、工件過(guò)切情況和刀具、夾具運(yùn)動(dòng)干涉等錯(cuò)誤，可以直接代替實(shí)際加工過(guò)程中試切的工件，提供了對(duì)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(jī)床的利用率，保證數(shù)控程序的正確性和加工過(guò)程的安全性。

2 五軸數(shù)控機(jī)床原型

　　機(jī)床SKl216是一種典型的龍門式雙擺頭五軸銑床，如圖1所示。機(jī)床采用工作臺(tái)固定、動(dòng)梁龍門式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)在主軸上，通過(guò)主軸回轉(zhuǎn)與擺動(dòng)完成進(jìn)給工作，用于加工復(fù)雜型腔、型面及復(fù)雜曲面等大型零部件。機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

 
圖1五軸數(shù)控機(jī)床SKl216
 

3機(jī)床結(jié)構(gòu)分析

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

 
圖2五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)

　y軸工作臺(tái)依附在機(jī)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(dòng)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(tái)。

4 虛擬機(jī)床模型構(gòu)建

　4.1 定義機(jī)床組件結(jié)構(gòu)樹(shù)

　　由前述五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其結(jié)構(gòu)主要由機(jī)床基體、前后運(yùn)動(dòng)部件y軸、左右運(yùn)動(dòng)部件x軸、上下運(yùn)動(dòng)部件z軸、主軸回轉(zhuǎn)與擺動(dòng)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(yùn)動(dòng)關(guān)系和位置關(guān)系，構(gòu)建機(jī)床組件結(jié)構(gòu)樹(shù)，如圖3所示。

 
圖3機(jī)床組件結(jié)構(gòu)樹(shù)

　　4.2 添加幾何模型

　　機(jī)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(jī)床組件結(jié)構(gòu)樹(shù)，依次導(dǎo)人VERICUT，與機(jī)床組件結(jié)構(gòu)樹(shù)中各部件相對(duì)應(yīng)。通過(guò)對(duì)各部件幾何模型進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、組合、矩陣轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系設(shè)定等，確定模型間的相互位置關(guān)系及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，最終完成的機(jī)床模型，如圖4所示。

 
圖4機(jī)床模型

　　4.3 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

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

　　4.3.1 初始位置設(shè)置

　　VERICUT中的機(jī)床位置表用來(lái)描述機(jī)床的初始位置和機(jī)床換刀時(shí)機(jī)床怎樣移動(dòng)。參考SKl2 16機(jī)床，設(shè)置機(jī)床的初始位置在X-700 Y-1000 Z0。選擇“配置”-“機(jī)床設(shè)定”-“表”對(duì)話框，在“位置名”列表框中選擇“初始機(jī)床位置”，并在“值”文本框內(nèi)輸入“X-700 Y-1000 Z0”，其他設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)。

　　4.3.2 行程極限和碰撞檢測(cè)設(shè)置

　　在仿真過(guò)程中，碰撞檢測(cè)能夠檢查可能發(fā)生碰撞的部件，通過(guò)“配置”一“機(jī)床設(shè)定”中的“行程極限”和“碰撞檢測(cè)”，可以將實(shí)際加工效果更好的模擬出來(lái)。

　　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(jī)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(kāi)控制文件”選擇hei530．etl作為該機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)文件。

　4.3.4 刀具設(shè)置

　　打開(kāi)“刀具管理”對(duì)話框，可以定制加工過(guò)程中所需的各種刀具，通過(guò)制訂刀具類型、長(zhǎng)度、直徑、刀具裝夾點(diǎn)以及對(duì)刀點(diǎn)等信息，并將這些信息以．ds格式文件存儲(chǔ)在刀具庫(kù)中，然后調(diào)用以仿真切削工件。

　　4.3.5 夾具及毛坯設(shè)置

　　對(duì)于SKl216，夾具和工件依附在固定工作臺(tái)上，結(jié)合實(shí)際加工位置，夾具和毛坯的幾何模型應(yīng)該定義在相應(yīng)的位置，即毛坯的幾何模型須添加在機(jī)床組件樹(shù)的“Stock”節(jié)點(diǎn)下，并依次設(shè)定其位置和角度參數(shù)。而夾具則應(yīng)添加到“Fixture”節(jié)點(diǎn)下，同樣要設(shè)定其位置和角度參數(shù)。

　　4.3.6 數(shù)控程序設(shè)置

　　仿真之前，需要通過(guò)CAM軟件編制數(shù)控加工程序，然后將編寫(xiě)的數(shù)控程序輸入VERICUT中。通過(guò)項(xiàng)目樹(shù)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(shí)例仿真應(yīng)用

　　通過(guò)上述虛擬機(jī)床的構(gòu)建及其相關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)置，下面通過(guò)加工葉輪的實(shí)例以測(cè)試虛擬機(jī)床的仿真效果。葉輪的最大外徑為170mm，有7個(gè)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(zhǎng)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(gè)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(guò)仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具與毛坯、刀具與機(jī)床等的碰撞和干涉，進(jìn)而修改數(shù)控程序，重新設(shè)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(jī)床SKl216建立其虛擬模型，在虛擬加工環(huán)境中進(jìn)行加工過(guò)程的仿真，檢驗(yàn)加工程序，優(yōu)化刀具路徑，針對(duì)不合理的程序可以及時(shí)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(fù)雜零件在此類機(jī)床上加工提供一個(gè)預(yù)先檢測(cè)、仿真的虛擬加工環(huán)境，以保證數(shù)控加工程序的正確性。