五轴数控机床虚拟模型的开发

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数控加工仿真技术是现代先进制造技术的研究热点，五轴联动曲面加工由于机床运动轴数多，刀具轨迹复杂。特别是铣头式机床在曲面加工时，不仅要考察刀具的运动与干涉 ，特别需要考察铣头结构在切削过程中的运动位置，连带刀具加工时 ，工艺参数的设置是否合理，是否与加工零件和所漾床碰撞、是否产生过切或欠切等现象¤助图形的实体机床加工过程仿真能够更加接近实际加工环境，提供了-种集分析、计算于-体的可视化加工仿真系统，制定、优化加工工艺流程的辅助手段 ，取代传统工艺试切的方法，达到提高加工效率和产品质量，缩短加工周期的目的。

借助基于实体机床进行虚拟制造及数控加工仿真软件VERCUT，对使用中的铣头式五轴机床建模，模拟加工。虚拟环境和实体机绰真系统能够真实反映加工过程中刀具运动轨迹、工件过切情况和刀具、夹具运动干涉等错误 ，可以直接代替实际加工过程中试切的工件，提供了对刀位轨迹和加工工艺优化处理的功能，可以提高零件的加工效率和机床的利用率l，保证数控程序的正确性和加工过程的安全性。

2五轴数控机床原型机床 SK1216是-种典型的龙门式双摆头五轴铣床，如图 1所示。机床采用工作台固定 、动梁龙门式结构，两个旋转轴设计在主轴上，通过主轴回转与摆动完成进给工作，用于加工复杂型腔、型面及复杂曲面等大型零部件。机床的主要技术参数，如表1所示图 1五轴数控机床 SK1216Fig.1 Five-Axis CNC Machine Tools SK1216来稿 日期：2012～11-27基金项目：北京市科技计划项目D 1 1 10400260000作者简介：王宏志，1987-，男，山西朔州人，硕士研究生，主要研究方向：数控技术与装备：杨庆东 ，1984-，男，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向：数控技术与装备204 王宏志等：五轴数控机床虚拟模型的开发 第9期表 1 SK216主要技术参数Tab.1 Main Technica Parameters 0f SK21 6工作台尺寸 770x1000mm工作行程：X/Y/Z轴MC轴快速位移最大切削速度主轴转速主轴功率刀具可夹直径主轴端面至工作台最朽离外型 寸700xO00x350mmA轴：-9oo～90C轴：连续转角15m/rain1Om/min200018000rpm5kW3～16mm165/315mm2170xl960ram3机床结构分析根据 SK1216创建五轴机床结构 ，如图2所示。机床各工作轴结构特点如下：y轴工作台依附在机床底座上， 轴滑枕依附在 y轴上，而Z轴滑枕依附在 轴上，Z轴滑枕上配置五轴联动铣头，即 A、C旋转轴依附在z轴上。另外，刀具依附在主轴上，主轴依附在z轴上，夹具和工件依附在固定工作台。

曲图2五轴机床结构Fig.2 Five--Axis Machine Tool Structure4虚拟机床模型构建4.1定义机床组件结构树由前述五轴数控机床结构特点可知，其结构主要由机床基体、前后运动部件y轴、左右运动部件 轴、上下运动部件z轴、主轴回转与摆动部件 C轴和A轴以及主轴等部件组成。根据各部件之间的运动关系和位置关系，构建机床组件结构树 ，如图 3所示。

图3机床组件结构树Fig.3 Machine Components Tree4.2添加几何模型机床各部件的几何模型经 CAD软件建立后，转化成.stl格式文件，根据建立的机床组件结构树，依次导入 VERCUT，与机床组件结构树中各部件相对应。通过对各部件几何模型进行移动、旋转、组合、矩阵转换、坐标系设定等，确定模型问的相互位置关系及运动关系，最终完成的机床模型，如图 4所示。

图4机床模型Fig.4 Machine Model4.3机床参数设置机床参数的设置主要包括机床的初始位置、各坐标轴的行程极限和碰撞检测设置、数控系统配置、刀具设置 、夹具及毛坯设置、数控程序设置等。

4.3.1初 始位 置设 置VERCUT中的机床位置表用来描述机床的初始位置和机床换刀时机床怎样移动。参考SK1216机床，设置机床的初始位置在 X-700 Y-1000 Z0。选择配置”-机床设定”-表”对话框，在位置名”列表框中选择初始机床位置”，并在值”文本框内输入X-700 Y-1000 Z0”，其他设置为系统默认。

4.3.2行程极限和碰撞检测设置在仿真过程中，碰撞检测能够检查可能发生碰撞的部件，通过配置”-机床设定”中的行程极限”和碰撞检测”，可以将实际加工效果更好的模拟出来。

4.33数控 系统配置VERCUT系统自带多种控制系统文件，集成了目前制造业中各类机床的数控系统 ，例 如 HEDENHAN、CNCNNAT、FANUC、PH1 LPS和 SEMENS等∝制系统的文件为cl格式，用户可以根据自身需要调用合适的控制系统文件。在 配置”-控制”-打开控制文件”选择 hei530.ctl作为该机床的数控系统文件。

4.3.4 刀具设置打开刀具管理”对话框 ，可以定制加工过程中所需的各种刀具，通过制订刀具类型、长度、直径、刀具装夹点以及对刀点等信息，并将这些信息以.t1s格式文件存储在刀具库中，然后调用以仿真切削工件。

4.3.5夹具及毛坯设置对于SK1216，夹具和工件依附在固定工作台上，结合实际加工位置 ，夹具和毛坯的几何模型应该定义在相应的位置，即毛坯的几何模型须添加在机床组件树的Stock”节点下，并依次设定其位置和角度参数。而夹具则应添加到Fixture”节点下，同样要设定其位置和角度参数。