1、引言　　隨著科學技術的迅速發(fā)展，國民經濟各部門所需求的多品種、多功能、高精度、高品質、高度自動化的技術裝備的開發(fā)和制造，促進了先進制造技術的發(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)電機轉子、汽輪機轉子、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)動數控機床系統(tǒng)價格十分昂貴，加之在數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”化應用，已經成為機床制造業(yè)的一個熱點問題。本文從虛擬機床技術開發(fā)，探討其在五軸加工的應用，實現仿真加工，優(yōu)化數控程序，從而提升加工質量、提高加工效率、降低加工成本。

2、虛擬機床應用的優(yōu)勢

　　數控加工最終的好壞取決于以下5個因數中的短板：數控機床、控制器、刀具、數控編程和CAM軟件。虛擬機床的應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。虛擬機床技術采用內置CNC控制器驅動的加工模擬仿真是真實可靠的，可以把加工中的各種風險（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)境一樣的虛擬實訓環(huán)境。應用虛擬機床，可以實現學生的大量仿真與真實機床沒有區(qū)別。這對于目前企業(yè)緊缺的中高端數控人才，是一個很好的培訓解決方案，使復雜機床的編程及加工操作培訓費用降低50%，從且可以大大地降低培訓成本。

　　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)動數控機床這樣的高端機床，由于數量少和技術要求高，導致普遍使用率偏低。虛擬機床技術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，數控編程人員能夠快速地完成模型準備。即使原始數據來源于第三方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（CAD）創(chuàng)建用于CAM編程的零部件模型。（2）模型質量與驗證：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。

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

　　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，輕易處理復雜的工作需求，實現高度靈活的編程。利用最新的加工設備和制造工藝，以更快的速度加工質量更好的零件。

　　在五軸加工編程過程中，點、線、面、邊界等驅動，法向、插補、相對等刀軸實現了豐富的驅動方式和刀軸控制；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雜側壁，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，實現了曲率匹配這一新技術。

　　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，實現產能的最大化，并消除了風險。

4、五軸加工中虛擬機床的建立

　　真實的數控機床包括了機械結構和控制系統(tǒng)兩部分。在VER ICUT 平臺上構建虛擬數控機床也需要有兩部分內容： 機床結構模型的建立和機床控制系統(tǒng)的建立。

　　4.1 虛擬機床結構模型的建立

　　4.1.1 五軸運動結構分析

　　根據ISO的規(guī)定，在描述數控機床的運動時，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，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 虛擬機床結構模型的建立

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

　　虛擬機床的結構部分包括床身、主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、夾具、工件等。創(chuàng)建虛擬機床結構的方法主要有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構，以此為基礎通過修改、添加的方法構建出所需要的機床結構模型。二是對于復雜機床結構，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入VERICUT環(huán)境中并裝配。

　　筆者在設計虛擬機床結構模型時，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。在吸取經驗教訓的基礎上，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系設置

　　以機床工作臺主參考體測量，按圖2所示結構樹順序采用相對運動約束關系，建立機床原點靜止裝配數據模型，完善后轉化為*.STL文件，數據分別聯(lián)接入仿真控制系統(tǒng)結構樹，形成五軸聯(lián)動機構。

　　編制數控控制指令系統(tǒng)文件（fidia20.ctl文件）與數控機床構造文件（FOREST-LINE.mch文件），模擬FIDIA C20數控指令系統(tǒng)，翻譯識別檢查FIDIA C20系統(tǒng)（GM）指令，驅動結構樹內X軸部件、Y軸部件、Z軸部件（線性運動）、C軸部件（旋轉運動）和A軸部件（擺動）同步聯(lián)合運動。

　　設置機床仿真系統(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，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），設置刀具幾何參數，然后可以單獨保存，并可以提供給不同的虛擬機床調用。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軟件沒有提供設置砂輪的模塊。我們可以根據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。結合特種回轉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用。

　　4.4 機床相關設置

　　（1）數控系統(tǒng)設置；根據機床的控制系統(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)指令等進行設置，并保存該文件。（2）設置干涉檢查；（3）設置機床行程；（4）設置機床初始位置；（5）其他設置，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)結構樹內填加夾具和毛坯聯(lián)接樹結構接口，分別定義空間位置并進行位置裝配約束，進行調用拼裝組合夾具定位或模鍛件定位加工。

　　其中夾具接結構樹接口可以直接讀取，其中專用工裝夾具可以與公司產品相應工藝裝備文件連接。標準組合夾具可以直接調用拼裝夾具標準件庫，然后在仿真系統(tǒng)內組合裝配應用。

5、虛擬機床在五軸加工中的應用測試

　　圖3所示渦輪增壓器中復雜曲面葉輪的加工投產前，在五軸聯(lián)動加工的數控仿真系統(tǒng)內模擬應用。該零件的工藝裝備最大外形500mm×335mm×245mm，其中成型面為復雜雙曲面，采用長度方向兩側局部拼接加工。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致主軸刀具與工件碰撞。

6、結語

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