基于UG的五軸加工中心虛擬機(jī)床及后置處理開(kāi)發(fā)
0引言先進(jìn)的五軸五聯(lián)動(dòng)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(shì)和重要現(xiàn)實(shí)意義。UG軟 件是SIEMENS公司開(kāi)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(yàn)證功能（IS&V) 可以實(shí)現(xiàn)精工機(jī)床虛擬加工零件的整個(gè)過(guò)程（如圖1所 示）。IS&V可以虛擬仿真機(jī)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(shí)可以檢測(cè)機(jī)床部 件、夾具、刀具、零件之間的碰撞。技術(shù)人員通過(guò)運(yùn)用 IS&V功能可以避免花費(fèi)昂貴和耗時(shí)的空運(yùn)行檢查，從 而降低成本，減少操作者干涉；通過(guò)減少碰撞降低機(jī) 床、夾具和工件損壞風(fēng)險(xiǎn)；最終提升企業(yè)的生產(chǎn)效能。本文運(yùn)用UG軟件進(jìn)行TOM1060型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的 虛擬機(jī)床及后置處理開(kāi)發(fā)。1構(gòu)建虛擬機(jī)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(tái)式五軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)。各運(yùn)動(dòng)軸行 程XYZ1000mmX600mmX500mm，A軸±110'C，C軸 ±180C。在使用UG軟件進(jìn)行IS&V時(shí)，首先需要運(yùn)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(lèi)，創(chuàng) 建模型數(shù)據(jù)；其次運(yùn)用裝配功能將各部件裝配成完整的 機(jī)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(shí)機(jī)床相一致的 初始位置，從而完成虛擬機(jī)床模型的構(gòu)建。2創(chuàng)建虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型虛擬機(jī)床模型構(gòu)建完成后，需要對(duì)其定義運(yùn)動(dòng)模型 (Kinematics Model)。運(yùn)動(dòng)模型定義裝配零部件之間 的關(guān)系，以及軸的名稱(chēng)、方向、行程和聯(lián)結(jié)點(diǎn)。仿真過(guò) 程將利用運(yùn)動(dòng)模型和機(jī)床驅(qū)動(dòng)器提供的信息使機(jī)床運(yùn)動(dòng) 起來(lái)。雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸加工中心的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)CP、第五軸聯(lián)結(jié)點(diǎn)CS、機(jī)床 坐標(biāo)系M (圖），同時(shí)為虛擬機(jī)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(xiàng)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(yùn)用UG軟件機(jī)床構(gòu)建器功能（MTB)為機(jī)床定義 運(yùn)動(dòng)模型。MTB通過(guò)運(yùn)動(dòng)樹(shù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)模型。這個(gè)運(yùn) 動(dòng)樹(shù)包含運(yùn)動(dòng)部件和其對(duì)應(yīng)關(guān)系。運(yùn)動(dòng)部件是機(jī)床的物 理模型。當(dāng)父部件運(yùn)動(dòng)，其下屬子部件也跟隨運(yùn)動(dòng)，關(guān) 系如圖3所示。3創(chuàng)建虛擬機(jī)床驅(qū)動(dòng)器（后置開(kāi)發(fā)）機(jī)床驅(qū)動(dòng)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(gè) 可編程的界面，可以按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)設(shè)定機(jī)床模型以及 設(shè)定這些運(yùn)動(dòng)如何顯示。機(jī)床仿真過(guò)程中的所有運(yùn)動(dòng)和 反饋都由MTD控制。相比較而言，MTD類(lèi)似于機(jī)床仿真器，而CNC控 制器就類(lèi)似它控制的機(jī)床。對(duì)機(jī)床庫(kù)中的每臺(tái)機(jī)床都 有一個(gè)對(duì)應(yīng)的MTD驅(qū)動(dòng)器（NX標(biāo)準(zhǔn)安裝帶有12臺(tái)普通 的MTD)。若要?jiǎng)?chuàng)建一臺(tái)新的機(jī)床，可以修改現(xiàn)有的 MTD以符合新機(jī)床的特點(diǎn)。TOM1060型五軸加工中心在完成虛擬機(jī)床模型和 運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)后，虛擬機(jī)床類(lèi)似于真實(shí)的精工機(jī)床還要有CNC控制器來(lái)控制各類(lèi)運(yùn)動(dòng)。在UG軟件中的機(jī)床驅(qū) 動(dòng)器（MTD)功能可以創(chuàng)建模仿CNC控制器的CNC程 序。MTD通過(guò)如圖所示，完成虛擬控制的工作流程。 MTD是由TCL腳本語(yǔ)言編寫(xiě)的，但是也可以使用高級(jí) 的語(yǔ)言如C++來(lái)開(kāi)發(fā)。MTD可以模仿特定的循環(huán)、用戶(hù) 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(duì)于虛擬加工使用的ISO代碼提供了仿 真模擬的標(biāo)準(zhǔn)文件PB_CMD_VNC*.TCL。使用者只 需要從Export中導(dǎo)入使用標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)加工功能（TPCP)，因此需要針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng) 轉(zhuǎn)換功能和五軸定向加工功能設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)用TCL編程 語(yǔ)言，根據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)采用判斷語(yǔ)言指令編寫(xiě)控制代碼 (如圖7所示）。4測(cè)試虛擬機(jī)床仿真加工IS&V機(jī)床設(shè)計(jì)完成后，選擇O80mm銑刀盤(pán)零件 (如圖8所示），對(duì)其測(cè)試仿真加工。零件具有五軸定 向加工面、五軸聯(lián)動(dòng)加工面、A軸>90°擺動(dòng)面特征， 使用該零件測(cè)試，可以測(cè)試坐標(biāo)軸行程超程（如圖9所 示）、機(jī)床幾何體碰撞、五軸定向加工退刀、五軸聯(lián)動(dòng) 轉(zhuǎn)換角度干涉等方面在真實(shí)加工才能遇到的嚴(yán)重問(wèn)題， 有效保障生產(chǎn)加工安全，提升生產(chǎn)效率。銑刀盤(pán)使用聯(lián)結(jié)功能定位在需要測(cè)試的虛擬機(jī)床 上，打開(kāi)“機(jī)床仿真”功能，首先設(shè)定“顯示3D材料 移除”和“碰撞檢測(cè)”組件；然后在“可視化動(dòng)畫(huà)” 中，選擇機(jī)床代碼仿真；最后點(diǎn)選“播放”功能，虛擬 加工仿真動(dòng)畫(huà)自動(dòng)進(jìn)行直至結(jié)束。通過(guò)測(cè)試得到如表2 所示。基于UG的集成仿真和驗(yàn)證（IS&V)技術(shù)可以開(kāi)發(fā) 設(shè)計(jì)出各類(lèi)五軸聯(lián)動(dòng)加工虛擬機(jī)床和車(chē)銑復(fù)合加工虛 擬機(jī)床。使用與真實(shí)機(jī)床一致的虛擬機(jī)床，形象直觀地 模擬精工加工的全過(guò)程，進(jìn)行精工程序的檢驗(yàn)，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(tái)型五軸加工中心虛擬機(jī)床開(kāi) 發(fā)過(guò)程，可以為雙擺頭型和單擺單轉(zhuǎn)型五軸加工中心虛 擬機(jī)床開(kāi)發(fā)提供借鑒和參考。 表2測(cè)試結(jié)果 序號(hào) 檢測(cè)項(xiàng)目 完成情況 對(duì)策 1 直線(xiàn)坐標(biāo)軸行程 Y軸超程 降低零件裝夾高度可以解決 2 A軸坐標(biāo)軸行程 97.12° <110° 正常 3 機(jī)床幾何體碰撞 無(wú)碰撞報(bào)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(dòng)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(jī)床A軸負(fù)角度功能