一、引言
復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)是當(dāng)今制造業(yè)中的高新技術(shù)，它是一個涉及到計算機三維造型、CAM自動編程技術(shù)、測量技術(shù)、制造工藝學(xué)、切削仿真技術(shù)等多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，因此具有較高的技術(shù)難度。但由于五軸聯(lián)動加工技術(shù)所具有的高精度、高效率、加工適應(yīng)性強等特點，也使它能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜曲面的數(shù)控加工。如今，五軸聯(lián)動加工技術(shù)已經(jīng)在發(fā)電設(shè)備制造業(yè)、飛機制造業(yè)、輪船制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

對于復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動數(shù)控編程來說，由于曲面復(fù)雜，且大多為不可展開的雕塑曲面，在編程時容易產(chǎn)生不易察覺的過切等干涉現(xiàn)象。并且，在五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工中，NC銑頭的旋轉(zhuǎn)或工件旋轉(zhuǎn)很容易發(fā)生干涉和碰撞現(xiàn)象，造成工件、刀具甚至機床的損壞。因此，在實際加工中，即使很有經(jīng)驗的工程師也需要進行試切，對程序進行反復(fù)的調(diào)試，造成了人力、時間、能源和材料的浪費，且效率低下。

虛擬制造系統(tǒng)VMS（VirtualManufacturing System)是實際制造系統(tǒng)在不消耗能源和資源的信息世界里的完全映射。虛擬制造是在上世紀(jì)80年代由美國率先提出的，是對真實產(chǎn)品制造的動態(tài)模擬，是一種在計算機上進行而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術(shù)。

虛擬制造機床系統(tǒng)是現(xiàn)實制造機床系統(tǒng)在虛擬空間的映射，它是由虛擬的機床→刀具→夾具→工件所組成的虛擬系統(tǒng)，具備現(xiàn)實機床加工系統(tǒng)的全部功能、特征和行為，能夠完成現(xiàn)實機床加工系統(tǒng)同樣的虛擬生產(chǎn)任務(wù)。通過虛擬制造機床對復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動數(shù)控加工進行仿真，能夠真實地反映制造加工過程中的過切、碰撞等干涉現(xiàn)象，為程序的修改提供了數(shù)據(jù)；能夠?qū)�加工程序進行反復(fù)調(diào)試，在不消耗材料、能源，不占用機床時間的情況下得到正確的數(shù)控加工程序。虛擬制造機床系統(tǒng)能夠提供加工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如優(yōu)化后的切削參數(shù)、總的加工時間等，通過它們可以評價加工策略的優(yōu)劣并改進加工方案；能夠進一步對加工程序進行優(yōu)化，縮短切削加工過程中的空行程走刀時間和調(diào)整復(fù)雜曲面不同位置的加工進給率。

二、虛擬制造機床系統(tǒng)

針對復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動系統(tǒng)加工存在的問題，運用商業(yè)軟件建立虛擬制造機床系統(tǒng)，需要進行以下的技術(shù)研究。

1. 虛擬制造機床的構(gòu)成

虛擬制造機床要能夠完全真實地反應(yīng)現(xiàn)實機床，無論是在機床拓撲結(jié)構(gòu)、外型尺寸，還是運動功能方面都同現(xiàn)實機床一致或相似。虛擬制造機床的建立主要包括機床幾何結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和刀具庫的建立。虛擬機床要能夠真實地反應(yīng)現(xiàn)實機床，首先要求有同樣的機床拓撲結(jié)構(gòu)，其次機床各運動軸的幾何尺寸要求同現(xiàn)實機床一致，特別是五軸聯(lián)動機床有兩個旋轉(zhuǎn)軸的NC銑頭和Z軸滑枕的尺寸更需要同現(xiàn)實機床完全一致，另外，機床各運動軸的運動極限及相對關(guān)系也要同現(xiàn)實機床一致�？刂葡到y(tǒng)的建立目的是使虛擬控制系統(tǒng)具備同現(xiàn)實系統(tǒng)相同的功能，并且能夠?qū)�機床功能，如G代碼、M代碼等功能代碼進行定義，并實現(xiàn)對虛擬機床的控制功能。建立機床刀具庫主要是建立用于實際制造系統(tǒng)中相同尺寸規(guī)格的各種刀具，以真實模擬切削的過程。

2. 機床仿真及校驗

在虛擬制造機床上添加工件毛坯、刀具和夾具，設(shè)置編程坐標(biāo)系和機床坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系，加載加工程序后，就可以實現(xiàn)對現(xiàn)實機床加工的仿真了。仿真能夠真實地模擬出過切、碰撞等各種現(xiàn)象，并發(fā)出警報，標(biāo)明發(fā)生該現(xiàn)象的位置。

3. 程序優(yōu)化

程序優(yōu)化首先需要針對不同的產(chǎn)品材料和刀具材料建立個性化的程序優(yōu)化庫，這個優(yōu)化庫需要通過做大量的切削試驗來建立。在程序優(yōu)化時根據(jù)不同的加工材料和刀具，選擇優(yōu)化庫中的實例對程序進行優(yōu)化。通過優(yōu)化后，在復(fù)雜曲面不同的加工區(qū)域自動設(shè)置不同的切削進給率，來保持每齒切削量和金屬去除率的恒定，從而提高加工效率。

三、虛擬制造在復(fù)雜曲面加工中的應(yīng)用實例

水輪機葉片的加工屬于大型復(fù)雜雕塑曲面的加工，其毛坯體積大，材料價格昂貴，采用虛擬制造技術(shù)對加工過程進行加工仿真，能夠很好的規(guī)避各種制造中的風(fēng)險，提高零件加工質(zhì)量和加工效率。用虛擬制造技術(shù)對水輪機葉片進行機床仿真的流程如圖1所示。

圖1 水輪機葉片加工仿真流程示意圖

我們應(yīng)用VERICUT機床仿真軟件，通過它在計算機上建立虛擬制造機床，就能夠?qū)崿F(xiàn)對水輪機葉片加工過程的機床仿真、程序校驗以及程序優(yōu)化。下面以某混流式水輪機葉片的機床仿真為例介紹運用VERICUT軟件實現(xiàn)復(fù)雜曲面虛擬機床制造的方法。

1.FKSA1800機床模型系統(tǒng)的建立

FKSA1800是某水輪機制造廠的一臺單臂五軸聯(lián)動銑床，具有X、Y、Z三個直線軸和B、C兩個旋轉(zhuǎn)軸。Y軸依附于Z軸，旋轉(zhuǎn)軸C軸依附于Z軸，旋轉(zhuǎn)軸B軸依附于C軸，屬于Head-Head型的五軸聯(lián)動機床。工作臺大小為1.6m×4m，X、Y、Z軸行程分別為3m、2m、1m，C軸行程0°～＋360°，B軸行程-105°～＋105°。

通過VERICUT軟件首先建立機床的拓撲結(jié)構(gòu)，然后添加機床以及各運動軸的三維幾何實體。對于形狀復(fù)雜的幾何實體，如兩軸N C銑頭等，可通過C A D軟件造出實體模型，再通過數(shù)據(jù)接口讀入到VERICUT，并按正確的位置關(guān)系裝配。FKSA1800的控制系統(tǒng)為SIEMENS840D的系統(tǒng)，VERICUT帶有多種控制系統(tǒng)模板庫，可以挑選適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)，并根據(jù)需要，運用VERICUT自帶的編程語言，添加適當(dāng)?shù)腉代碼和M代碼功能。加工葉片的刀具為φ100R10面銑刀、φ63立銑刀、φ6鉆頭等，在VERICUT中定義這些所需刀具。運用VERICUT軟件建立的FKSA1800虛擬機床模型如圖2所示。

圖2 FKSA1800虛擬機床模型

2.復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動加工機床仿真、校驗以及程序優(yōu)化

在V E R I C U T上仿真時，調(diào)入FKSA1800機床，添加毛坯、夾具，加載加工程序以及所需刀具就可以進行加工仿真。通過機床仿真能夠真實地反映出水輪機葉片實際加工情況，能夠檢查過切、碰撞等現(xiàn)象，能夠計算加工所需時間，并且能夠通過軟件的分析功能檢查仿真加工后水輪機葉片的尺寸精度，也可以調(diào)入設(shè)計模型同仿真加工后的模型進行比較，對采取不同加工方案和加工策略的程序進行仿真。根據(jù)加工仿真得到的數(shù)據(jù)可以判別加工方案和加工策略的優(yōu)劣，有利于工程師對加工方案的選取。通過仿真能夠發(fā)現(xiàn)程序中存在的問題，并在實際加工發(fā)生之前進行修改，大大提高了編程效率，節(jié)約了成本。應(yīng)用VERICUT進行程序優(yōu)化，需要事先根據(jù)以往的加工經(jīng)驗和加工試驗建立適合水輪機葉片加工的程序優(yōu)化實例庫，仿真時選擇合適的程序加工優(yōu)化實例（根據(jù)刀具直徑、材料，零件材料等）對程序進行優(yōu)化，改變程序不同位置的進給率以保持每齒切削量和金屬去除率的恒定。對優(yōu)化后的程序可以再進行切削仿真以檢驗其是否令人滿意，覺得不合適可以適當(dāng)調(diào)整參數(shù)再優(yōu)化，直到滿意為止。用VERICUT水輪機葉片進行切削仿真和機床仿真如圖3所示。

圖3 水輪機葉片切削仿真和機床仿真

四、結(jié)束語

運用虛擬制造技術(shù)對復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動數(shù)控加工進行仿真，能夠解決在數(shù)控編程和現(xiàn)實制造中存在的很多問題，解決了對人力、時間、資源的浪費問題，并且提高了加工效率，縮短了制造周期，在實際應(yīng)用中起到了良好的作用。