先進的五軸五聯動數控加工中心在復雜零部件的 生產制造方面具有明顯的優勢和重要現實意義。UG軟 件是SIEMENS公司開發的一款CAD/CAM/CAE集成軟 件。該軟件的切削加工集成仿真和驗證功能(IS&V) 可以實現數控機床虛擬加工零件的整個過程(如圖1所 示)。
IS&V可以虛擬仿真機床控制器功能,包括循環指 令、宏程序調用、子程序調用;同時可以檢測機床部 件、夾具、刀具、零件之間的碰撞。技術人員通過運用 IS&V功能可以避免花費昂貴和耗時的空運行檢查,從 而降低成本,減少操作者干涉;通過減少碰撞降低機 床、夾具和工件損壞風險;最終提升企業的生產效能。
本文運用UG軟件進行TOM1060型五軸聯動加工中心的 虛擬機床及后置處理開發。
TOM1060型五軸加工中心配備SIEMENS840D sl 數控系統,采用雙轉臺式五軸聯動結構。各運動軸行 程XYZ1000mmX600mmX500mm,A軸±110'C,C軸 ±180C。
在使用UG軟件進行IS&V時,首先需要運用UG建 模功能按照床身本體(machine_base)、Z軸部件(Z_ slide)、X軸部件(X_slide)、Y軸部件(Y_slide)、
A軸部件(A_table)和C軸部件(C_table)的分類,創 建模型數據;其次運用裝配功能將各部件裝配成完整的 機床模型數據,各裝配體之間建立約束關系,限制自由 度;最后將XYZAC各軸部件設定與真實機床相一致的 初始位置,從而完成虛擬機床模型的構建。
虛擬機床模型構建完成后,需要對其定義運動模型 (Kinematics Model)。運動模型定義裝配零部件之間 的關系,以及軸的名稱、方向、行程和聯結點。仿真過 程將利用運動模型和機床驅動器提供的信息使機床運動 起來。
雙轉臺型五軸加工中心的運動模型創建,需要按 照右手笛卡爾法則設定主軸方向T、第四軸矢量P、第 五軸矢量S、第四軸聯結點CP、第五軸聯結點CS、機床 坐標系M (圖),同時為虛擬機床控制器(VNC)配置 MOM變量名(如圖2、表1所示)。
表1配置MOM變量名
參數 |
mom變量名 |
T |
mom_kin_spindle_axis (-1,0,0) |
P |
mom_kin_4th_axis_vector (0,-1,0) |
S |
mom_kin_5th_axis_vector (0,0,1) |
CP |
mom_kin_4th_axis_point (10,-1,-10) |
CS |
mom_kin_5th_axis_point (8,0,-8) |
M |
mom_kin_machine_zero_offset (9,4,0) |
(ManufacturingApplication)不支持的功能。
TOM1060型五軸加工中心MTD使用UG/POST BUILDER創建(如圖4所示),在虛擬NC控制 (Virtual N/C Controller)選項中勾選創建虛擬N/C控制 (Generate Virtual N/C Controller),在VNC Commands 中創建控制命令(如圖5所示)。
運用UG軟件機床構建器功能(MTB)為機床定義 運動模型。MTB通過運動樹結構創建運動模型。這個運 動樹包含運動部件和其對應關系。運動部件是機床的物 理模型。當父部件運動,其下屬子部件也跟隨運動,關 系如圖3所示。
機床驅動器(MTD)創建模仿CNC控制器的CNC 程序。CNC控制器模仿器(或虛擬NC控制器)是一個 可編程的界面,可以按照實際的運動設定機床模型以及 設定這些運動如何顯示。機床仿真過程中的所有運動和 反饋都由MTD控制。
相比較而言,MTD類似于機床仿真器,而CNC控 制器就類似它控制的機床。對機床庫中的每臺機床都 有一個對應的MTD驅動器(NX標準安裝帶有12臺普通 的MTD)。若要創建一臺新的機床,可以修改現有的 MTD以符合新機床的特點。
TOM1060型五軸加工中心在完成虛擬機床模型和 運動模型設計后,虛擬機床類似于真實的數控機床還要有CNC控制器來控制各類運動。在UG軟件中的機床驅 動器(MTD)功能可以創建模仿CNC控制器的CNC程 序。MTD通過如圖所示,完成虛擬控制的工作流程。 MTD是由TCL腳本語言編寫的,但是也可以使用高級 的語言如C++來開發。MTD可以模仿特定的循環、用戶 自定義的事件、宏和其他和CNC控制器有關而加工環境UG軟件中對于虛擬加工使用的ISO代碼提供了仿 真模擬的標準文件PB_CMD_VNC*.TCL。使用者只 需要從Export中導入使用標準的ISO代碼即可。但是 TOM1060型加工中心所配備SIEMENS840D系統具有刀 具跟隨點加工功能(TPCP),因此需要針對五軸聯動 轉換功能和五軸定向加工功能設計模擬代碼。五軸加工 模式轉換關系如圖6所示。根據對應關系運用TCL編程 語言,根據關系結構采用判斷語言指令編寫控制代碼 (如圖7所示)。
IS&V機床設計完成后,選擇O80mm銑刀盤零件 (如圖8所示),對其測試仿真加工。零件具有五軸定 向加工面、五軸聯動加工面、A軸>90°擺動面特征,
使用該零件測試,可以測試坐標軸行程超程(如圖9所 示)、機床幾何體碰撞、五軸定向加工退刀、五軸聯動 轉換角度干涉等方面在真實加工才能遇到的嚴重問題, 有效保障生產加工安全,提升生產效率。
銑刀盤使用聯結功能定位在需要測試的虛擬機床 上,打開“機床仿真”功能,首先設定“顯示3D材料 移除”和“碰撞檢測”組件;然后在“可視化動畫” 中,選擇機床代碼仿真;最后點選“播放”功能,虛擬 加工仿真動畫自動進行直至結束。通過測試得到如表2 所示。
基于UG的集成仿真和驗證(IS&V)技術可以開發 設計出各類五軸聯動加工虛擬機床和車銑復合加工虛 擬機床。使用與真實機床一致的虛擬機床,形象直觀地 模擬數控加工的全過程,進行數控程序的檢驗,分析 零件的可加工性和工序的合理性,從而縮短產品的研 制周期,降低成本,提高產品質量。本文論述了配備 SIEMENS840D系統雙轉臺型五軸加工中心虛擬機床開 發過程,可以為雙擺頭型和單擺單轉型五軸加工中心虛 擬機床開發提供借鑒和參考。
表2測試結果
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