五轴联动数控加工中心仿真系统开发应用

　　目前大型数控五轴联动加工中心在科研生产过程中，主要用于进行大型复杂航空零部件与工艺装备制造加工，因空间结构复杂，外形体积大，常出现零件首件过切，未加工到位，机床与零件或工装夹具干涉，模锻件装夹定位不准确和加工超行程等问题，仅凭借数控编程技术人员个人经验，工作量庞大且复杂，难以克服。

　　针对五坐标数控加工机床控制系统不具有数控加工过程的动态模拟仿真功能，笔者结合虚拟制造技术，在计算机辅助制造软件(VERICUT 5.4)平台基础上，开发了数控加工机床仿真系统模块。该仿真系统可以在NC代码的驱动下运行，用以观察数控机床部件运动和零件的加工成形过程中空间运动状况，验证加工程序G代码的正确性，防止实际加工过程中干涉和碰撞等故障发生。

　　该系统旨在以五坐标数控机床为验证工作机，研究FIDIA C20控制系统的驱动工作原理，建立数控加工中心仿真工作平台，进行典型回转曲轮轴和蒙皮钣金工艺装备五轴联动铣切的加工过程模拟。涉及到仿真工作环境下的大型工艺装备装夹定位，确定数控刀具参数库，模拟数控加工程序的运行 过程等。

　　一、开发研究过程

　　1.五坐标数控加工中心加工仿真系统技术研究

　　比较同类型仿真系统现状，目前技术能力可以建立几何仿真系统，模拟计算刀具切削速度、切削量和切削时间等。

　　(1)软件系统研究方案制定与基础工作调试准备。

　　①方案制定：首先将 VERICUT 与 CATIA 软件功能模块测试验证联接;然后建立五轴联动数控加工中心机床结构与运动关系分析;最后生成五轴联动数控加工中心模拟系统。

　　②基础工作调试准备。首先建立 VERICUT 与 CATIA 机床模拟器软件模块数据转换接口，在CATIA V5R15 环境模块内建立宏编辑器，文本文件如下：

　　{' Entry point for CATIA V5

　　Sub CatMain() CATIA.SystemService.ExecuteBackgroundProcessus "C:cgtech54windowscommandsCATV.bat"

　　End Sub)｝

　　运行宏与 VERICUT 数控仿真平台联接，其中表示加工元素数模，表示毛坯数模(包括复杂模段件)，而表示夹具数模联接至 VERICUT 数控仿真系统。

　　(2)建立机床主结构框架模型装配结构。

　　机床模型的构建要依据以下几个步骤：

　　① 通过测量真实部件的尺寸来获得相应尺寸;

　　② 根据尺寸对机床各个部件进行实体造型;

　　③ 根据所建立的机床部件实体在 NC 机床构建模块里进行组装;

　　④ 进行机床模型运动参数的设置。

　　以CATIA V5的“NC机器工具构建模块”为基础，进行复杂几何实体造型，弥补 VERICUT 5.4 系统几何造型设计功能不足问题，建立机床框架模型装配主结构。机床框架主结构模型建立说明如图1 所示。

　　以工作台上顶面几何中心为设计基准，建立工作台(Base)尺寸(6000mm×2500mm×400mm)。带双侧导轨、X轴部件、Y轴部件、Z轴部件、C轴部件、A轴部件、主轴部件和电主轴存储箱，所有这些机床机构部件构成机床装配结构，机床各部件的三维数模文件分别单独保存。

　　机床框架模型主结构模型装配关系为：以上顶面端面轴中心为数学模型基准原点，保证其与A轴旋转中心距为230mm(机床手册查取后现场测量验证)。其中，X 轴部件、Y 轴部件和Z 轴部件为线性运动，C 轴部件为旋转运动，A 轴部件为±110°摆动，工作台和主轴存储箱为固定基准主体。

　　(3)机床主机构模型文件联接导入 VERICUT 系统环境。

　　以机床工作台(Base)主参考体测量，按(图2) 结构树顺序采用相对运动约束关系，建立机床原点静止装配数据模型，完善后转化为*.STL文件。数据分别联接入仿真控制系统结构树，形成五轴联动机构(图3)。

　　编制数控控制指令系统文件(fidia20.ctl 文件)与数控机床构造文件(FOREST-LINE.mch文件)，模拟FIDIA C20 数控指令系统，翻译识别检查FIDIA C20系统(GM)指令，驱动结构树内X轴部件、Y 轴部件、Z轴部件(线性运动)、C轴部件(旋转运动)和A轴部件(摆动)同步联合运动。

　　(4)机床主机构模型运动关系设置。

　　机床框架主结构模型运动关系说明：以工作台和主轴存储箱为固定基准，其中X轴部件、Y轴部件和Z轴部件为线性运动，C轴部件为旋转运动±360°，A 轴部件为±110° 摆动，建立运动约束关系。同时按编制的FOREST-LINE五坐标数控机床文件(FOREST-LINE.mch 文件)，模拟机床实体机构运动过程，机床的空间运行状态同步显示如图4。

　　设置机床仿真系统工作行程软边界：X 轴、Y 轴、Z 轴、C 轴和 A 轴工作行程的上下边界如图 5 所示。

　　其中，图5所示为在执行蒙皮成型工艺装备五轴联动划线时，Z向超过行程，则仿真系统显示机床 Z 向运动机构为红色报警。执行蒙皮五轴联动划线和钻孔加工时，工艺实施要考虑到空间位置的 X 轴、Y 轴和 Z 轴，包括 A 轴和 C 轴的角度运动行程状态，此时仿真系统可显示机床 X 轴、Y 轴、Z 轴、A 轴和 C 轴中任意运动机构过行程红色报警提示。

　　(5)零件模型、模锻件模型与夹具模型定位仿真加工。

　　在仿真控制系统结构树内填加夹具(Fixture)和毛坯(Stock)联接树结构接口，分别定义空间位置并进行位置装配约束，进行调用拼装组合夹具定位(图6) 或模锻件定位(图7)加工。

　　应用说明：夹具(Fixture)联接结构树接口可以直接读取，其中专用工装夹具可以与公司产品相应工艺装备文件连接。标准组合夹具可以直接调用拼装夹具标准件库，然后在仿真系统内组合装配应用。

　　(6)机床附件数学模型定义。

　　在刀具库(图8) 当中建立读入功能，这样有利于多人模板化应用，从而经过积累形成刀具参数库(GYTOOL.tls 文件)，仿真系统内存有的刀具参数库需按实际刀具几何特征添加。刀具的分类一般按功能定义：铣刀、中心钻、钻和镗刀。

　　仿真加工中心刀具数据参数库可以按加工工件材料和刀具几何结构功能特征分类，采用数据库优化管理所使用的刀具。

　　2.五坐标数控仿真系统技术应用研究

　　(1)五坐标数控加工G代码程序与数控控制系统连接设置调试。

　　由于实际数控机床选用的是FIDIA20数控指令系统，因此五轴联动加工过程中为便于系统空间几何运算，采用绝对坐标和刀具中心端点为转心的模式进行后置处理程序G代码指令的过程模拟，FIDIA20数控指令系统的设置应与机床控制系统选项匹配。

　　(2)五坐标数控仿真系统应用测试。

　　图9所示为蒙皮零件成型工装五轴联动加工投产前，在五坐标数控仿真系统内模拟应用。该零件的工艺装备最大外形10 500mm×2 535mm×545mm，其中成型面为复杂双曲面，采用长度方向两侧局部拼接加工。在五轴联动加工时，边界为：X-2 227.081，Y 679.116，Z553.417。位置主轴角度为：A -16.333°， C-173.124°，工装定位未超出机床工作行程。通过仿真系统分析两次定位模拟加工，显示零件加工过程的直观状态，C 轴部件和 A 轴部件大角度联动空间状态可以在不同视角观测，以验证工艺过程合理性，避免装夹定位不准确导致超程重复工作。

　　模拟调用五轴联动加工数控程序如下。

　　N1 G96 G90

　　N2 G00 X0.0 Y0.0 Z100.0 A0 C0

　　N3 G40 M08

　　N4 T0M06

　　N5 G00 X2947.902 Y1068.768 Z506.928 A9.599 C6.887 S70 M03

　　N6 G01 X2951.861 Y1078.168 Z508.439 A9.761 C6.881 F1000

　　N7 X2955.135 Y1087.657 Z510.006 A9.928 C6.875

　　N8 X2957.726 Y1097.173 Z511.619 A10.098 C6.868

　　N9 X2959.657 Y1106.654 Z513.269 A10.271 C6.861

　　N10 X2960.957 Y1116.051 Z514.945 A10.446 C6.854

　　N11 X2961.652 Y1125.324 Z516.642 A10.621 C6.847

　　N12 X2961.751 Y1134.44 Z518.351 A10.798 C6.84

　　N13 X2961.188 Y1145.135 Z520.41 A11.009 C6.832

　　N14 X2959.884 Y1155.53 Z522.468 A11.218 C6.825

　　N15 X2957.918 Y1165.602 Z524.517 A11.425 C6.82

　　N16 X2955.336 Y1175.335 Z526.55 A11.628 C6.815

　　N17 X2952.165 Y1184.713 Z528.561 A11.828 C6.812

　　N18 X2948.428 Y1193.717 Z530.543 A12.025

　　N19 X2944.203 Y1202.356 Z532.493 A12.218

　　N20 X2939.488 Y1210.611 Z534.404 A12.408 C6.814

　　N21 X2933.417 Y1219.752 Z536.579 A12.625 C6.818

　　N22 X2927.727 Y1227.143 Z538.387 A12.806 C6.823

　　N23 X2921.653 Y1234.148 Z540.145 A12.982 C6.829

　　N24 X2914.075 Y1241.802 Z542.12 A13.181 C6.837

　　N25 X2907.149 Y1247.876 Z543.736 A13.345 C6.845

　　N26 X2899.895 Y1253.546 Z545.286 A13.504 C6.852

　　N27 X2890.995 Y1259.597 Z546.996 A13.68 C6.861

　　N28 X2882.992 Y1264.256 Z548.362 A13.821 C6.868

　　N29 X2874.69 Y1268.464 Z549.64 A13.952 C6.873

　　N30 X2866.079 Y1272.173 Z550.816 A14.073 C6.878

　　N31 X2857.17 Y1275.354 Z551.88 A14.182 C6.882

　　N32 X2847.984 Y1278.009 Z552.827 A14.278 C6.886

　　N33 X2838.53 Y1280.104 Z553.648 A14.362 C6.888

　　N34 X2828.82 Y1281.598 Z554.328 A14.431 C6.89

　　N35 X2818.873 Y1282.453 Z554.854 A14.485

　　N36 X2808.713 Y1282.648 Z555.22 A14.523

　　N37 X2798.364 Y1282.143 Z555.411 A14.544

　　N38 X1954.551 Y1183.258 Z555.976 A14.738 C6.776

　　N39 X238.175 Y981.947 Z556.221 A15.351 C6.705

　　N40 M05

　　N41 M02

　　二、试验件加工验证

　　仿真系统可以根据零件加工程序驱动机床运动，计算模拟零件、刀具系统、夹具系统和机床系统的切削工作过程。当程序执行时，仿真系统模拟出所加工零件的即时状态，准确反映出机构干涉发生位置和相应程序位置。数控程序执行结束后，系统将准确直观地显示零件切削结果和毛坯切削残留状况，同时计算模拟出零件过切或未切到位量，并生成模拟数值报表。

　　在图10所示的实际测试切削应用过程中，拼装夹具装 夹结构略有变动，装夹方式一致，圆柱曲面导向槽五轴联动加工按轮轴曲线槽数据检测，符合设计要求。

　　三、结论

　　通过上述研究试用的证明，利用该系统可以有效预防首件过切、未加工到位、机床与零件干涉、模锻件装夹定位，以及由于加工超行程和毛坯定义不准等因素带来的加工余量不均匀、空行程，以及打刀等问题，提高加工效率，保证数控编程质量，减少数控技术人员与操作人员的工作量和劳动强度，提高五坐标数控编程制造加工一次成功率，缩短产品设计和加工周期，提高生产效率。