自五轴联动数控加工中心仿真系统开发应用

1、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口的，提高数控加工过程的可幕性。 *U 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

2、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M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F I DIA C20 控制系统的驱动 工作原理，建立数控加工中心仿真工作

3、平台，进行典型回转曲轮轴和蒙皮锻金工 艺装备五轴联动铳切的加，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、开发研究过程坦？五坐标数控加工中心加工仿真系统技术研究A 比较同类型仿真系统现状， U 前技术能力可以建立儿何仿真系统，模拟计具切削速度、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。4方案制定：首先将 VER I CUT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。a基础工作调试准备。首先建立VERICUT与CATIA机床模拟

4、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：血 En t r y point for CAT IA V5<>ub C a t Main() C ATI A. SystemS e r vice ? E xecute B ackgro u ndP r oces s u s H C: cgtech54w indowsc o mma n d s C ATV ? bat ”End Sub)运行宏与VERICUT数控仿真平台联接，其中 “De sig n表示加工元素数 模，"Stock”表示毛坯数模(包括复杂模段件 八 而“F

5、ixtures”表示夹具数模 联接至VER ICUT数控仿真系统。(2)建立机床主结构框架模型装配结构。金机床模型的构建要依据以下儿个步骤: 通过测量真实部件的尺寸来获得相应尺寸； M 根据尺寸对机床各个部件进行实体造型； 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； *进行机床模型运动参数的设置。金以 CATIA V5 的“ NC 机器工具构建模块”为基础，进行复杂儿何实体造型，弥 补VERICUT 5.4 系统儿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（6 000

6、mmX 2 50OmmX 4 00mm ）o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。金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 轴部件为土1 10 °摆动，工作台和主轴存储箱为固定基准主体。肚（ 3 ）机床主机构模型文 件联接导入VERICUT 系统环境。以机床工

7、作台（Base）主参考体测按（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 t ree"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（ f i d i a20. c t 1 文件）与数控机床构造文件（ FO REST-LINE.meh 文件），模拟FI D IA C20数控指令系统，翻译识别检查 FI DIAC2 0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。讯

8、 4）机床主机构模型运动关系设置。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- L I NE 五坐标数 控机床文件（ FOREST-LINE, meh 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 4o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

9、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。必（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（Stoc k）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（Fixt u re

10、）联接结构树接口可以宜接读取，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。4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 具儿何特征添加。刀具的分类一般按功能定义: 铳刀、中心钻、钻和锂刀。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儿何结构功能特征分类，采用数据库优化管理所使用的刀具。24五坐标数控仿真系统技术应用研究一（1）五坐标数控加工 G 代码程序

11、与数控控制系统连接设置调试。血山于实际数 控机床选用的是 FIDIA2 0 数控指令系统，因此五轴联动加工过程中为便于系统 空间儿何运算，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，FI D IA20 数控指令系统的设置应与机床控制系统选项匹 配。山（ 2）五坐标数控仿真系统应用测试。一图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 50 0 mmX2 5 3 5mmX 54 5 mm, 其中成型面为复杂双曲面，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- 2227. 081, Y

12、6 79. 1 16, Z5 5 3.4 1 7o 位置主轴角度为：A33 3 °,C-17 3 . 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。墩 1 G9 6 G90N2 GOO X0. 0 Y0. 0 Z 1 0 0.0 A 0 C 0N3 G40 M08N4 T0M06No GO 0 X29 4 7. 902 Y 1 0 6 8. 768Z506. 92

13、8 A9. 5 99 C6. 8 87 S7 0 M03N6 G01X2951. 8 61 Y107 8.1 6 8 Zo 0 8.439 A9. 7 61 C 6.88 IFl 0 00 mN7 X2 9 5 5.1 3 5 Y10 8 7. 65 7 Z5 1 0.0 0 6A9? 92 8 C6. 875逝 8 X 2 9 5 7. 7 2 6 Y10 9 7. 1 7 3 Z5U. 619 A 1 0. 0 9 8 C6.8 6 8N9 X2959. 657 Y110 6 . 654 Z513. 2 69 A10. 271 C6. 86 1 ?N10 X2960. 957 Yll 1

14、6. 0 5 1 Z51 4.945 A 1 0 . 4 46 C 6. 8 54 沁 11 X 29 6 1.652 Y1125. 32 4 Z516. 642 A10. 6 21 C 6.847墩 12 X29 6 1. 751 Y1134. 44 Z5 1 8. 351 A10. 798 C6. 84墩 13 X2 9 61. 18 8 YU45. 135Z520. 41 A 1 1. 0 0 9 C6. 8 32 AN 1 4 X 2 9 59. 884 Y1 1 5 5.53 Z522- 4 6 8 A 1 1. 2 18 C6. 825N1 5 X 2 957. 9 1 8 Y1

15、1 6 5. 60 2 Z524. 51 7 All. 4 25 C6. 82 mN 16X295 5.33 6 Y117 5 . 3 35 Z526. 55 Al 1. 628 C6. 8 15N17 X2 9 52. 165 Y I 18 4 .713 Z528. 561 Al 1 . 828 C 6.812N 1 8 X2 948. 4 28 Y 1 193. 71 7Z530. 543 A12. 0 2 5 Y19 X2 9 44. 203Y1202. 356 Z53 2. 4 93 Al 2. 2 1 8 刚 20 X293 9 . 488 Y 1 210. 611 Z 5 3 4

16、. 4 04 A1 2. 408 C6. 814 沁 2 1 X293 3.417 Y1219. 7 52 Z 5 36. 5 7 9 A12. 625 C6. 81 8*N22 X2927. 72 7 Y 1 2 27. 143 Z5 3 8.387 A 1 2.806 C6. 8 2 3 八N23 X29 2 1 . 65 3 Y12 3 4. 14 8 Z540. 14 5A12. 982 C6. 829N24 X291 4 . 075 Y 1 2 4 1 . 802Z 5 42. 1 2 A13. 181 C6. 8 3 7N25 X2907. 149Y1247. 87 6Z543.

17、73 6 A 1 3.34 5C6. 84 5N26 X2899. 8 95 Y12 5 3. 546Z545. 2 8 6 A 13. 504 C6.852墩 27 X2890. 995 Y 1259. 59 7 Z5 4 6.9 9 6 Al 3 . 68 C6. 86 1N2 8X28 8 2. 992Y126 4 . 2 5 6 Z548. 362 A I 3. 821C6. 868N2 9 X 28 7 4.6 9Y12 6 8. 464 Z549. 64 A 1 3 . 9 5 2 C6. 873N 3 0 X28 6 6. 0 7 9 Y 127 2 . 1 7 3 Z550.

18、816 A14. 073 C6. 8 7831 X2857. 17Y1275. 3 54 Z 55 I. 88 Al 4 . 182 C6. 882 ?N32 X 2 8 4 7.98 4 Y1278. 0 09 Z 5 52. 827 A 14. 278 C6.88 6N33 X2 8 38. 5 3 Y 1 2 80. 104 Z 5 5 3. 648 Al 4. 3 6 2C6. 888aN 34 X2828. 82 Y1 2 81. 5 98 Z554. 328A14. 4 31 C6. 89N35 X 2 818. 873 Y1282. 453 Z55 4. 854 Al 4 . 4 8 5N36 X 2 8 08. 7 I 3 Y1 2 8 2 . 6 48Z555. 22 A14. 523墩 37 X2798. 36 4 Y12 82. 14 3 Z55