基于UG的五軸加工中心虛擬機床及后置處理開發(fā)
0引言先進的五軸五聯(lián)動精工加工中心在復(fù)雜零部件的 生產(chǎn)制造方面具有明顯的優(yōu)勢和重要現(xiàn)實意義。UG軟 件是SIEMENS公司開發(fā)的一款CAD/CAM/CAE集成軟 件。該軟件的切削加工集成仿真和驗證功能（IS&V) 可以實現(xiàn)精工機床虛擬加工零件的整個過程（如圖1所 示）。IS&V可以虛擬仿真機床控制器功能，包括循環(huán)指 令、宏程序調(diào)用、子程序調(diào)用；同時可以檢測機床部 件、夾具、刀具、零件之間的碰撞。技術(shù)人員通過運用 IS&V功能可以避免花費昂貴和耗時的空運行檢查，從 而降低成本，減少操作者干涉；通過減少碰撞降低機 床、夾具和工件損壞風(fēng)險；最終提升企業(yè)的生產(chǎn)效能。本文運用UG軟件進行TOM1060型五軸聯(lián)動加工中心的 虛擬機床及后置處理開發(fā)。1構(gòu)建虛擬機床模型TOM1060型五軸加工中心配備SIEMENS840D sl 精工系統(tǒng)，采用雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)。各運動軸行 程XYZ1000mmX600mmX500mm，A軸±110'C，C軸 ±180C。在使用UG軟件進行IS&V時，首先需要運用UG建 模功能按照床身本體（machine_base)、Z軸部件（Z_ slide)、X軸部件（X_slide)、Y軸部件（Y_slide)、A軸部件（A_table)和C軸部件（C_table)的分類，創(chuàng) 建模型數(shù)據(jù)；其次運用裝配功能將各部件裝配成完整的 機床模型數(shù)據(jù)，各裝配體之間建立約束關(guān)系，限制自由 度；最后將XYZAC各軸部件設(shè)定與真實機床相一致的 初始位置，從而完成虛擬機床模型的構(gòu)建。2創(chuàng)建虛擬機床運動模型虛擬機床模型構(gòu)建完成后，需要對其定義運動模型 (Kinematics Model)。運動模型定義裝配零部件之間 的關(guān)系，以及軸的名稱、方向、行程和聯(lián)結(jié)點。仿真過 程將利用運動模型和機床驅(qū)動器提供的信息使機床運動 起來。雙轉(zhuǎn)臺型五軸加工中心的運動模型創(chuàng)建，需要按 照右手笛卡爾法則設(shè)定主軸方向T、第四軸矢量P、第 五軸矢量S、第四軸聯(lián)結(jié)點CP、第五軸聯(lián)結(jié)點CS、機床 坐標系M (圖），同時為虛擬機床控制器（VNC)配置 MOM變量名（如圖2、表1所示）。表1配置MOM變量名 參數(shù) mom變量名 T mom_kin_spindle_axis (-1，0，0) P mom_kin_4th_axis_vector (0，-1，0) S mom_kin_5th_axis_vector (0，0，1) CP mom_kin_4th_axis_point (10，-1，-10) CS mom_kin_5th_axis_point (8，0，-8) M mom_kin_machine_zero_offset (9，4，0) (ManufacturingApplication)不支持的功能。TOM1060型五軸加工中心MTD使用UG/POST BUILDER創(chuàng)建（如圖4所示），在虛擬NC控制 (Virtual N/C Controller)選項中勾選創(chuàng)建虛擬N/C控制 (Generate Virtual N/C Controller),在VNC Commands 中創(chuàng)建控制命令（如圖5所示）。運用UG軟件機床構(gòu)建器功能（MTB)為機床定義 運動模型。MTB通過運動樹結(jié)構(gòu)創(chuàng)建運動模型。這個運 動樹包含運動部件和其對應(yīng)關(guān)系。運動部件是機床的物 理模型。當父部件運動，其下屬子部件也跟隨運動，關(guān) 系如圖3所示。3創(chuàng)建虛擬機床驅(qū)動器（后置開發(fā)）機床驅(qū)動器（MTD)創(chuàng)建模仿CNC控制器的CNC 程序。CNC控制器模仿器（或虛擬NC控制器）是一個 可編程的界面，可以按照實際的運動設(shè)定機床模型以及 設(shè)定這些運動如何顯示。機床仿真過程中的所有運動和 反饋都由MTD控制。相比較而言，MTD類似于機床仿真器，而CNC控 制器就類似它控制的機床。對機床庫中的每臺機床都 有一個對應(yīng)的MTD驅(qū)動器（NX標準安裝帶有12臺普通 的MTD)。若要創(chuàng)建一臺新的機床，可以修改現(xiàn)有的 MTD以符合新機床的特點。TOM1060型五軸加工中心在完成虛擬機床模型和 運動模型設(shè)計后，虛擬機床類似于真實的精工機床還要有CNC控制器來控制各類運動。在UG軟件中的機床驅(qū) 動器（MTD)功能可以創(chuàng)建模仿CNC控制器的CNC程 序。MTD通過如圖所示，完成虛擬控制的工作流程。 MTD是由TCL腳本語言編寫的，但是也可以使用高級 的語言如C++來開發(fā)。MTD可以模仿特定的循環(huán)、用戶 自定義的事件、宏和其他和CNC控制器有關(guān)而加工環(huán)境UG軟件中對于虛擬加工使用的ISO代碼提供了仿 真模擬的標準文件PB_CMD_VNC*.TCL。使用者只 需要從Export中導(dǎo)入使用標準的ISO代碼即可。但是 TOM1060型加工中心所配備SIEMENS840D系統(tǒng)具有刀 具跟隨點加工功能（TPCP)，因此需要針對五軸聯(lián)動 轉(zhuǎn)換功能和五軸定向加工功能設(shè)計模擬代碼。五軸加工 模式轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖6所示。根據(jù)對應(yīng)關(guān)系運用TCL編程 語言，根據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)采用判斷語言指令編寫控制代碼 (如圖7所示）。4測試虛擬機床仿真加工IS&V機床設(shè)計完成后，選擇O80mm銑刀盤零件 (如圖8所示），對其測試仿真加工。零件具有五軸定 向加工面、五軸聯(lián)動加工面、A軸>90°擺動面特征， 使用該零件測試，可以測試坐標軸行程超程（如圖9所 示）、機床幾何體碰撞、五軸定向加工退刀、五軸聯(lián)動 轉(zhuǎn)換角度干涉等方面在真實加工才能遇到的嚴重問題， 有效保障生產(chǎn)加工安全，提升生產(chǎn)效率。銑刀盤使用聯(lián)結(jié)功能定位在需要測試的虛擬機床 上，打開“機床仿真”功能，首先設(shè)定“顯示3D材料 移除”和“碰撞檢測”組件；然后在“可視化動畫” 中，選擇機床代碼仿真；最后點選“播放”功能，虛擬 加工仿真動畫自動進行直至結(jié)束。通過測試得到如表2 所示。基于UG的集成仿真和驗證（IS&V)技術(shù)可以開發(fā) 設(shè)計出各類五軸聯(lián)動加工虛擬機床和車銑復(fù)合加工虛 擬機床。使用與真實機床一致的虛擬機床，形象直觀地 模擬精工加工的全過程，進行精工程序的檢驗，分析 零件的可加工性和工序的合理性，從而縮短產(chǎn)品的研 制周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文論述了配備 SIEMENS840D系統(tǒng)雙轉(zhuǎn)臺型五軸加工中心虛擬機床開 發(fā)過程，可以為雙擺頭型和單擺單轉(zhuǎn)型五軸加工中心虛 擬機床開發(fā)提供借鑒和參考。 表2測試結(jié)果 序號 檢測項目 完成情況 對策 1 直線坐標軸行程 Y軸超程 降低零件裝夾高度可以解決 2 A軸坐標軸行程 97.12° <110° 正常 3 機床幾何體碰撞 無碰撞報警 正常 4 五軸定向加工退刀 沿刀具矢量方向退刀 正常 5 五軸聯(lián)動轉(zhuǎn)換角度干涉 有刀槽位加工，A軸旋轉(zhuǎn)角度變換>180° 關(guān)閉虛擬機床A軸負角度功能