单转台四轴数控机床虚拟样机的虚拟加工实现

　　数字化虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性革命，以其为基础的现代设计方法的出现，改变了传统的以物理样机为基础的设计，可以减去昂贵而费时的物理样机制造及试验过程，设计人员可以直接在计算机上进行快速分析，比较多种设计方案，进行优化，在设计中及时发现问题，提高产品质量，缩短产品开发周期，降低产品开发成本。利用虚拟样机技术设计数控机床，不仅能创建三维模型，完成产品的虚拟装配和干涉检验，而且能进行动力学和运动学仿真，实现产品制造前的性能预测，进行评估和优化方案。
　　 在此我们对自行研制的数控楼梯扶手弯头单转台四轴联动机床，采用Pro/ENGINEER Wildfire 2.0建立三维实体模型，用MFC类库和OpenGL进行程序编制，实现对机床的运动学和动力学仿真分析。
1 虚拟加工系统的总体结构设计
　　 虚拟加工是借助计算机，利用系统模型对实际加工系统进行实验研究的过程，是数控机床在计算机虚拟环境中的映射。通过虚拟加工，可以在设计和更改方案过程中，在虚拟环境中实现零件的数控加工。该虚拟加工系统主要由虚拟加工单元模块，加工质量预测模块，刀具路径优化模块，切削参数优化模块，误差补偿模块和优化报告6大模块组成，其体系结构如图1所示。

图1 单转台四轴联动数控机床虚拟加工系统的体系结构

　　 (1)虚拟加工单元模块：虚拟加工单元模块是楼梯扶手弯头实际加工过程在计算机中的映射，是对实际加工全过程的模拟仿真。由数控程序来驱动虚拟工件、虚拟刀具和虚拟夹具运动，同时虚拟工件和虚拟刀具扫描体作布尔差运算并更新工件模型，模拟实际加工过程中的切削运动、木料去除过程。虚拟加工单元模块同时完成对机床各部件间的碰撞干涉检测，并获得有效刀具路径、切削参数和表示加工质量仿真结果的虚拟工件，为实现优化提供了条件。
　　 (2)加工质量预测模块：该模块将虚拟加工所生成的虚拟工件与理想工件模型进行比较，根据加工误差的分布情况，确定工件的形状精度和表面粗糙度。
　　 (3)刀具路径优化模块：该模块对刀具切削路径进行优化，对于加工过程中发生碰撞干涉的程序进行修改，同时删除无效切削路径，并给出切削路径的优化报告。
　　 (4)切削参数优化模块：该模块根据虚拟加工过程中的加工状况判断是否满足最高加工效率、最低加工成本等目标。如果不满足以上目标，可以采用粒子群优化算法来搜索满足多约束条件下(主轴转速、进给速度和刀具寿命等)的切削参数最佳值。
　　 (5)误差补偿模块：根据加工质量预测模块获得的误差情况，确定是否需要误差补偿。对于需要误差补偿的加工部位，要确定其误差补偿量。同时生成误差补偿报告。
　　 (6)优化报告模块：该模块根据切削参数优化报告、误差补偿报告、刀具路径优化报告，对数控程序进行修改，并生成优化的数控程序。
2 虚拟加工单元设计
　　 虚拟加工单元是现实加工系统在计算机中的表示，是单转台四轴联动数控机床虚拟加工系统的核心。该单元可以实现楼梯扶手弯头加工过程的虚拟仿真。
　　 2.1 虚拟加工单元结构
　　虚拟加工单元由虚拟工件、虚拟刀具、虚拟机床和虚拟毛坯等组成。虚拟加工单元结构如图2所示。

图2 虚拟加工单元结构

　　 (1)虚拟机床：在数控加工仿真系统中，首先要建立虚拟加工环境，实现虚拟数控机床。由于机床是由许多零部件组成，结构较为复杂，用OpenGL函数建立模型工作量太大，故先在Pro/ENGINEER中造型出数控机床各个零部件，将其保存为WRL格式，然后用Deep Exploration将文件格式转换成3Ds格式，就可以在程序中直接读取3Ds文件，并将其装配起来。在绘制机床时利用了OpenGL显示列表技术，将每个零部件都生成一个OpenGL的显示列表，这样可以大幅度提高重绘效率，满足实时绘制的要求。
　　 (2)虚拟夹具：虚拟夹具是夹具的几何模型。该夹具可以旋转，起到旋转工作台的作用。通过夹具的旋转与3个移动坐标轴的配合，可以加工出楼梯扶手弯头所需要的各种复杂的空间曲线。
　　 (3)虚拟刀具：由于楼梯扶手多为成型面，因此虚拟刀具也多为成形刀具。该刀具可用于碰撞检测。
　　 (4)虚拟工件：虚拟工件是实际工件的抽象模型。在每一道工序的加工之后，通过对虚拟工件的已加工表面的检查，来确定本工序加工是否合格。加工成品的虚拟工件可用于加工质量预测。
　　 2.2 运动控制模块
　　 该数控机床为单转台四轴联动数控机床。机床的运动坐标包括3个移动坐标X、Y、Z和1个转动坐标A。机床运动学求解主要包括转动轴A转动角度计算和经过转动轴转动后的3个移动坐标x、y、z值的求解。

图3 单转台四坐标刀轴矢量转动关系

　　 如图3所示，O_lX_lY_lZ_l为机床加工坐标系，工作台回转轴A方向与Xt轴方向相同，O_lX_lY_lZ_l坐标系原点可随具体加工条件的不同任意设置。工件(工作台)可绕Xt轴转动C(O°≤C≤180°)角。刀具参考点Ok在机床加工坐标系O_lX_lY_lZ_l中的坐标为(x_k，y_k，z_k)。刀轴矢量(一个位于刀具轴线上。从刀具参考点指向刀柄方向的矢量)γ为单位矢量，该矢量可以处于O_lX_lY_lZ_l坐标系中的任意位置。为计算方便，以刀具参考点Ok为原点建立刀轴矢量坐标系O_lX_lY_lZ_l。刀轴矢量坐标系与加工坐标系O_lX_lY_lZ_l各相应轴平行。刀轴矢量γ在该坐标系中的坐标为(γ_x ，γ_y，γ_z)。该机床的旋转工作台只能绕Xt轴旋转而且刀具必须位于工件上方，否则无法加工工件。因此，必有γ_x =0 、γ_z ≥0根据以上已知条件，计算机床的运动坐标值(相对O_lX_lY_lZ_l坐标系)X、Y、Z及相应的回转角度C。