專利名稱：一種雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)控加工技術領域，特別是涉及一種雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法。
背景技術：
在制造業(yè)中，自由曲面通常都是通過五軸數(shù)控機床進行加工的。五軸機床是在通常使用的三軸機床的基礎上增加另外兩個旋轉軸。其最簡單的五軸機床構成方式為在通用的立式三軸機床上,安裝一個雙轉臺，即構成雙轉臺五軸數(shù)控機床。這兩個旋轉軸提供了更大的靈活性，使得先前不能加工的高質(zhì)量復雜自由曲面的加工成為可能。從切削的效果講，五軸加工有很多優(yōu)點，一是切削效率高，二是加工后工件表面精度高，三是可以減少手工打磨量。然而由于增加了兩個旋轉軸，五軸數(shù)控加工時很容易發(fā)生干涉。干涉可能發(fā)生在運動的刀具(刀具和夾具)和機床之間，如工件和工具夾具。有時候甚至出現(xiàn)在刀具和機床本身之間。這嚴重影響了五軸數(shù)控機床的廣泛應用。虛擬制造技術的發(fā)展使得對數(shù)控加工過程進行計算機仿真成為可能。數(shù)控加工仿真就是利用三維圖形技術對數(shù)控加工過程進行模擬仿真，它已成為CAD / CAM技術的重要組成部分。數(shù)控仿真技術不需要原材料，校驗過程具有敏捷性、直觀性和柔性等特點，尤其是解決了一些大型復雜零件加工無法采用實物驗證的問題。因此，數(shù)控加工仿真方法的研制與應用對于節(jié)約原材料、提高制造業(yè)的技術水平都具有重要的意義。同時，它亦是提高刀具軌跡驗證效率的有效途徑，具有十分可觀的經(jīng)濟價值。五軸數(shù)控機床的加工仿真在一些CAM軟件中已經(jīng)集成,如UG、Cimatron等軟件，這些集成軟件適合于生成數(shù)控代碼，盡管可進行一些加工仿真，但對于數(shù)控代碼中的連接部分代碼無法進行仿真，另外無法定制特有的宏程序仿真，不能對實際機床行程、單位時間體積切削量等參數(shù)進行設置，使數(shù)控仿真的正確性不能得到完全保證。如果采用VC++和OpenGL技術，開發(fā)數(shù)控仿真軟件，其工作量非常大，難度也比較高，對于機床結構發(fā)生局部修改、機床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生變化等，需要重新修改軟件代碼，使仿真效率比較低。如何快速建立雙轉臺五軸數(shù)控機床加工仿真以及在保證仿真正確性前提下提高仿真效率是目前亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中存在的技術缺陷，而提供一種能夠在保證仿真正確性前提下提高仿真效率的雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術方案是一種雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，包括下述步驟(I)建模對機床各運動部件、機床床身、數(shù)控加工中所需毛坯和夾具進行三維建模；
(2)利用Ρι·0/Ε三維平臺根據(jù)運動關系連接機床各運動部件、機床床身進行虛擬裝配先進行局部小組件的裝配，最后對機床總體進行裝配；對于局部小組件的裝配把相互間無相對運動的部件組成一個小裝配體，在裝配圖的環(huán)境下，分別調(diào)入需要裝配的零部件和小裝配體，通過約束條件對各零部件和小裝配體進行位置和方向的約束，三個線性軸采用滑動桿連接方式，兩個旋轉軸采用銷釘連接方式；對機床床身部分采用完全約束方式；(3)虛擬仿真機床運行裝配完成后，制作虛擬裝配得到的裝配體的爆炸圖；同時在Pro/E機構運動環(huán)境下，添加驅動條件，模擬機床運行，通過三維可視化方式確認機床各軸的行程允許范圍；(4)基于同一坐標系輸出STL格式的各個組件模型在Pro/E中完成裝配后，將相互間無相對運動的部件輸出為一個組件，組件的格式為STL格式，有相對運動的部件則分 開進行輸出；在Pro/E輸出部件時，各部件都米用同一坐標系統(tǒng)進行輸出，以A軸和C軸的交點作為輸出坐標系的原點；(5)創(chuàng)建雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型根據(jù)雙轉臺五軸數(shù)控機床結構特點，在VERI⑶T中建立模型樹，模型組件順序為機床床身Base—Y軸一X軸一A軸一C軸一夾具一毛坯和機床床身Base — Z軸一主軸一刀具兩條分支；利用Pro/E所輸出的STL組件模型直接導入到VERICUT中相應部件下，即創(chuàng)建了雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型；(6)運行數(shù)控加工仿真對加工零件建模和數(shù)控編程，根據(jù)雙轉臺五軸機床結構，利用UG/Post Builder建立機床后處理文件，生成數(shù)控程序，進行數(shù)控加工仿真。步驟(6)的后處理設置時機床零點到A軸中心的偏移距離都為0，A軸中心到C軸中心偏移距離也都為O。在建模過程中，對于在機床實際運行時，機床運動部分不會最先接觸到的部件，在不減少該部件幾何空間大小的前提下，做相應簡化，以加快仿真速度。步驟(4)輸出STL格式的各個組件模型時，對于不運動組件，輸出時弦高控制在
0.8mm-l. 5mm,角度控制值控制在0. I度-0. 5度，使生成的三角片面精度低，提高仿真速度；對于運動部件和刀具最容易接觸到的部件，輸出時弦高控制在0. 5mm-0. 8mm，角度控制值控制在0. 01度-0. I度，提高仿真的精度。實際裝夾工件中，如果工件坐標系中心與C軸旋轉中心不重合，在數(shù)控編程時，根據(jù)所測的工件坐標系中心相對于C軸旋轉中心的偏移量，在UG數(shù)控編程時，相應調(diào)整零件模型在編程坐標系的位置，動態(tài)補償裝夾偏差。對于圓形毛坯料，在加工余量足夠的情況下，在精加工前對圓形毛坯周邊精加工，以消除裝夾誤差。步驟(I)中的建模步驟中，對于復雜的夾具和毛坯體在Pro/E中建模，簡單的夾具和毛坯體在VERI⑶T中建模。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是I、本發(fā)明的方法在裝配過程中，把相互間無相對運動的部件組成一個小的裝配體，然后調(diào)入需要裝配的零部件，在保證仿真正確性的前提下提高了仿真效率。能夠早發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，降低制造成本，提高制造精度。
2、本發(fā)明的方法通過“三個線性軸采用滑動桿連接方式，兩個旋轉軸采用銷釘連接方式”的約束條件，在Pro/E的機構仿真中模擬機床運動，便于發(fā)現(xiàn)機床設計問題，滿足實際機床運動部件運行空間要求。3、本發(fā)明的方法對于一些復雜的機床部件，當機床實際運行時，刀具和主軸等運動部件不會最先接觸該部件時，在不減少該部件幾何空間大小的前提下，做相應特征簡化，在保證仿真正確性的前提下提高了數(shù)控加工仿真速度。4、本發(fā)明的方法在整體裝配完后，制作虛擬裝配體的爆炸圖，在Pro/E環(huán)境下的通過自動爆炸視圖或者手動爆炸視圖的方式，把部件里的零件放到合適位置，讓人一目了然的明白零件在部件里的位置關系。5、本發(fā)明的方法在輸出STL格式的各個組件模型時,對于不運動組件,輸出時弦高控制在O. 8mm-l. 5mm,角度控制值可設置O. I度-O. 5度，使生成的三角片面精度低，提高 仿真速度。對于運動部件和刀具最容易接觸到的部件，輸出時弦高控制在O. 5mm-0. 8mm和角度控制值在O. 01度-O. I度，提高仿真的精度。


圖I所示為雙轉臺五軸數(shù)控機床三維模型。圖中1.(軸，2^軸，3]軸，4.￥軸，5·機床床身，6.Z軸。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明一種雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法包括下述步驟(I)建模在Pro/E環(huán)境下，對機床各運動部件、機床床身、數(shù)控加工中所需毛坯和夾具進行三維建模。對于復雜的夾具和毛坯體可以在Pro/E中建模，對于簡單的夾具和毛坯體可以在VERI⑶T中建模。對機床各運動部件進行三維建模首先分析每個部件內(nèi)各零件的特征和層次關系，即對組成部件的零件進行分析，明確零件所需特性、特性的次序、特性的內(nèi)在聯(lián)系以及進行驅動的參數(shù)，以對零件進行尺寸約束和幾何約束。之后，建立零件模型，即在分析零件特征的基礎上，根據(jù)零件的各自特點，創(chuàng)建三維參數(shù)化模型所需的各種特征，建立零件模型。再對各零件模型利用完全約束關系建立部件模型。對于機床床身建?；赑ro/E平臺，通過參數(shù)化建模方法建立機床床身三維模型，為提供在設計過程中更多的靈活性，建立全相關、參數(shù)化的模型。在建模過程中，對于在機床實際運行時，運動部分不會最先接觸的部件，在不減少該部件幾何空間大小的前提下，可以做相應簡化，這樣可加快仿真速度。例如，工作臺面的T型槽、導軌安裝孔等可以不畫出來。圖I所示為雙轉臺五軸數(shù)控機床三維模型，包括C軸1、A軸2、X軸3、Y軸4、機床床身5、Z軸6。(2)利用Ρι·ο/Ε三維平臺根據(jù)運動關系連接裝配機床組件進行虛擬裝配先進行局部小組件的裝配，最后對機床總體進行裝配；對于局部小組件的裝配把相互間無相對運動的部件組成一個小的裝配體，例如床身和附加于床身的導軌可以組成一個小裝配體。在裝配圖的環(huán)境下，分別調(diào)入需要裝配的部件和小裝配體，通過約束條件對各部件和小裝配體進行位置和方向的約束。約束條件為固定安裝和連接等其它安裝方式。固定安裝包括對齊、匹配等，適合于無相對運動部件的裝配，對于存在相對運動的部件可以采用滑動桿或銷釘?shù)冗B接方式。具體為三個線性軸采用滑動桿連接方式，兩個旋轉軸采用銷釘連接方式。這種裝配方式，滿足實際機床運動部件結構要求，便于在Pro/E的機構仿真中模擬機床運動，可發(fā)現(xiàn)機床設計問題。對機床床身部分采用完全約束方式，即機床床身相對地面保持靜止。(3)虛擬仿真機床運行裝配完成后，通過自動爆炸視圖或者手動爆炸視圖的方式制作虛擬裝配得到的裝配體的爆炸圖；同時在Pro/E機構運動環(huán)境下，添加相應驅動條件，模擬機床運行，通過三維可視化方式確認機床各軸的行程允許范圍，此部分仿真，不包括數(shù)控代碼運行仿真，僅模仿機床各軸運行。同時可在Pro/E環(huán)境下，通過自動爆炸視圖或者手動爆炸視圖的方式，把部件里的零件放到合適位置，讓人一目了然的明白零件在部件里的位置關系。
(4)基于同一坐標系輸出STL格式的各個組件模型在Pro/E中完成裝配后，將相互間無相對運動的部件輸出為一個組件，組件的格式為STL格式，有相對運動的部件則分開進行輸出；在Pro/E輸出部件時,各部件都米用同一坐標系統(tǒng)進行輸出，以A軸和C軸的交點作為輸出坐標系的原點。輸出STL格式的各個組件模型時，對于不運動組件，輸出時弦高控制在
0.8mm-l. 5mm，角度控制值可設置0. I度-0. 5度，使生成的三角片面精度低，提高仿真速度。對于運動部件和刀具最容易接觸到的部件，輸出時弦高控制在0. 5mm-0. 8mm,角度控制值在0. OI度-0. I度，提高仿真精度。(5)創(chuàng)建雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型根據(jù)雙轉臺五軸數(shù)控機床結構特點，在VERICUT中建立模型樹，模型組件順序為機床床身Base—Y軸一X軸一A軸一C軸一夾具一毛坯和機床床身Base — Z軸一主軸一刀具兩條分支。因在利用Pro/E輸出STL組件時，都是采用同一坐標系輸出的，可直接把此STL格式組件導入到VERI⑶T中相應部件下，即創(chuàng)建了雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型。導入模型后無需進行坐標位置修改，這樣提高了仿真環(huán)境設置的快速性。(6)運行數(shù)控加工仿真利用編程軟件對加工零件建模和數(shù)控編程，根據(jù)雙轉臺五軸機床結構，利用UG/Post Builder建立機床后處理機床文件，進行仿真加工。因為加工坐標系設置在A、C軸的交點，后處理設置時機床零點到第四軸中心(即A軸中心)的偏移距離都為0，第四軸中心到第五軸中心(即A軸中心到C軸中心)的偏移距離也都為0，這樣可簡化數(shù)控仿真環(huán)境設置。實際裝夾工件中，如果工件坐標系中心與C軸旋轉中心不重合，在數(shù)控編程時，根據(jù)所測的工件坐標系中心相對于C軸旋轉中心的偏移量，在UG數(shù)控編程時，相應調(diào)整零件模型在編程坐標系的位置，動態(tài)補償裝夾偏差。對于圓形毛坯料，在加工余量足夠的情況下，在精加工前對圓形毛坯周邊精加工，以消除裝夾誤差。運行仿真后，可觀察刀具、夾具、轉臺之間是否存在運動干涉，是否有過切。本發(fā)明的方法是基于Pro/E的雙轉臺五軸數(shù)控機床建模與虛擬裝配的方法，它能夠對五軸數(shù)控機床進行運動模擬仿真，同時將機床虛擬模型導入到VERICUT中，輸入五軸數(shù)控加工代碼，模擬數(shù)控加工過程，可以使機床設計人員和數(shù)控編程工藝人員通過虛擬加工仿真及早發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，降低制造成本，提高制造精度，在保證仿真正確性前提下提高仿真效率。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出的是，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍?！?br> 權利要求
1.一種雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，包括下述步驟 (1)建模對機床各運動部件、機床床身、數(shù)控加工中所需毛坯和夾具進行三維建模； (2)利用Ρι·ο/Ε三維平臺根據(jù)運動關系連接機床各運動部件、機床床身進行虛擬裝配先進行局部小組件的裝配，最后對機床總體進行裝配； 對于局部小組件的裝配把相互間無相對運動的部件組成一個小裝配體，在裝配圖的環(huán)境下，分別調(diào)入需要裝配的零部件和小裝配體，通過約束條件對各零部件和小裝配體進行位置和方向的約束，三個線性軸采用滑動桿連接方式，兩個旋轉軸采用銷釘連接方式； 對機床床身部分采用完全約束方式； (3)虛擬仿真機床運行裝配完成后，制作虛擬裝配得到的裝配體的爆炸圖；同時在Pro/E機構運動環(huán)境下，添加驅動條件，模擬機床運行，通過三維可視化方式確認機床各軸的行程允許范圍； (4)基于同一坐標系輸出STL格式的各個組件模型在Pro/E中完成裝配后，將相互間無相對運動的部件輸出為一個組件，組件的格式為STL格式，有相對運動的部件則分開進行輸出；在Pro/E輸出部件時,各部件都米用同一坐標系統(tǒng)進行輸出，以A軸和C軸的交點作為輸出坐標系的原點； (5)創(chuàng)建雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型根據(jù)雙轉臺五軸數(shù)控機床結構特點，在VERI⑶T中建立模型樹，模型組件順序為機床床身Base—Y軸一X軸一A軸一C軸一夾具一毛坯和機床床身Base — Z軸一主軸一刀具兩條分支；利用Pro/E所輸出的STL組件模型直接導入到VERICUT中相應部件下，即創(chuàng)建了雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型； (6)運行數(shù)控加工仿真對加工零件建模和數(shù)控編程，根據(jù)雙轉臺五軸機床結構，利用UG/Post Builder建立機床后處理文件，生成數(shù)控程序，進行數(shù)控加工仿真。
2.根據(jù)權利要求I所述的雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，步驟(6)的后處理設置時機床零點到A軸中心的偏移距離都為0，A軸中心到C軸中心偏移距離也都為O。
3.根據(jù)權利要求I所述的雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，在建模過程中，對于在機床實際運行時，機床運動部分不會最先接觸到的部件，在不減少該部件幾何空間大小的前提下，做相應簡化，以加快仿真速度。
4.根據(jù)權利要求I所述的雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，步驟(4)輸出STL格式的各個組件模型時，對于不運動組件，輸出時弦高控制在.O.8mm-l. 5mm,角度控制值控制在O. I度-O. 5度，使生成的三角片面精度低，提高仿真速度；對于運動部件和刀具最容易接觸到的部件，輸出時弦高控制在O. 5mm-0. 8mm，角度控制值控制在O. 01度-O. I度，提高仿真的精度。
5.根據(jù)權利要求I所述的雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，實際裝夾工件中，如果工件坐標系中心與C軸旋轉中心不重合，在數(shù)控編程時，根據(jù)所測的工件坐標系中心相對于C軸旋轉中心的偏移量，在UG數(shù)控編程時，相應調(diào)整零件模型在編程坐標系的位置，動態(tài)補償裝夾偏差。
6.根據(jù)權利要求I所述的雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，對于圓形毛坯料，在加工余量足夠的情況下，在精加工前對圓形毛坯周邊精加工，以消除裝夾誤差。
7.根據(jù)權利要求I所述的雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，其特征在于，步驟(I)中的建模步驟中，對于復雜的夾具和毛坯體在Pro/E中建模，簡單的夾具和毛坯體在VERI⑶T中建模。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬裝配和數(shù)控加工仿真方法，而提供一種能夠在保證仿真正確性前提下提高仿真效率的仿真方法。建模對機床各運動部件、機床床身、數(shù)控加工中所需毛坯和夾具進行三維建模；利用Pro/E三維平臺根據(jù)運動關系連接機床各運動部件、機床床身進行虛擬裝配；虛擬仿真機床運行；基于同一坐標系輸出STL格式的各個組件模型；創(chuàng)建雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型在VERICUT中建立模型樹，模型組件順序為機床床身Base—Y軸—X軸—A軸—C軸—夾具—毛坯和機床床身Base—Z軸—主軸—刀具兩條分支；利用Pro/E所輸出的STL組件模型直接導入到VERICUT中相應部件下，即創(chuàng)建了雙轉臺五軸數(shù)控機床虛擬模型；運行數(shù)控加工仿真。
文檔編號G05B17/02GK102866638SQ20121040537
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權日2012年10月22日
發(fā)明者王勇, 邵文全, 寇金寶, 田建偉 申請人:天津商業(yè)大學