虚拟机床在五轴加工中的应用

1、引言

　　随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展。目前代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，它是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段，对航空航天、军事、科研、精密器械等行业都起着举足轻重的作用。

　　但是五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之在数控程序编制上存在着很大困难，因而如何使得五轴加工得以“平民”化应用，已经成为机床制造业的一个热点问题。本文从虚拟机床技术开发，探讨其在五轴加工的应用，实现仿真加工，优化数控程序，从而提升加工质量、提高加工效率、降低加工成本。

2、虚拟机床应用的优势

　　数控加工最终的好坏取决于以下5个因数中的短板：数控机床、控制器、刀具、数控编程和CAM软件。虚拟机床的应用正好可以解决以上短板问题，采用虚拟机床存在以下优点：

　　2.1 真实性

　　传统CAM软件驱动的标准模拟仿真是一种不完整的近似运动模拟，不能避免实际加工过程中的过切与撞刀。虚拟机床技术采用内置CNC控制器驱动的加工模拟仿真是真实可靠的，可以把加工中的各种风险（撞刀、过切等）降为零。

　　2.2 先进性

　　虚拟机床不仅可以仿真传统的车床、铣床、加工中心，而且可以仿真车铣复合和多轴联动机床。目前，西门子公司的虚拟机床对于不同CNC控制系统的特殊加工指令及FMS柔性制造系统可以进行仿真。

　　2.3 互操作性

　　虚拟机床不仅提供三维数字机床，而且包含虚拟控制面板，提供和车间环境一样的虚拟实训环境。应用虚拟机床，可以实现学生的大量仿真与真实机床没有区别。这对于目前企业紧缺的中高端数控人才，是一个很好的培训解决方案，使复杂机床的编程及加工操作培训费用降低50%，从且可以大大地降低培训成本。

　　2.4 开放性

　　虚拟机床可以有效地连接CAM编程和车间加工，接受不同CAM软件编制的NC程序或手工编程，方便与不同的软件环境对接。虚拟机床也可以按照不同的CNC控制系统和机床型号进行定制，以方便与机床硬件环境对接。

　　2.5 异地共享

　　目前对于五轴联动数控机床这样的高端机床，由于数量少和技术要求高，导致普遍使用率偏低。虚拟机床技术可以打破真实机床共享使用的地域限制，平衡投资，而且未来升级方便。

3、复杂零件五轴加工过程与解决方案

　　五轴加工环节包括：模具准备、刀具编制、仿真验证、后置输出、机床加工。五轴加工的过程是纯计算机模拟的。

　　3.1 加工模型准备

　　NX把CAD、CAE和CAM全部集合在一个系统中。通过最新的CAD技术，数控编程人员能够快速地完成模型准备。即使原始数据来源于第三方CAD系统也是一样的。（1）模型创建和编辑：运用强大的建模和编辑技术（CAD）创建用于CAM编程的零部件模型。（2）模型质量与验证：分析和验证几何条件——检验表面缺陷、壁厚、半径等。（3）零件制造信息：检查可能影响加工方法的更多模型信息（公差、表面粗糙度），这些信息可驱动CAM。（4）文档与绘图：基于3D模型快速创建用于加工的任何文档。

　　在此过程中的关键技术包括四点，第一是混合建模、同步建模技术，进行无约束设计，第二是采用轻量表示和NX WAVE技术将零件、产品的制作复杂度降低，第三是在设计过程中使用行业专门自动化技术加快设计进度，第四是设计开放，能够处理其他CAD数据。

　　3.2 五轴加工编程

　　五轴加工采用广泛的加工策略，提供灵活的刀具轴控制选项，轻易处理复杂的工作需求，实现高度灵活的编程。利用最新的加工设备和制造工艺，以更快的速度加工质量更好的零件。

　　在五轴加工编程过程中，点、线、面、边界等驱动，法向、插补、相对等刀轴实现了丰富的驱动方式和刀轴控制；可变轴轮廓加工可以通过简单选择底部几何体来自动加工复杂侧壁，识别叶轮几何，自动创建刀轨，便于便捷式的交互处理；不断改变刀具和毛坯表面的相对角度，使刀具的接触面积最大化，实现了曲率匹配这一新技术。

　　3.3 CAM/CNC一体化

　　CAM/CNC的有机集成，通过刀轨计算精度控制、优化后置处理、真实的模拟仿真，让CAM的输出充分考虑机床控制系统的高级功能，实现产能的最大化，并消除了风险。