基于NCSIMUL的五轴机床虚拟仿真技术研究*

陆建军，仲 秋，胡劲松

(1.江苏省盐城技师学院智能制造学院，盐城 224002；2.江苏恒力组合机床有限公司，盐城 224055；3.约翰内斯·海德汉博士(中国)有限公司，北京 101312)

0 引言

在制造行业中，五轴加工机床通常用于加工结构形状复杂，精度要求高的零件，这类零件往往存在加工难度大，加工过程中易发生干涉碰撞、加工错误导致损失巨大等问题，从验证工艺规划的合理性、检验加工程序的正确性、提高机床加工的安全性等角度出发，在零件加工前需要进行首件试切，反复调试程序，优化加工方法。传统试切法费时费力，成本高，且难以保证机床加工的安全性。所以，非常有必要在试切过程中引入虚拟仿真技术，构建虚拟机床用于零件加工干涉碰撞检查，验证数控加工程序，优化切削参数，提高加工效率。曹忠亮等[1]开展了三轴数控仿真加工平台的构建与应用研究，提出了应用VERICUT软件构建虚拟仿真机床的方法，为数控机床的虚拟制造奠定了重要基础。李华芳等[2]在三轴机床已有的成熟的结构上重新构建，添加四轴加工中心所需零部件，开展了构建四轴虚拟机床的方法研究与实践。覃羡烘[3]研究了双转台五轴联动虚拟仿真加工系统，提出了应用VERICUT仿真软件构建虚拟五轴加工中心的方法。李栋等[4]基于实际机床结构应用VERICUT软件成功创建西门子840D五轴卧式机床加工的仿真平台并进行了仿真加工验证。高骏等[5]开展了龙门加工中心建模和仿真关键技术研究，提出了虚拟机床侧面铣削运动构建方法。综上所述国内学者以VERICUT软件为平台构建虚拟机床开展了广泛的研究，为本文的研究奠定了基础。目前，国内针对VERICUT软件的研究较多，以NCSIMUL软件为平台构建虚拟五轴加工中心及应用的研究较少，NCSIMUL软件具有三维加工仿真,程序验证与优化、机床状态实时监测等功能，可以实现混合式编程、一键式编程，定制开发机床本地后置处理器，极大地提高企业机床加工效率。本文以Mikron HEM 500U五轴加工中心为例，分析机床的结构，建立机床的数字模型，在NCSIMUL软件中配置虚拟机床的读取控制器和写入控制器等参数，构建虚拟仿真机床，实现刀轨文件的后置处理、更换加工机床的一键编程、程序验证和优化等仿真加工功能，并以叶轮零件的实际加工验证了虚拟机床的正确性。

1 五轴加工中心的结构与运动关系

1.1 五轴加工中心机床结构参数

如图1所示为Mikron HEM 500U五轴加工中心模型，机床的主要技术参数见表1。

图1 Mikron HEM 500U加工中心的三维模型

表1 机床主要参数表

该五轴加工中心结构为3个直线运动轴X、Y、Z，1个摆动轴B，1个旋转轴C，B轴绕Y轴旋转，C轴绕Z轴旋转。按照机床各个运动部件尺寸数据，应用UGNX软件的建模功能构建五轴加工中心三维数字模型，建模时按照机床回零时各部件的位置关系进行装配，将WCS坐标系原点设置于B轴上台面的回转中心，真实地还原机床运动。三维模型建立后用STL格式或STP格式导出模型文件，导入到NCSIMUL软件中搭建虚拟机床。

1.2 虚拟仿真机床运动轴组件拓扑结构分析

Mikron HEM 500U五轴加工中心模型的传动关系链可分为两部分：直线运动部分与旋转运动部分。X轴是依附于机床床身导轨的横向运动工作台，Y轴是依附于X轴导轨的纵向运动工作台，Z轴是依附于Y轴导轨的垂直运动的滑枕，B轴是依附于机床床身绕Y轴正向在-65°/120°范围内摆动的旋转工作台，C轴是依附于B轴绕Z轴正向可在360°范围内旋转的旋转工作台。在UGNX软件中将各个部分的模型构建好。

1.3 在NCMOTION中构建机床运动和机床模型

NCMOTION应用程序是NCSIMUL软件中用于创建属于机床CAD模型的运动学定义的工具[6]。在NCSIMUL中创建新机床，根据上面关于Mikron HEM 500U五轴加工中心的运动轴组件拓扑结构分析，在NCMOTION工具中配置机床运动。拓扑结构体现机床各个主轴之间的逻辑结构关系和运动学关系，包括各个机床模型相对位置，主轴轴线位置和旋转轴中心等。

(4)机床外壳：为了美观，还可以通过添加机架按钮，添加机床外壳等附加设施。

构建完成后的五轴加工中心虚拟机床结构如图2、图3所示为虚拟机床模型。

图2 五轴加工中心虚拟机床结构 图3 五轴加工中心虚拟机床模型

1.4 设定虚拟五轴加工中心参数

构建虚拟五轴加工中心模型后，需要设定一些必要的参数以确保机床正确运动。

(1)初始机床位置的设定

点击菜单中的“机床”→“初始机床位置”进入编辑窗口。在这个窗口中可以设置每个轴的行程范围，其中，机床零点是设置机床零点MCS坐标系。

(2)特殊位置设置

机床中有一些特殊位置，比如通用位置信息为：TOOLCHANGE、RETRACT1、M91、M92、M140、G28、G30、SUPA等，可以使用菜单“机床”下拉菜单中的“特殊位置”功能进行定义。

(3)机床属性设置

完成机床运动学描述定义后，必须使用菜单“机床”→“机床属性”功能设置相关操作参数，包括“碰撞”、“时间”、“RTCP配置”、“零符号”、“主轴参数设定”、“工作台参数设置”、“轴旋转参数设置”、“线性轴参数”等。

1.5 虚拟五轴加工中心机床碰撞检测

构建好Mikron HEM 500U虚拟五轴加工中心模型后，还需要检测机床运动学关系定义是否正确，检查机床各主轴的运动方式及行程与实际机床是否一致，机床各个组件之间是否存在干涉。在NCMOTION中应用手动模式(Alt+M)拖动各个部件，检查其运动方式与实际机床的一致性，是否存在碰撞、超程等现象，从而完成机床运动学关系的定义。

2 构建五轴加工中心环境

2.1 配置虚拟机床控制系统的读取控制器

虚拟机床控制系统的读取控制器负责解释数控加工程序代码，Mikron HEM 500U五轴加工中心使用的Heidenhain iTNC530控制系统，可以直接从机床系统库中调用Heidenhain iTNC530通用控制系统，再结合机床控制系统实际参数进行调整，完成对机床常规、关联、公差、运动/控制器的参数配置。将数控程序导入虚拟机床，即可实现机床的仿真加工，达到验证数控程序和加工工艺的目的。

2.2 配置写入控制器(本地后处理器)

NCSIMUL 4CAM模块可以应用本地后处理器将CAM软件生成的APT刀位源文件转换成机床控制系统识别的加工程序，在NCSIMUL软件中定义Mikron HEM 500U五轴加工中心写入控制器(后置处理器)。针对Mikron HEM 500U五轴数控机床的结构特点和运动关系，建立运动学模型[7-11]如图4所示。

图4 Mikron HEM 500U机床运动学模型

CAM软件基于工件坐标系生成APT刀位源文件，刀位源文件中包含刀具中心点坐标(x,y,z)和刀轴矢量(I,j,k)等信息，经过写入控制器(本地后处理器)处理后，得到驱动机床直线轴运动坐标(X,Y,Z)和旋转轴运动坐标(θB,θC),根据Mikron HEM 500U机床运动学模型，建立其运动学方程[7-13]：T=TC·TB·TXYZ。其中，TC、TB、TXYZ分别为坐标系变换的齐次矩阵，式中：

(1)

(2)

(3)

将式(1)～式(3)代入，得到：

(4)

用[0 0 0 1]T和[0 0 1 0]T分别代表刀具初始位置和初始刀轴矢量；x、y、z表示工件坐标；i、j、k表示刀轴矢量，可以得到：

[xyz1]T=T×[0 0 0 1]T

(5)

[ijk0]T=T×[0 0 1 0]T

(6)

经计算后可得：

(7)

(8)

由式(8)逆解可得B-C的转角计算公式为：

根据计算结果，结合实际机床的系统特性，选择Heidenhain iTNC530通用控制系统模板，在此基础上配置写入控制器。配置好本地后处理器后，可以将CAM软件生成的APT刀轨文件直接导入虚拟机床，由NCSIMUL软件的本地后处理器生成NC代码，实现仿真加工。

2.3 构建虚拟刀具库

为了精确仿真加工过程，NCSIMUL软件需要对切削刀具进行几何描述，建立切削刀具模型文件，构建虚拟刀具库。构建刀具时可以通过NCSIMUL软件与CAD/CAM系统的接口，将CAD/CAM软件中建好的切削刀具传输到NCSIMUL刀具库中，也可以借助NCSIMUL刀具库，根据实际加工刀具选择刀具的类型，编辑刀具参数后保存到NCSIMUL刀具库。

3 叶轮零件的五轴加工仿真过程

以叶轮零件五轴加工仿真过程为例，如图5～图7所示，在UGNX软件中建立叶轮零件模型后，生成加工刀具路径后输出APT刀位源文件。在NCSIMUL软件中分别调入毛坯、零件和夹具的三维模型，创建安装坐标系和加工坐标系，导入APT刀位源文件，NCSIMUL软件自动从刀位源文件中提取刀具信息，刀位源文件经写入控制器(本地后处理器)转换为NC加工程序，模拟仿真优化后传到机床进行加工。

图5 叶轮零件五轴加工刀具路径

图6 叶轮零件虚拟仿真加工

图7 叶轮零件实际加工结果

4 仿真结果

NCSIMUL软件的写入控制器能够将APT刀位源文件转换成NC代码，仿真过程中能够模拟机床的运动情况和刀具切削的真实过程，实时监测机床的运行状态，有效避免加工过程中的干涉、碰撞、过切以及欠切等情况，对刀具路径进行有效验证和优化，提高了机床效能，节省了开发周期。

5 结论

本文研究了双摆台五轴加工中心机床逻辑结构关系和运动学关系，提出了应用NCSIMUL软件构建虚拟五轴加工中心的方法。以Mikron HEM 500U五轴加工中心为例，通过机床三维建模、配置虚拟五轴加工中心环境，构建了五轴加工中心虚拟仿真平台，在虚拟机床下进行叶轮零件的五轴仿真加工，检验了叶轮零件的加工效果，通过实际机床加工，验证了仿真加工的可靠性。研究结果表明在基于NCSIMUL软件构建的虚拟仿真环境中能够实现NC加工代码转换，五轴联动加工，机床干涉碰撞检查，加工工艺优化，可以减少试切时间，验证NC代码的正确性，从而有效提高了机床生产效率。