基于NX的虚拟机床运动学建模与仿真

　　一、前言

　　随着虚拟制造技术的发展和应用的深入，仿真技术已广泛应用于制造业 的评估工艺计划和设备，以及新产品 设计。虚拟数控机床(Virtual Machine Tool，VMT)是虚拟制造的执行单元，是 虚拟制造的一个底层关键技术和前提条 件。它的最终目的是为虚拟制造建立一 个真实的加工环境，在计算机屏幕上实 现加工过程的仿真，以增强制造过程的各级决策与控制能力，优化制造过程。 通过虚拟机床不仅可以全面、逼真地反 映现实的加工环境和加工过程，还能 对加工中出现的碰撞、干涉提供报警信 息，对产品的可加工性、工艺规程的合 理性和加工精度进行评估、预测，达到节省资源、避免风险的目的。

　　如何结合高端软件建立虚拟机床， 并通过仿真加工过程检验数控加工程序 的正确性具有十分重要的作用。本文基 于N X软件构建了五轴联动数控铣床的虚 拟模型，实现了数控编程的虚拟制造。

　　二、NX4.0的功能

　　NX(以前称UG)是当前先进和精密集成的、面向制造业CAID/CAD/CAM/CAE的中高端软件。N X集成化加工切削 验证与机床运动仿真(IS&V)提供了 一套完全集成的刀具路径验证和仿真 解决方案，这套方案工作在相同的制 造环境中，共享相同的核心数据。允许用户在部件制造流程的早期验证刀具路径信息，以提高对最终生成NC程序的信心。

　　真正的仿真和干涉检查应当包含 机床、机床控制器、刀具以及加工工件 在内的大规模综合仿真和检验，N X系统 提供的机床构造器(MTB)功能恰恰符合了这样的要求。利用N X的集成化和功 能强大的建模、运动分析和加工功能，实现虚拟加工系统的运动仿真，并可动 态模拟毛坯金属材料的去除过程。

　　三、虚拟机床建模

　　建立虚拟机床要依据以下三个步骤：1)通过测量真实部件的尺寸来获得 它们相对应的尺寸;2)根据尺寸对数控 机床进行几何建模;3)根据所建立的几 何模型在系统中建立运动学模型。

　　1.建立机床部件3D模型

　　D M U 70V是德国德马吉(D M G)公 司生产的万能五轴镗铣加工中心，其 主要结构特点是回转/摆动工作台采用45°斜面实现工作台立卧转换，达到 五轴五面加工。因数控机床的系统十分 复杂，首先对数控机床进行适当简化， 在不损失仿真精度的前提下，建立数控 机床的抽象结构模型。在NX CAD环境下 将D M U 70V机床根据其结构、运动特点 将其模块化，分别建立机床底座、床 身、回转台、斜转台及各导轨等。将建 立好的机床模块根据机床运动的原理， 用N X的装配建模功能，在主模型下依据 机床处于非工作状态下的位置进行装配(见图1)，即根据主模型的概念让各 个模块之间既有相关性又以参数化驱动，以便修改任意关键参数时可以保证全局的关系不变。

图1 DMU 70V机床结构模型

　　2.创建机床运动模型

　　进入机床构造器MTB(Machine Tool B u i l d e r)进行运动学模型的定义，并 在机床导航器中重新命名，新添机床 名“D M U_70_V”(双击“M T B”最上行“N O N A M E”命名)。运动模型是用来 描述机床运动的，定义了运动模型后机 床各组件的运动方式才能得以确定。

　　(1)定义机床基础部件

　　机床基础部件(机座组件)是创建机床运动关系的基础，是机床导航器中机床关系树的根，一般先定义机床床身。创建步骤如图2所示，顺序为：

　　“M T B”→“D M U_70_V”→“M B3”

　　(右键)→“I n s e r t”→“M a c h i n eBase Component”，在弹出的“CreateK-Component”对话框中选取“Add”→ 选取机床床身部件→“OK”。

　　(2)定义机床运动组件并分类

　　其他部件创建运动组件的方法也同图2步骤，根据机床运动和装配关系在上级部件下插入所要添加的“k-组 件”定义，“k-组件”的父、子关系 决定了它们的依存关系。当定义PART、BLANK和FIXTURE等设备组件时只需先定义名称并分类，不必指定几何对象。

　　分类的目的是为了在进行碰撞干涉检查时，可以按照类进行检查。通常需对毛坯、工件、夹具进行分类。如对加工件进行分类时，只要在弹出 如图2所示的运动组件定义对话框中点击“C l a s s i f y”选择匹配类型(P A R T/ SETUP_ELEMENT)即可。定义完所有运动组件并进行分类后就创建了如图3所示的组建树。

　　(3)创建连接坐标系并分类

　　为便于描述机床各运动副之间的 相对运动关系，分别在机床原点、工件 和刀具上建立同向平行的坐标体系，且 使机床处于初始状态时，工件坐标系、刀具坐标系的坐标轴方向均与机床坐标系一致。 首先必须在机床基础件上定义机床坐标系及机床原点，用于指定机床各组 件的运动方向，因此机床坐标系轴方向 的确定很重要，但原点的位置可以定义 在机床任意点。创建一个名为“MACHINE_ ZERO”、分类为“Machine Zero”的连接 坐标系。操作步骤如图4所示。

　　在机床工作台上按照如图5所示的 顺序创建一个名为“PART_MOUNT_JCT” 的连接，用于在模拟仿真时，安装加工 工件，将零件安装坐标系定位在当前工作坐标系位置(工作台中心)。P A R T_ M O U N T_J C T实际上是定义工件在机床上 安放时的参考点，即装卡原点。装卡原 点常见于带回转(或摆动)工作台的数控机床或加工中心，一般是机床工作台 上的一个固定点，比如回转工作台回转 中心，在零位时其与机床原点的偏移量 为定值，供CNC系统原点偏移计算用。

　　同样的方式在刀具主轴端面创建 一名为“T O O L_M O U N T_J C T”的连接， 用于模拟仿真时的安装刀具。应注意坐 标系方向，X 轴为刀具安装轴。

　　按照如图6所示的顺序，同上方法创建工作台相对于机床床身围绕Z轴旋转的 连接坐标系“ROT_C”，和围绕45°斜面 法线旋转的坐标系“ROT_B”。

　　(4)创建机床运动轴

　　该功能的作用是定义机床组 件的运动形式，定义 X 、 Y 、 Z 、 B 和C轴的行程范围及连接关系， 如 定 义 X 轴 ， 在 X 轴 上 点 击 “ 左 键”→“MB3”→“Edit”→“Axis”→ 选择如图7所示的参数。

图7 定义机床运动轴

　　3.机床入库

　　建立好运动模型后，M T B导航器 窗口结构如图8所示，用机床模型文件 路径将设置好的机床加入到机床库以 便被调，通常按以下：MACH esourcelibrarymachinegraphicsDMU_70_V。

图8 DMU 70V机床构造导航窗口

　　4.修改机床库文件

　　在 MAC H res ou rc e l i b rar y machineasciimachine_database.dat下 添加新机床入口“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”，使机床库文件指向d m u_70_v.d a t文件，以便 在该“.dat”文件中，定义即将用的机 床后处理器。执行完以上操作步骤将 生成一个完整的虚拟机床，当需要时 就可以从机床库里调出并实现该机床 仿真运动和生成加工NC程序。

　　四、虚拟机床仿真加工与 验证

　　将建立好的虚拟机床添加到虚拟仿真机床库之后，就可以通过后置处理 实现加工过程仿真以验证。

　　1)首先在加工环境下打开要验证 的已生成刀具路径的加工件，使导航器 切换到刀具导航器，然后通过以下步骤载入建立好的虚拟机床运动模型： 双击“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)定义加工件及夹具，打开机床 构造导航器，与前面的添加组建同样 方式在载入的虚拟机床上定义机床加工 件、毛坯及夹具等。

　　3)定义加工刀具，在M T B环境中对 加工所需的刀具装配模型(刀具和刀柄 等)进行运动模型定义，方法与机床运动模型的定义类似。如果不提供刀具运 动模型，系统可以根据加工模型中的刀 具参数自动创建一个加工刀具，因此这 一步不是必须要有的。

　　4)定义机床驱动器(The Machine Tool Drive)，为了模拟真实的机床NC 控制器行为，需要定义虚拟N C控制器控 制虚拟机床，在Post Builder中为机床 创建POST处理器时，可以自动生成机床 驱动文件。

　　5)进行I S V仿真(载入刀具运动模 型与I S V的设置和实现)。最后只要在 刀具导航器或几何体导航器选择具体 操作点右键激活仿真(simulate)，即 可实现对应程序的仿真加工。

　　NX的用户还可以在仿真运行的同时 以图形化方式操纵显示屏，从而使得用户能从他们所希望的不同视角可视化地验证制造信息。所有机械加工操作的真 实再现，包括实时显示每项操作的除料 过程。图9和图10为在虚拟机床DMU 70V 上实现加工验证实例图。

　　五、结论

　　本文利用计算机仿真技术，建立提高数控机床运动精度的优化仿真模 型，同时利用现代测量技术，通过实验手段掌握数控机床在加工状态下的 动态性能和运行规律，验证数控机床 仿真模型的正确性，从而为数控机床 虚拟建模提供技术支持，使数控系统 网络化以及实现数控设备远程监控成 为可能。通过构建的DMU 70V五轴联动 数控铣床虚拟模型，实现了数控编程 的虚拟制造，比一些C A D/C A M单纯的刀 位文件仿真更真实、直观、更接近实 际加工情况，仿真后的N C程序不用试 切，可直接输入机床进行加工，极大 地提高数控编程的效率和质量。