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0引言

先進的五軸五聯(lián)動數(shù)控加工中心在復雜零部件的生產(chǎn)制造方面具有明顯的優(yōu)勢和重要現(xiàn)實意義。UG軟件是SIEMENS公司開發(fā)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(xiàn)數(shù)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(huán)指令、宏程序調(diào)用、子程序調(diào)用；同時可以檢測機床部件、夾具、刀具、零件之間的碰撞。技術(shù)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(yè)的生產(chǎn)效能。
本文運用UG軟件進行TOM1060型五軸聯(lián)動加工中心的虛擬機床及后置處理開發(fā)。

1構(gòu)建虛擬機床模型

TOM1060型五軸加工中心配備SIEMENS840D sl 數(shù)控系統(tǒng)，采用雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)。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(chuàng) 建模型數(shù)據(jù)；其次運用裝配功能將各部件裝配成完整的機床模型數(shù)據(jù)，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(gòu)建。

2創(chuàng)建虛擬機床運動模型

虛擬機床模型構(gòu)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(lián)結(jié)點。仿真過程將利用運動模型和機床驅(qū)動器提供的信息使機床運動起來。

雙轉(zhuǎn)臺型五軸加工中心的運動模型創(chuàng)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(lián)結(jié)點CP、第五軸聯(lián)結(jié)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(shù)	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(chuàng)建（如圖4所示），在虛擬NC控制 (Virtual N/C Controller)選項中勾選創(chuàng)建虛擬N/C控制 (Generate Virtual N/C Controller),在VNC Commands 中創(chuàng)建控制命令（如圖5所示）。

運用UG軟件機床構(gòu)建器功能（MTB)為機床定義運動模型。MTB通過運動樹結(jié)構(gòu)創(chuàng)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。

3創(chuàng)建虛擬機床驅(qū)動器（后置開發(fā)）

機床驅(qū)動器（MTD)創(chuàng)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(qū)動器（NX標準安裝帶有12臺普通的MTD)。若要創(chuàng)建一臺新的機床，可以修改現(xiàn)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(shù)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(qū) 動器（MTD)功能可以創(chuàng)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(fā)。MTD可以模仿特定的循環(huán)、用戶自定義的事件、宏和其他和CNC控制器有關而加工環(huán)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(tǒng)具有刀具跟隨點加工功能（TPCP)，因此需要針對五軸聯(lián)動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換關系如圖6所示。根據(jù)對應關系運用TCL編程語言，根據(jù)關系結(jié)構(gòu)采用判斷語言指令編寫控制代碼 (如圖7所示）。

4測試虛擬機床仿真加工

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(lián)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(lián)動轉(zhuǎn)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(chǎn)加工安全，提升生產(chǎn)效率。

銑刀盤使用聯(lián)結(jié)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(jié)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(shù)可以開發(fā) 設計出各類五軸聯(lián)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(shù)控加工的全過程，進行數(shù)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(chǎn)品的研制周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文論述了配備 SIEMENS840D系統(tǒng)雙轉(zhuǎn)臺型五軸加工中心虛擬機床開發(fā)過程，可以為雙擺頭型和單擺單轉(zhuǎn)型五軸加工中心虛擬機床開發(fā)提供借鑒和參考。

表2測試結(jié)果

序號	檢測項目	完成情況	對策
1	直線坐標軸行程	Y軸超程	降低零件裝夾高度可以解決
2	A軸坐標軸行程	97.12° <110°	正常
3	機床幾何體碰撞	無碰撞報警	正常
4	五軸定向加工退刀	沿刀具矢量方向退刀	正常
5	五軸聯(lián)動轉(zhuǎn)換角度干涉	有刀槽位加工，A軸旋轉(zhuǎn)角度變換>180°	關閉虛擬機床A軸負角度功能

基于UG的五軸加工中心虛擬機床及后置處理開發(fā)

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