五轴联动数控加工中心仿真系统开发应用
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本文由气动隔膜泵 铝合金铸造 联合整理发布 五轴联动数控加工中心仿真系统开发应用
摘要：本文所涉及的数控加工系统是基于 CATIA V5 的功能模块建立的，通过对动龙门五轴联动的实体测量、建模、组装和整机模拟，实现数控加工过程的仿真。同时根据本行业实际生产技术需要，结合 VER- ICUTR 软件零件切削过程仿真验证优势，建立 CATIA 与 VERICUT 两软件平台之间的宏联结，实现将机床运行数控程序过程中的过切、干涉、碰撞和欠切等错误消除在设计阶段的目的，提高数控加工过程的可靠性。
目前大型数控五轴联动在科研生产过程中，主要用于进行大型复杂航空零部件与工艺装备制造加工，因空间结构复杂，外形体积大，常出现零件首件过切，未加工到位，机床与零件或工装干涉，模锻件装夹定位不准确和加工超行程等问题，仅凭借数控编程技术人员个人经验，工作量庞大且复杂，难以克服。
针对五坐标数控加工机床控制系统不具有数控加工过程的动态模拟仿真功能，笔者结合虚拟制造技术，在计算机辅助制造软件(VERICUT 5.4)平台基础上，开发了数控加工机床仿真系统模块。该仿真系统可以在NC代码的驱动下运行，用以观察数控机床部件运动和零件的加工成形过程中空间运动状况，验证加工程序G代码的正确性，防止实际加工过程中干涉和碰撞等故障发生。
该系统旨在以五坐标数控机床为验证工作机，研究FIDIA C20控制系统的驱动工作原理，建立数控加工中心仿真工作平台，进行典型回转曲轮轴和蒙皮钣金工艺装备五轴联动铣切的加工过程模拟。涉及到仿真工作环境下的大型工艺装备装夹定位，确定数控参数库，模拟数控加工程序的运行 过程等。
一、开发研究过程
1.五坐标数控加工中心加工仿真系统技术研究
比较同类型仿真系统现状，目前技术能力可以建立几何仿真系统，模拟计算刀具切削速度、切削量和切削时间等。
(1)软件系统研究方案制定与基础工作调试准备。
①方案制定：首先将 VERICUT 与 CATIA 软件功能模块测试验证联接;然后建立五轴联动数控加工中心机床结构与运动关系分析;最后生成五轴联动数控加工中心模拟系统。
②基础工作调试准备。首先建立 VERICUT 与 CATIA 机床模拟器软件模块数据转换接口，在CATIA V5R15“加工模拟” 环境模块内建立宏编辑器，文本文件如下：
{' Entry point for CATIA V5
本文由气动隔膜泵 铝合金铸造 联合整理发布 Sub CatMain() CATIA.SystemService.ExecuteBackgroundProcessus
"C:\cgtech54\windows\commands\CATV.bat"
End Sub)｝
运行宏与 VERICUT 数控仿真平台联接，其中“Design”表示加工元素数模，“Stock”表示毛坯数模(包括复杂模段件)，而“Fixtures”表示夹具数模联接至 VERICUT 数控仿真系统。
(2)建立机床主结构框架模型装配结构。
机床模型的构建要依据以下几个步骤：
① 通过测量真实部件的尺寸来获得相应尺寸;
② 根据尺寸对机床各个部件进行实体造型;
③ 根据所建立的机床部件实体在 NC 机床构建模块里进行组装;
④ 进行机床模型运动参数的设置。
以CATIA V5的“NC机器工具构建模块”为基础，进行复杂几何实体造型，弥补
VERICUT 5.4 系统几何造型设计功能不足问题，建立机床框架模型装配主结构。机床框架主结构模型建立说明如图1 所示。
以工作台上顶面几何中心为设计基准，建立工作台(Base)尺寸(6000mm×2500mm×400mm)。带双侧导轨、X轴部件、Y轴部件、Z轴部件、C轴部件、A轴部件、主轴部件和电主轴存储箱，所有这些机床机构部件构成机床装配结构，机床各部件的三维数模文件分别单独保存。
机床框架模型主结构模型装配关系为：以上顶面端面轴中心为数学模型基准原点，保证其与A轴旋转中心距为230mm(机床手册查取后现场测量验证)。其中，X 轴部件、Y 轴部件和Z 轴部件为线性运动，C 轴部件为旋转运动，A 轴部件为±110°摆动，工作台和主轴存储箱为固定基准主体。
(3)机床主机构模型文件联接导入 VERICUT 系统环境。
以机床工作台(Base)主参考体测量，按(图2) 结构树顺序采用相对运动约束关系，建立机床原点静止装配数据模型，完善后转化为*.STL文件。数据分别联接入“Component tree”仿真控制系统结构树，形成五轴联动机构(图3)。
编制数控控制指令系统文件(fidia20.ctl 文件)与数控机床构造文件(FOREST-LINE.mch文件)，模拟FIDIA C20 数控指令系统，翻译识别检查FIDIA
C20系统(GM)指令，驱动结构树内X轴部件、Y 轴部件、Z轴部件(线性运动)、C轴部件(旋转运动)和A轴部件(摆动)同步联合运动。
(4)机床主机构模型运动关系设置。 本文由气动隔膜泵 铝合金铸造 联合整理发布
机床框架主结构模型运动关系说明：以工作台和主轴存储箱为固定基准，其中X轴部件、Y轴部件和Z轴部件为线性运动，C轴部件为旋转运动±360°，A 轴部件为±110° 摆动，建立运动约束关系。同时按编制的FOREST-LINE五坐标数控机床文件(FOREST-LINE.mch 文件)，模拟机床实体机构运动过程，机床的空间运行状态同步显示如图4。
设置机床仿真系统工作行程软边界：X 轴、Y 轴、Z 轴、C 轴和 A 轴工作行程的上下边界如图 5 所示。
其中，图5所示为在执行蒙皮成型工艺装备五轴联动划线时，Z向超过行程，则仿真系统显示机床 Z 向运动机构为红色报警。执行蒙皮五轴联动划线和钻孔加工时，工艺实施要考虑到空间位置的 X 轴、Y 轴和 Z 轴，包括 A 轴和 C 轴的角度运动行程状态，此时仿真系统可显示机床 X 轴、Y 轴、Z 轴、A 轴和 C 轴中任意运动机构过行程红色报警提示。
(5)零件模型、模锻件模型与夹具模型定位仿真加工。
在仿真控制系统结构树内填加夹具(Fixture)和毛坯(Stock)联接树结构接口，分别定义空间位置并进行位置装配约束，进行调用拼装组合夹具定位(图6) 或模锻件定位(图7)加工。
应用说明：夹具(Fixture)联接结构树接口可以直接读取，其中专用工装夹具可以与公司产品相应工艺装备文件连接。标准组合夹具可以直接调用拼装夹具标准件库，然后在仿真系统内组合装配应用。
(6)机床附件数学模型定义。
在刀具库(图8) 当中建立读入功能，这样有利于多人模板化应用，从而经过积累形成刀具参数库(GYTOOL.tls 文件)，仿真系统内存有的刀具参数库需按实际刀具几何特征添加。刀具的分类一般按功能定义：铣刀、中心钻、钻和镗刀。
仿真加工中心刀具数据参数库可以按加工工件材料和刀具几何结构功能特征分类，采用数据库优化管理所使用的刀具。
2.五坐标数控仿真系统技术应用研究
(1)五坐标数控加工G代码程序与数控控制系统连接设置调试。
由于实际数控机床选用的是FIDIA20数控指令系统，因此五轴联动加工过程中为便于系统空间几何运算，采用绝对坐标和刀具中心端点为转心的模式进行后置处理程序G代码指令的过程模拟，FIDIA20数控指令系统的设置应与机床控制系统选项匹配。
(2)五坐标数控仿真系统应用测试。
图9所示为蒙皮零件成型工装五轴联动加工投产前，在五坐标数控仿真系统内模拟应用。该零件的工艺装备最大外形10 500mm×2 535mm×545mm，其中成型面本文由气动隔膜泵 铝合金铸造 联合整理发布 为复杂双曲面，采用长度方向两侧局部拼接加工。在五轴联动加工时，边界为：X-2 227.081，Y 679.116，Z553.417。位置主轴角度为：A -16.333°， C-173.124°，工装定位未超出机床工作行程。通过仿真系统分析两次定位模拟加工，显示零件加工过程的直观状态，C 轴部件和 A 轴部件大角度联动空间状态可以在不同视角观测，以验证工艺过程合理性，避免装夹定位不准确导致超程重复工作。
模拟调用五轴联动加工数控程序如下。
N1 G96 G90
N2 G00 X0.0 Y0.0 Z100.0 A0 C0
N3 G40 M08
N4 T0M06
N5 G00 X2947.902 Y1068.768 Z506.928 A9.599 C6.887 S70 M03
N6 G01 X2951.861 Y1078.168 Z508.439 A9.761 C6.881 F1000
N7 X2955.135 Y1087.657 Z510.006 A9.928 C6.875
N8 X2957.726 Y1097.173 Z511.619 A10.098 C6.868
N9 X2959.657 Y1106.654 Z513.269 A10.271 C6.861
N10 X2960.957 Y1116.051 Z514.945 A10.446 C6.854
N11 X2961.652 Y1125.324 Z516.642 A10.621 C6.847
N12 X2961.751 Y1134.44 Z518.351 A10.798 C6.84
N13 X2961.188 Y1145.135 Z520.41 A11.009 C6.832
N14 X2959.884 Y1155.53 Z522.468 A11.218 C6.825
N15 X2957.918 Y1165.602 Z524.517 A11.425 C6.82
N16 X2955.336 Y1175.335 Z526.55 A11.628 C6.815
N17 X2952.165 Y1184.713 Z528.561 A11.828 C6.812
N18 X2948.428 Y1193.717 Z530.543 A12.025
N19 X2944.203 Y1202.356 Z532.493 A12.218
