基于CATIA V5的数控加工整机模拟技术

　　随着科学技术和计算机的不断发展，计算机自动编程在制造业数控加工中的应用越来越广泛，特别在一些不规则的复杂曲面，用宏程序很难实现，借助CAD/CAM软件，将大大提高生产效率。 在计算机自动编程中，加工仿真是虚拟制造的一个重要的环节，广泛应用于新产品的设计，它能够直观地反映现实的加工环境、加工过程和加工后零件的结果，通过软件构建机床模型、组装并模拟实际的机床运动，可以及时发现加工

　　过程中的过切、干涉、碰撞和欠切等错误，将错误消除在加工编程的设计阶段，提高数控加工过程的可靠性。

　　CATIA V5具有统一的用户界面数据管理以及兼容的数据库应用接口，并拥有几十个独立的模块。下面以立式三轴数控铣床为例，简单讲述在CATIA V5中三轴机床模型的构建、组装、参数设置 和整机模拟的过程。

　　一、机床模型的构建

　　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。

　　1.机床部件的实体造型

　　立式三轴数控铣床的机床部件主要包括床身、X 轴部件、Y 轴部件和Z 轴部件，其中床身为固定部件。首先进入机械设计模块的零件设计模块，利用凸台、凹槽命令根据机床部件的实际尺寸，创建机床的部件的3D模型，并以后缀名为“CATPart”的文件分别保存，如图1所示。

　　2.机床部件3D模型的组装

　　(1)首先单击软件开始菜单下的加工模拟(VNC)模块里的“NC机具定义(NC Machine Tool Builder)”，(注意不要进入机械设计模块里的装配模块(Assembly Design ))，进入后在左上角会出现为“产品1”的历程树，单击“产品1”按鼠标右键，选择“属性”，将“产品1”改为“自制机床”。

　　(2 )鼠标右键依次点选“自制机床”→“部件”→“现有部件”，系统弹出文件选择对话框，按Ctrl键点选所有绘制机床部件的保存文件，调入后各部件可能散置各处，可先用罗盘将各部件先行翻转至适当处，如图2所示。

　　(3)选择工具栏中新机具按钮进行机具组装(或者在菜单栏中选择“插入”→“DNB New Creation Menu” → “New Machine ”) ， 历程树上会出现“NCController”及“Application”节点，建议先点选固定部件，再点选Fixed Part，系统弹出新固定部分对话框，后再点选床身底座，这时床身部件会出现绿色的约束符号，同时历程树上会出现约束节点，表示被固定。

　　(4)三轴数控铣床的各轴运动副为移动副，使用柱状接头将床身底座部件与Y 轴部件、X 轴部件和Z 轴部件连接，并将其约束，使各机构可以进行仿真运动。

　　选择工具栏中柱状接头按钮Prismatic Joint进行Y 轴部件的组装，单击后系统弹出如图3所示的接头创建对话框，分别点选Y 轴部件和床身底座配合导槽相对应的两条边线和两个表面，注意要勾选“长度驱动”单选项，确定后系统会弹出“机制能被仿真”的信息对话框(若未出现则表示底座未固定)。

　　完成后，Y 轴部件和床身底座配合在一起，在导槽处会出现约束符号，同时历程树上的约束节点里会出现两个相合的约束。

　　用相同的方法进行X 轴部件及Z 轴部件的组装，设定正确会再出现两次“机制能被仿真”窗口，若未出现则可能未勾选“驱动长度”选项，组装完成整个三轴机床模型。

　　3.机床模型参数的设置

　　(1)定义工件安装及刀具之接合点。在历程树上“NCController” 节点内有两个节点，分别是

　　“Workpiece Mount Point(工件安装点)”和“Tool Mount Point(刀具安装点)”。工件安装点可设在工作台上表面的任意位置， 最好设置在中心位置，刀具安装点在Z轴主轴下端面的中心处，为了方便，可以先在工作台表面中心位置和主轴下端面的中心处各创建一个点。用鼠标左键双击“Workpiece Mount Point”节点，此时机床模型上出现绿色的罗盘，将罗盘中心移动到工作台上 表面中心位置创建的点上，如图4所示，再用鼠标左键单击工作台部件，弹出设定位置对话框，按“确定”即可完成工件接合点的设置(当然，也可改变X轴、Y轴的坐标来调整罗盘的位置)，用相同的方法来设置刀具接合点。

　　(2)设定装置属性。可以根据“Device Attributes(装置属性)”工具栏依次进行设定，如图5所示，单击行程限制按钮，弹出修改命令限制对话框，修改各坐标轴的行程。单击原点位置按钮，弹出“原点位置检视器”对话框，点选新建按钮，弹出如图6所示的原点位置编辑器，先将线性间隔改为10mm，在DOFControls自由度控制设置原点的位置，可以用鼠标左键按住对话框里的游标左右移动调整各轴位置，移动过的位置变成绿色，如果为红色则超出行程，也可以按后面数值的上下按钮，每次增加或减少一个间隔距离，设置完按“关闭”键，原点位置大多设在各坐标轴正向最大极限处，用同样的方法设置换刀点位置。

　　(3)保存文件。将机床模型以后缀“CAT Product”的文件保存，最好保存在和各部件文件同一个文件夹内，因为如果部件文件丢失，机床模型文件也无法打开。

　　二、仿真的实现

　　进行整机模拟时，开启任一已设定完成的加工文档，将里面的三轴工具机改为自制机床即可，下面以图7所示简单的挖槽加工为例，介绍仿真操作的过程。

　　(1)打开已设定完成的以后缀名为“CAT Process”存盘的加工文档，窗口左边会出现PPR历程树。

　　(2)双击加工过程节点“Process List”下的加工设定“Part Operation.1”，弹出加工设定对话框。 在对话框中单击数控机床按钮，弹出机床编辑器，原来选择的是三轴工具机，这时应单击“从文件选择”按钮打开自制机床的保存文件，机床就被调入，零件和机床散置各处，单击工具栏上自动设定工件按钮，工件将自动放置在工作台工件安装接合点上。

　　(3)用鼠标右键点选加工设定节点下的“Manufacturing Program.1” 制造程式1节点，弹出下拉菜单，依次选择“Manufacturing Program.1对象”→“Simulate Machine using Tool Path”，使用刀具路径开始机具模拟，弹出程式模拟对话框，按“开始”键，整台机床就开始切削模拟，如图8所示。

　　(4)在整机模拟的过程中，可以进行模拟分析的设定，单击“Simnlation Analysis Tools”模拟分析工具里建立预设干涉按钮，模拟时会弹出分析侦测对话框，如有干涉或碰撞会弹出分析资讯对话框，显示警告信息，运行完可以在干涉清单里看到详细分析的报告。

　　三、结束语

　　本文简略地介绍了利用CATIA软件进行自制三坐标机床的整机模拟，在四轴或五轴联动的机床上应用更广泛，如图9和图10所示。整机模拟在数控加工中具有非常重要的现实意义，在虚拟的环境检测程序的正确性，避免了因产生碰撞造成的巨大损失，同时也缩短了产品的设计周期，提高了生产效率。