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0引言

先進的五軸五聯動數控加工中心在復雜零部件的生產制造方面具有明顯的優勢和重要現實意義。UG軟件是SIEMENS公司開發的一款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) 可以實現數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，包括循環指令、宏程序調用、子程序調用；同時可以檢測機床部件、夾具、刀具、零件之間的碰撞。技術人員通過運用 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；最終提升企業的生產效能。
本文運用UG軟件進行TOM1060型五軸聯動加工中心的虛擬機床及后置處理開發。

1構建虛擬機床模型

TOM1060型五軸加工中心配備SIEMENS840D sl 數控系統，采用雙轉臺式五軸聯動結構。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，創建模型數據；其次運用裝配功能將各部件裝配成完整的機床模型數據，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建。

2創建虛擬機床運動模型

虛擬機床模型構建完成后，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、行程和聯結點。仿真過程將利用運動模型和機床驅動器提供的信息使機床運動起來。

雙轉臺型五軸加工中心的運動模型創建，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、第四軸聯結點CP、第五軸聯結點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	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創建（如圖4所示），在虛擬NC控制 (Virtual N/C Controller)選項中勾選創建虛擬N/C控制 (Generate Virtual N/C Controller),在VNC Commands 中創建控制命令（如圖5所示）。

運用UG軟件機床構建器功能（MTB)為機床定義運動模型。MTB通過運動樹結構創建運動模型。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創建虛擬機床驅動器（后置開發）

機床驅動器（MTD)創建模仿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驅動器（NX標準安裝帶有12臺普通的MTD)。若要創建一臺新的機床，可以修改現有的 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軟件中的機床驅動器（MTD)功能可以創建模仿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。MTD可以模仿特定的循環、用戶自定義的事件、宏和其他和CNC控制器有關而加工環境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系統具有刀具跟隨點加工功能（TPCP)，因此需要針對五軸聯動轉換功能和五軸定向加工功能設計模擬代碼。五軸加工模式轉換關系如圖6所示。根據對應關系運用TCL編程語言，根據關系結構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、五軸聯動轉換角度干涉等方面在真實加工才能遇到的嚴重問題，有效保障生產加工安全，提升生產效率。

銑刀盤使用聯結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)技術可以開發設計出各類五軸聯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，形象直觀地模擬數控加工的全過程，進行數控程序的檢驗，分析零件的可加工性和工序的合理性，從而縮短產品的研制周期，降低成本，提高產品質量。本文論述了配備 SIEMENS840D系統雙轉臺型五軸加工中心虛擬機床開發過程，可以為雙擺頭型和單擺單轉型五軸加工中心虛擬機床開發提供借鑒和參考。

表2測試結果

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	五軸聯動轉換角度干涉	有刀槽位加工，A軸旋轉角度變換>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

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