数字化虚拟制造在数控可转位刀具加工中的应用

1 引言

　　数字化虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物，它集制造技术、机床数控理论、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和建模与仿真技术于一体。在设计新力一案或更改力一案时，能够在真实制造运行之前进行数控机床的虚拟设计，在虚拟环境中进行零件的数控加工，并对数控程序加以检验，检查数控加工过程中可能出现的碰撞、十涉危险，分析零件的可加工性和工序的合理性。虚拟加工技术的采用可缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品质量和生产效率。

2 虚拟制造在数控刀具加工中的应用

　　在金属加工领域，越来越多的数控机床被广大客户所采用，为了适应高精度和高速度的加工力一式，数控刀具变得越来越复杂，刀具制造商普遍采用多轴数控加工中心来制造数控可转位刀具。在刀具制造过程中，对于各种不同类型的产品其容屑槽形式、刀片位置和切削角度等各不相同，而且在加工过程中也易发生十涉。由于数控加工过程隐含在数控程序中，而数控程序中的错误不容易发现，通常采用计算机图形模拟刀具轨迹显示法和机床试切法对数控程序进行校验，但两者均有缺陷。计算机图形模拟刀具轨迹显示法缺少真实感，难以发现刀具与工件的十涉和过切;试切法成本高，周期长，因此采用虚拟加工技术可有效解决很多问题。

3 系统结构

　　　数控加工程序编制系统主要由刀片座、小刀座排屑槽和冷却孔模型按照不同刀具的设计要求进才科学的排列组合，结合加工过程中使用的不同机T夹具编制数控加工程序。口前采用瓦尔特公司自斯的VEROS数控刀具加工程序编制系统，可在三维l向对被加工刀具进行编辑并生成加工程序。

　　虚拟加工环境包括机床、被加工刀体(工件)、加工用刀具和夹具模型，通过AutoCAD和EM-REALNC的组合对机床、工件、夹具进行建模，结合TDM刀具管理系统所包含的刀具参数进行建模，完蔡组成了虚拟加工环境。

　　刀具虚拟加工过程包括数控加工程序译码、三维动画仿真、碰撞十涉检验、加工时间统计和加工精度仿真。

4 虚拟加工过程的建模

　　4.1 机床建模

　　虚拟机床是虚拟加工过程的载体和核心，由几何模型和运动模型构成。该机床以德国DMC公司的MAH0600 C机床为蓝本，图中虚拟机床中有两个小标系:泪L床的绝对小标系和虚拟环境的图形显示小标系。该机床为五轴联动加工中心，下部床身作X及Y向平移运动，加工用切削刀具安装在机床主轴上作Z向平移运动，安装于床身上部的旋转部分分别作A向及B向旋转运动。由于被加工工件的装夹零点位置固定，故将机床小标系的原点定在工件的装夹零点位置(柄部端而中心点)，将图形小标系的原点定在工作台安装而的中心。

　　虚拟机床的虚拟运动由各运动部件的平动、转动及相句_间的联动构成。采用插补算法可将多个运动部件的联动转化为单运动部件的平动或转动。因此，虚拟机床的运动可通过对部件进行平移和旋转变化来实现。虚拟运动速度由平移和旋转的步距值控制。

　　运动过程的建模采用而向对象的虚拟现实建模语言VRML来完成。具体来说即利用VRML语言将每一个运动部件定义为一个运动对象，这样每一个运动对象在VRML语言中可看成是一个节点，一个节点包括一组它能接受和发送的事件，如改变位置(平移或旋转)和改变颜色的事件等。加工过程的每一场景可以定义为一组节点，完蔡的加工过程则为一系列场景的集合。

　　4.2 被加工工件和加工用刀具的建模

　　被加工刀体(工件)的模型采用AutoCAD绘制后在REAL NC系统中转化成三维实体模型。加工用刀具模型则采用WALTER公司的TDM刀具管理软件与REAL NC链接，通过在TDM系统中输入各种不同类型刀具的长度、直径、柄部形状、刀尖圆角、材质等刀具常用切削参数，预计刀具加工寿命等一系列数据，绘制出CAD图形，再链接TDM和REAL NC系统，在REAL NC系统调用刀具时自动转化成三维刀具实体模型。

5 虚拟加工过程的仿真

　　5.1虚拟加工过程仿真的动画实现

　　一般来讲动画实现有两种力一式:一种是逐帧动画，另一种是实时动画。逐帧动画就是当计算机每生成一幅画而时就及时地将它记录下来，最后再将所有画而连续地插放出来，其优点是显示速度较快，缺点是不能根据用户的要求交句_改变，应用范围比较小。实时动画是一边计算一边在计算机终端上直接产生的动画，其优点是交句_能力强，可以根据用户的要求实时改变画而，但对计算机的图形处理能力有更高要求。REAL NC系统采用实时动画力一式对蔡个加工过程进行了全而模拟。

　　由于采用五轴联动机床进行加工，因此对计算机的计算能力和图形处理能力要求较高。口前采用WINDOWS2000操作系统，硬件P4.1.7C CPU， ELSA独立显片及1M显存。

　　5.2虚拟加工过程仿真形式

　　虚拟加工过程的仿真采用两种形式:(1)机床、工件及刀具运动过程仿真。将工件安装在机床工作台上，加工程序运行包含各轴运动轨迹分解为机床各运动部件的运动，口的是直观检验刀具与机床部件及被加工工件间的碰撞和十涉，计算加工时间和优化加工过程。(2)材料一去除过程仿真。刀具按其运动轨迹对毛坯进行材料一切除，口的是模拟实际的切削过程，生成产品加工结果模型，对加工精度和可加工性进行评估。在该仿真过程中不考虑切削力、夹紧力和切削热，只是将刀具与工件间的相对位移与刀具的理论运动轨迹臀加的几何仿真，使所生成的产品加工结果模型能反映动态因素对加工质量的影响。通过采用不同的颜色对刀具加工的各部位进行标识，可以更精密地对每一把刀具加工的每一句程序进行分析。

　　5.3 虚拟加工过程仿真的测量

　　REAL NC提供了多种测量工具，可以测量各个力一向的距离、角度、被加工部分的体积等。

6 结语

　　通过在数控刀具加工中运用虚拟加工，可以全而、逼真地反映现实的加工环境和加工过程，以便针对加工过程中出现的碰撞、十涉提供报警信息，优化加工过程，减少实际加工前的准备工作时间，缩短产品开发和制造周期，降低生产成本，同时也可以有效地对程序编制人员和数控机床操作员进行培训。