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数控铣床虚拟装配建模及其加工仿真研究
为有效预防数控加工中机床、刀具、夹具相互之间的干涉碰撞问题，通过基于虚拟样机技术的数控机床虚拟装配建模方法确定了数控铣床的虚拟装配体。借助于UG/ISV加工仿真模块，建立了数控铣床虚拟加工环境，并进行了加工过程仿真。仿真结果证明该虚拟装配建模方法可行，加工仿真可有效判断机床工艺系统的相互干涉问题。

0 引言
    数控加工过程中出现机床、刀具、夹具相互碰撞问题的概率虽然小，但却是最容易导致加工事故、损坏主轴乃至损坏机床的诱因，因此加工碰撞仿真在实际生产中具有重要的现实意义。目前多数商品化CAD/CAM软件不具备机床仿真功能，少数独立的机床仿真软件建模功能又十分有限，对于结构较复杂的机床和工装夹具装配模型，通常都做了简化，从而失去了许多有用信息，不能真实反映实际加工环境，不能进行后续的机床动力学仿真研究。UG/ISV(Integrated Simulation&Verification)仿真加工模块能很好地解决这些问题。作者基于该仿真模块，通过数控机床虚拟装配建模方法建立了数控铣床虚拟装配体，介绍了在UG/ISV模块中实现数控加工仿真的方法步骤，并成功地实现了数控铣床的加工仿真，可为加工过程研究提供数据参考和方法借鉴。
1 数控机床的虚拟装配建模过程
1.1 装配模型的信息组成
    数控机床装配模型的信息组成主要包括： (1)管理信息，即与机床零部件管理相关的信息，包括机床各构成组件的名称、代号、材料、存储路径等；(2)几何信息，即与各组成零件几何实体构造相关的信息，包括零件的尺寸大小和零部件的定位信息；(3)拓扑信息，一种是有关机床装配结构树的层次结构关系信息，另一种是零部件之间的几何配合约束关系信息，如贴合(Mate)、对齐(Align)、相切(Tangent)等。这些信息在机床装配过程中逐步建立，最终将保存于机床装配体文件中。
1.2 装配模型树及零部件的标识

图1 机床装配树

    组成装配体的零部件内部结构关系可以用具有层次结构的树状图，即装配模型树表示，如图1所示。零件在装配模型树中用最底层的叶节点表示。机床零部件的标识是装配模型在计算机内存储和检索的关键。零部件的标识和拓扑定位关系可通过图1说明。
    如图1所示，机床由若干个子装配和零件组成，各装配零部件为该树的节点。每一节点的拓扑位置可用数组P[i](i=1，2，…，n)表示，其中n表示该零部件在机床装配模型树中所处的层数，P[i]则表示该零部件在第i层节点的标识号。利用这一机制，零部件在机床装配模型树中的拓扑位置就可以很方便地确定，以达到快速存储和检索的目的。
1.3 建立数控铣床装配模型
    建立机床装配模型，首先根据机床结构和运动特性准确划分各运动子模块，找出目标机床的两条运动链：“工件一机架”运动链和“刀具一机架”运动链旧1。根据这两条运动链找出动力源、传动件和执行件，并以此为依据，划分出床身、主轴模块、X向进给模块、y向进给模块、z向进给模块、工作台以及这些模块所包含的零部件等。根据运动链上运动传递的先后顺序，按照前一级是后一级子装配的原则，确定各模块在模型树中的层次和位置，进而绘出机床装配模型树(图1)。然后根据自底向上的装配原则，先进行各子装配体的装配，由底层子装配体和相关零件组装成上一层子装配，这样逐层即可建立机床总装配模型。机床装配模型和机床零件文件应保存到默认的文件夹＄UGⅡ_BASE-DIR＼MACH＼resource＼library、machine＼graphics中。作者以北京第一机床厂的XKA713B/E型立式数控铣床为对象，对该机床进行结构分析，按照前述建模方法，找出两条运动链：
    (1)刀具(TOOL)→主轴(SPINDLE)→Z向进给模块(Z_BASE)→机座(MACHINE_BASE)
    (2)工件夹具装配模型(SETUP)→X向进给模块(X_SLIDE)→Y向进给模块(Y_SLIDE)→机座(MACHINE_BASE)

图2 机床装配模型

    参考这两条运动链绘出装配模型树，在UG软件中建立了机床装配模型，如图2所示。
2 数控铣床加工过程仿真
2.1 UG/ISV机床仿真模块简介
    UG/ISV是UG软件中用来进行机床加工过程仿真的集成化模块。其主要功能是对用户建立的2-5轴虚拟机床进行加工过程仿真。用户可以建立任意复杂的逼近真实的机床装配模型、刀具装配模型，可以按工艺要求建立符合实际工件尺寸、装夹位姿的零件夹具装配模型，从而建立起与实际加工环境相一致的虚拟机床加工周边环境。借助仿真可以预先检查出刀具与夹具、压板，刀具与工作台，主轴与夹具、压板等的干涉碰撞问题。
2.2 建立数控铣床虚拟加工环境
    数控机床加工环境由机床模型、刀具模型和工件、夹具装配模型及其它机床辅助件组成，其构成如图3所示。在创建了机床装配模型后，还需按图3所示创建其它组成部分。

图3 虚拟数控机床加工环境构成

(1)定义铣床运动模型
    机床运动模型定义了装配模型中各移动部件间的相互运动关系(运动模型)，指定机床各NC轴(如直线轴和旋转轴)的移动方向、行程及运动范围。UG/ISV通过交互方式识别装配模型中机床主轴、基座、拖板等运动部件。运动模型中还定义了机床零点、刀具安装点、工件安装点等相关参数。进入机床构建器模块(Machine Tool Builder)，单击右侧机床导航器图标进入机床构建器，在名称栏单击右键插入运动组件，参考两条运动链的顺序，逐步建立机床运动模型。据此建立的铣床运动模型结构图如图4所示。

图4 数控铣床运动模型结构图
(2)建立虚拟机床驱动器MTD
    虚拟机床驱动器MTD(Machine Tool Driver)是UG/Post的延伸。UG/post的核心是加工输出管理器MOM(Manufacturing Output Manager)，它提供一种事件驱动工具，作用是从存储在UG/CAM内的数据中提取数据来生成输出。MTD正是在MOM的基础上增加了一个虚拟NC控制器(VNC)而形成。当事件处理器返回数据给MOM时，MOM将处理信息又传给VNC，VNC依据具体事件处理信息调用不同的命令来驱动机床动作。系统提供了一个通用MTD，用户可以此为模板，经过调试、修改、添加所需命令，使其适合特定机床。创建完毕以后，需要在机床数据文件machine_datebase.dat中为该机床指定添加该MTD。
    用UG/Post Builder创建该机床后处理器，生成事件处理器(.tcl文件)、定义文件(.def文件)。对通用VNC文件进行相应修改，生成该机床的VNC文件。例如，该立式铣床其默认圆弧插补平面为X-Y平面即G17平面，其对应矢量应为[00＄dir]，更改后的该部分VNC程序如下：

(3)建立刀具模型和工件、夹具装配模型
    为机床刀具库添加所使用刀具，在机床仿真时，可自动安装该刀具进行加工。其创建步骤：先建立刀柄、刀杆、弹性夹簧的装配模型，进入Machine ToolBuilder模块进行定义并指定刀尖点和安装点，然后在刀具数据文件tool_database.dat中相应刀具类别中指定该刀具即可。建立毛坯和夹具模型的目的是为了加工仿真时能检验出刀具、主轴头座和毛坯、压板、螺钉、夹具等的碰撞干涉。其建模过程和机床的建模过程类似。建立好后进入加工制造模块，单击右侧机床导航器图标，指定安装点保存即可。例如，创建的Φ12mm直柄立铣刀装配模型和某一零件及夹具的装配模刑如图5所示。

图5 实例装配模型

2.3 加工过程仿真
    仿真过程操作流程图如图6所示。
    在建立好完整的机床加工环境后，即可进入UG/ISV模块进行加工仿真。打开零件夹具模型进入UG/CAM模块，进入机床刀具视图，单击右侧操作导航器进入操作导航窗口，双击机床刀具名称，选择“更换机床”即可将零件安装在机床工作台上。然后按照UG/CAM刀轨生成有关步骤生成刀轨，切换到程序顺序视图，进入操作导航器，右击刀轨名称，选择模拟即可进行加工仿真。针对仿真过程中出现干涉碰撞错误的零件、夹具部位和相应的NC代码段进行调整和改正，直至无误为止，即可输出实用NC代码。实例中仿真过程和NC加工代码显示如图7所示。

图6 仿真流程图

图7 加工过程仿真

3 结论
    以XKA713B/E型立式数控铣床为对象，从加工仿真系统建模过程中装配建模的角度进行研究，给出了适合虚拟机床建模的合理方法，结合UG/ISV机床仿真校验模块，建立了具有实用意义的立式铣床虚拟加工仿真环境。通过典型零件加工仿真，证明加工过程仿真研究对有效制止干涉碰撞事故的发生具有现实意义，也为进一步进行机床动力学仿真及创建功能全面的虚拟加工系统做了铺垫。