虚拟数控机床

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(VirtualMachineTool，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NX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曲面向制造业CAID/CAD/CAM/CAE的中高端软件。NX集成化加工切削验证与机床运动仿真(ISV)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，NX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NX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。建立机床部件3D模型DMU70V是德国德马吉(DMG)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NXCAD环境下将DMU70V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NX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。创建机床运动模型进入机床构造器MTB(MachineToolBuilder)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'DMU_70_V〃(双击'瑚丁日〃最上"'NONAME'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。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：、'MTB〃一''DMU_70_V〃f、'MB3〃(右键)—''Insert"—''MachineBaseComponent”，在弹出的'CreateK-Component〃对话框中选取'Add"—选取机床床身部件一、'OK〃。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'*-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。通常需对毛压工件、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''Classify〃选择匹配类型(PART/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。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''MachineZero”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)。PART_MOUNT_JCT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、'TOOL_MOUNT_JCT'^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"o（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〃一、'MB3〃f''Edit〃一''Axis〃一选择如图7所示的参数。机床入库建立好运动模型后，MTB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：MACHesource\library\machine\graphics\DMU_70_V。修改机床库文件在\MACH\resource\library\machine\ascii\machine_database.dat下添加新机床入口、'DATA|dmu_70_v|1|5_AxMill（MM）|None|Ex:|${NXII_CAM_POST_DIR}dmu_70_v.dat|1.000000”，使机床库文件指向dmu_70_v.dat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：双带Generic_machine"f''Replacemachine”—''Mill”—''dmu_70_v〃—''CreatePartMountJunction"f''UsePartMountJunction”—''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MTB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(TheMachineToolDrive),为了模拟真实的机床NC控制器行为，需要定义虚拟NC控制器控制虚拟机床，在PostBuilder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ISV仿真(载入刀具运动模型与ISV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DMU70V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