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(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)，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(jī)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(jī)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(jī)床的損壞。因此，在實(shí)際加工中，即使很有經(jīng)驗(yàn)的工程師也需要進(jìn)行試切，對程序進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，造成了人力、時間、能源和材料的浪費(fèi)，且效率低下。
虛擬制造系統(tǒng)VMS（VirtualManufacturing System)是實(shí)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(shí)產(chǎn)品制造的動態(tài)模擬，是一種在計算機(jī)上進(jìn)行而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術(shù)。
虛擬制造機(jī)床系統(tǒng)是現(xiàn)實(shí)制造機(jī)床系統(tǒng)在虛擬空間的映射，它是由虛擬的機(jī)床→刀具→夾具→工件所組成的虛擬系統(tǒng)，具備現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)的全部功能、特征和行為，能夠完成現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)同樣的虛擬生產(chǎn)任務(wù)。通過虛擬制造機(jī)床對復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動數(shù)控加工進(jìn)行仿真，能夠真實(shí)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)庸こ绦蜻M(jìn)行反復(fù)調(diào)試，在不消耗材料、能源，不占用機(jī)床時間的情況下得到正確的數(shù)控加工程序。虛擬制造機(jī)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(jìn)加工方案；能夠進(jìn)一步對加工程序進(jìn)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(jìn)給率。
二、虛擬制造機(jī)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(yùn)用商業(yè)軟件建立虛擬制造機(jī)床系統(tǒng)，需要進(jìn)行以下的技術(shù)研究。
1. 虛擬制造機(jī)床的構(gòu)成
虛擬制造機(jī)床要能夠完全真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)實(shí)機(jī)床，無論是在機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、外型尺寸，還是運(yùn)動功能方面都同現(xiàn)實(shí)機(jī)床一致或相似。虛擬制造機(jī)床的建立主要包括機(jī)床幾何結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和刀具庫的建立。虛擬機(jī)床要能夠真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)實(shí)機(jī)床，首先要求有同樣的機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其次機(jī)床各運(yùn)動軸的幾何尺寸要求同現(xiàn)實(shí)機(jī)床一致，特別是五軸聯(lián)動機(jī)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(shí)機(jī)床完全一致，另外，機(jī)床各運(yùn)動軸的運(yùn)動極限及相對關(guān)系也要同現(xiàn)實(shí)機(jī)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(shí)系統(tǒng)相同的功能，并且能夠?qū)C(jī)床功能，如G代碼、M代碼等功能代碼進(jìn)行定義，并實(shí)現(xiàn)對虛擬機(jī)床的控制功能。建立機(jī)床刀具庫主要是建立用于實(shí)際制造系統(tǒng)中相同尺寸規(guī)格的各種刀具，以真實(shí)模擬切削的過程。
2. 機(jī)床仿真及校驗(yàn)
在虛擬制造機(jī)床上添加工件毛坯、刀具和夾具，設(shè)置編程坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系，加載加工程序后，就可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工的仿真了。仿真能夠真實(shí)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(yàn)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(shí)例對程序進(jìn)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(jìn)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(shí)例
水輪機(jī)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(jìn)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(jī)葉片進(jìn)行機(jī)床仿真的流程如圖1所示。
圖1 水輪機(jī)葉片加工仿真流程示意圖
我們應(yīng)用VERICUT機(jī)床仿真軟件，通過它在計算機(jī)上建立虛擬制造機(jī)床，就能夠?qū)崿F(xiàn)對水輪機(jī)葉片加工過程的機(jī)床仿真、程序校驗(yàn)以及程序優(yōu)化。下面以某混流式水輪機(jī)葉片的機(jī)床仿真為例介紹運(yùn)用VERICUT軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面虛擬機(jī)床制造的方法。
1.FKSA1800機(jī)床模型系統(tǒng)的建立
FKSA1800是某水輪機(jī)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
