虚拟仿真技术在数控加工中的应用

宋健，颜士肖

(上海航天精密机械研究所，上海 201600)



虚拟仿真技术在数控加工中的应用

宋健，颜士肖

(上海航天精密机械研究所，上海 201600)

摘要：虚拟仿真技术是通过建立基于实际加工环境的虚拟仿真加工系统，模拟与实际加工完全吻合的加工情况，对数控加工的可靠性进行检验。介绍了基于CAD/CAM的虚拟仿真加工系统的体系构架、虚拟仿真加工系统中的机床建模和虚拟仿真加工功能的实现，并以实际案例说明了虚拟仿真技术的实现过程。

关键词：虚拟仿真；数控加工；VERICUT软件

0引言

随着CAD/CAM技术的成熟和广泛应用，数控加工技术日益广泛地应用于复杂零件的加工[1]，但随着零件复杂程度的增加，加工零件的数控程序的潜在危险也随之增加，可靠性降低。因此，在实际加工前，通常要进行试切和计算机图形仿真，以检验刀具轨迹的正确性和数控程序的可靠性，虚拟仿真技术以其独有的优点越来越受到重视[2,3]。

目前，商业化的CAM软件如UG，Pro/E，MasterCAM，Cimatron等都具有一定的仿真功能，如刀具轨迹仿真和材料去除过程仿真功能，并且也提供了功能很强的二次开发接口(API)，基于这些二次开发接口可以开发专用的功能模块。我国的一些研究机构和学者也开发出了具有一定实用性的数控仿真系统。此类系统通常采用C/C++编程语言，利用OpenGL作为图形支持开发，该开发方法需要很高的编程技术。然而，不管是商业化的CAD/CAM软件系统还是我国自主开发的数控仿真系统主要集中于刀具轨迹的仿真，没有考虑具体的加工环境。而对于多坐标数控加工，加工系统中的机床部件、刀具、工件、夹具等各组件的相对运动和空间位置超乎想象的复杂，存在很大的潜在碰撞危险[3]。因此，数控加工可靠性的验证必须基于具体的加工环境。

本文在着重介绍虚拟仿真技术的原理基础上，举例说明基于VERICUT软件的虚拟仿真技术，建立基于实际加工环境的虚拟仿真加工系统，模拟与实际加工完全吻合的加工情况，对数控加工的可靠性进行检验。

1基于CAD/CAM的虚拟仿真加工系统的体系构架

在开发虚拟仿真加工系统时，首先应用CAD/CAM的设计功能建立机床和夹具的各主要零部件模型、工件模型，将其“装配”为虚拟仿真加工系统的设备系统；然后应用CAD/CAM的自动数控编程功能生成零件的数控加工程序，并根据刀具的选择准备刀具模型；经过这两步就可以完成虚拟仿真加工的模型和信息准备。

虚拟仿真加工系统是建立在实际物理设备及其对应的活动和信息的基础上的，并且能够随着实际加工系统的改变而对其进行维护。根据其功能，基于虚拟仿真加工系统的体系结构可以分为三个层次和两个用户界面，如图1所示。

图1　虚拟仿真加工系统体系构架

a) 虚拟仿真加工系统的三个层次

1) 物理层：该层是对应的现实制造设备资源，它为虚拟仿真加工系统的建立提供必要的设备资源信息。

2) 模型层：该层通过对现实制造系统的数字化建立三个数据库，实现设备资源和生产活动的集成。

3) 仿真层：该层执行加工过程中的仿真，它集成了设备模型、数控程序、工件模型等。在该层虚拟仿真加工系统实现了最终功能，完成数控程序的校验等功能。

b) 虚拟仿真加工系统的两个用户界面

1) 建模界面：操作员通过该CAD/CAM界面实现与物理层、模型层的交互，并且实现对数据库的维护。

2) 仿真界面：操作员应用CAD/CAM开发专用的应用模块，实现与模型层的交互，建立虚拟仿真加工系统。操作员可通过该界面实现对虚拟仿真加工过程的控制，并接受反馈的仿真过程结果信息。

2虚拟仿真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DMU 125P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，如图2所示。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。

图2　运动链

图3　运动链的拓扑结构关系

每一个机床零部件在数控指令驱动下的变换矩阵为其自身节点到根节点各个变换矩阵的乘积，如给定当前的数控坐标为(x,y,z,b,c)，则刀具和工件的变换矩阵分别为：

MT′=MT0×MZ×MY×MX=MT0×T(x,y,z)

MP′=MP0×MC×MB=RZ(c)×RX(-45)×RZ(b)×RX(45)

式中：Mn0表示零部件n变换之前的矩阵；

T(x,y,z)表示零部件的平移变换矩阵；

Rk(a)表示绕轴k旋转a角。

3虚拟仿真加工功能的实现

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。

图4　虚拟仿真加工系统框架

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。

图5　运动仿真

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。

4应用实例

DECKEL MAHO公司的DMU 125P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，其结构形式如图6所示，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。

图6　125P立式加工状态

本文以VERICUT软件为平台，构建了DMU 125P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[4]，如图7所示；然后建立机床的数字模型，如图8所示；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，如图9所示。

图7　DMU125P机床拓扑结构关系

图8　DMU125P机床数字模型

图9　DMU125P机床虚拟仿真加工环境

5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。

参考文献:

[1] 王先逵. 计算机辅助制造[M]. 北京：清华大学出版社，1998.

[2] 马云龙. 数控机床加工仿真系统VERICUT[M]. 西安：西安交通大学出版社，2005.

[3] 张冲，汪方宝，等. 基于VERICUT的虚拟制造技术应用[M]. 合肥：合肥工业大学学报(自然科学版) 2004.

[4] 廖桂波，张林，等. VERICUT在数控加工技术培训中技巧[M]. 2005.

Discussion on Applications of Simulation Technology in CNC Manufacturing

SONG Jian, YAN Shi-xiao

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

Abstract:The virtual simulation technology is used to check the CNC manufacturing process based on establishing the virtual simulation system, in which the real manufacturing environment can be miniched. The paper mainly introduces the architecture, machine modeling, and simulation functions of the simulation system based on CAD/CAM and describes the real process for example.

Keywords:virtual simulation; CNC manufacturing; VERICUT

中图分类号：TH164;TP391.9

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0095-03

作者简介：宋健(1978-)，男，安徽滁州人，硕士，主要从事数控加工及数字化制造技术研究。

收稿日期：2014-11-04 2014-08-04