虚拟仿真数控加工论文

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1虚拟仿真数控加工系统中的机床建模

机床建模是虚拟仿真加工系统的关键模型，是实际机床在虚拟仿真加工系统中的数字化模型，包括几何模型和运动模型。几何模型是在CAD系统中建立的，首先根据实测得到的机床部件尺寸，建立相应的模型，然后再根据相互关系进行“装配”，形成机床的几何模型。虚拟仿真加工系统中，通过改变机床几何模型各运动零部件的相对位置来模拟加工中虚拟机床的切削运动。运动模型是处理机床几何模型在数控程序控制下如何改变各运动零部件模型相对位置的模型，与机床的结构紧密相关。以DMU125P五轴加工中心为例，在运动模型建立过程中，机床各部件都视为刚体，这样机床的结构可抽象为一个运动链模型。在运动链各组成环节的刚体上固接坐标系，通过坐标变换，可以分析整个运动链的运动形式，建立运动链的依赖关系，即运动链的拓扑结构关系，如图3所示。

2虚拟仿真数控加工功能的实现

a)系统框架的建立

在虚拟仿真加工开始之前，针对工艺信息，选择相应的虚拟机床、虚拟刀具、虚拟夹具、工件模型组成虚拟仿真加工系统。在虚拟仿真加工中，虚拟机床在数控指令的驱动下带动虚拟刀具、虚拟夹具、工件模型等模拟切削过程，实现对数控程序的正确性和可靠性的验证，其系统框架如图4所示。虚拟仿真加工系统主要包括数控程序检查、数控程序翻译、运动仿真、刀具轨迹检查、碰撞检测等模块。

b)程序检查模块

数控程序检查模块包括词法、语法检查，主要检查程序中是否有数控指令集外的非法字符、数控指令的参数是否有效、语法上是否合乎逻辑等。

c)程序翻译模块

数控程序翻译模块以机床的数控程序规范为基础，用以提取G指令、M指令、坐标、进给速度、主轴转速、换刀、循环定义等信息，转换为仿真数控代码。这样在虚拟仿真加工中，才能控制虚拟仿真加工系统的运动仿真和状态设置，为运动仿真模块提供必要的信息。

d)运动仿真模块

该模块是虚拟仿真加工系统最关键的一个模块，决定了后续的刀具轨迹检查、碰撞检查结果的正确性。在该模块中，首先根据机床的运动模型，建立虚拟仿真加工系统各运动组件(包括虚拟机床各运动零部件、虚拟刀具、虚拟夹具和工件模型)的运动模型(即变换矩阵);然后根据翻译模块所提供的坐标值计算各运动组件的变换矩阵并应用以改变各运动组件的位置，从而可以模拟虚拟仿真加工系统的运动，具体步骤如图5所示。

e)刀具轨迹检查模块

该模块主要用于刀轴矢量的检查，以避免刀轴的剧烈变化。大多数的CAM系统都提供了加工仿真和刀位轨迹(刀具轨迹数据包括刀位数据和刀轴矢量)仿真检查功能。但对多坐标加工而言，加工仿真和仅显示刀位轨迹是远远不能满足要求的。在虚拟仿真加工系统运动模拟的过程中，该模块在显示刀位轨迹的同时，也显示刀轴矢量，这样可以准确地检查刀具相对于工件位置及刀轴的变化。

f)碰撞检测模块

对五坐标加工而言，刀具相对于工件的运动轨迹很复杂，难以预测，通常需要进行仿真检验数控程序中可能出现的碰撞干涉。大多数CAM系统提供的加工仿真功能仅考虑刀具与工件、夹具间的碰撞检查，而不能检查可能出现的刀具与工作台间、主轴与工件、夹具间的碰撞。在该模块中，根据经运动仿真模块处理后的各运动零部件的相对位置，全面检查可能出现的碰撞。

3应用实例

DECKELMAHO公司的DMU125P机床是五轴五联动加工中心，具有立卧转换功能。在立式状态下，其结构形式如，a轴为工作台摆动，c轴为工作台转动。在卧式状态下，主轴绕b轴旋转90°，其他状态与立式结构相同。在该机床上进行五轴五联动的加工时，刀具相对于工件的空间运动轨迹复杂，加工前必须进行虚拟仿真加工。本文以VERICUT软件为平台，构建了DMU125P加工中心的虚拟仿真加工系统，用来检验数控加工程序、刀具轨迹与潜在的碰撞危险。在构建125P加工仿真环境时，首先根据运动链关系建立机床拓扑结构关系;然后建立机床的数字模型;最后根据工件、刀具、夹具和机床的数字模型构建虚拟仿真加工环境。

4结语

随着虚拟仿真技术研究的深入，该技术已不仅仅用于检验数控程序的可靠性，也用于数控程序的优化。基于CAD/CAM软件平台，利用二次开发接口(API)开发数控加工的优化系统具有一定的可行性。通过建立典型零件和刀具的优化参数知识库，数控加工程序的优化技术将得到越来越广泛地应用，可以显著提高数控加工的效率，对于制造企业具有明显的经济实用价值。

作者:宋健颜士肖单位:上海航天精密机械研究所