本文介紹了虛擬製造技術的一些基本概念，著重闡述了在采用複雜曲麵五軸聯動數控技術過程中，如何應用VERICUT軟件對複雜曲麵五軸聯動數控加工進行機床仿真的方法，以實現對程序的校驗和優(you) 化，從(cong) 而提高實際製造過程中程序編製的效率，降低製造成本，縮短製造周期。該技術在現代製造業(ye) 中具有廣闊的應用前景。

　　引言

　　複雜曲麵的五軸聯動數控加工技術是當今製造業(ye) 中的高新技術，它是一個(ge) 涉及到計算機三維造型、CAM自動編程技術、測量技術、製造工藝學、切削仿真技術等多學科交叉的綜合技術，因此具有較高的技術難度。但由於(yu) 五軸聯動加工技術所具有的高精度、高效率、加工適應性強等特點，也使它能夠更好地適應複雜曲麵的數控加工。如今，五軸聯動加工技術已經在發電設備製造業(ye) 、飛機製造業(ye) 、輪船製造業(ye) 中得到了廣泛的應用。 對於(yu) 複雜曲麵的五軸聯動數控編程來說，由於(yu) 曲麵複雜，且大多為(wei) 不可展開的雕塑曲麵，在編程時容易產(chan) 生不易察覺的過切等幹涉現象。並且，在五軸聯動數控機床的加工中，NC銑頭的旋轉或工件旋轉很容易發生幹涉和碰撞現象，造成工件、刀具甚至機床的損壞。因此，在實際加工中，即使很有經驗的工程師也需要進行試切，對程序進行反複的調試，造成了人力、時間、能源和材料的浪費，且效率低下。 虛擬製造係統VMS(VirtualManufacturing System)是實際製造係統在不消耗能源和資源的信息世界裏的完全映射。虛擬製造是在上世紀80年代由美國率先提出的，是對真實產(chan) 品製造的動態模擬，是一種在計算機上進行而不消耗物理資源的模擬製造軟件技術。 虛擬製造機床係統是現實製造機床係統在虛擬空間的映射，它是由虛擬的機床→刀具→夾具→工件所組成的虛擬係統，具備現實機床加工係統的全部功能、特征和行為(wei) ，能夠完成現實機床加工係統同樣的虛擬生產(chan) 任務。通過虛擬製造機床對複雜曲麵的五軸聯動數控加工進行仿真，能夠真實地反映製造加工過程中的過切、碰撞等幹涉現象，為(wei) 程序的修改提供了數據;能夠對加工程序進行反複調試，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控加工程序。虛擬製造機床係統能夠提供加工過程中的關(guan) 鍵數據，如優(you) 化後的切削參數、總的加工時間等，通過它們(men) 可以評價(jia) 加工策略的優(you) 劣並改進加工方案;能夠進一步對加工程序進行優(you) 化，縮短切削加工過程中的空行程走刀時間和調整複雜曲麵不同位置的加工進給率。

　　虛擬製造機床係統

　　針對複雜曲麵五軸聯動係統加工存在的問題，運用商業(ye) 軟件建立虛擬製造機床係統，需要進行以下的技術研究。

　　1.虛擬製造機床的構成

　　2.機床仿真及校驗

　　3.程序優(you) 化

　　虛擬製造機床要能夠完全真實地反應現實機床，無論是在機床拓撲結構、外型尺寸，還是運動功能方麵都同現實機床一致或相似。虛擬製造機床的建立主要包括機床幾何結構、控製係統和刀具庫的建立。虛擬機床要能夠真實地反應現實機床，首先要求有同樣的機床拓撲結構，其次機床各運動軸的幾何尺寸要求同現實機床一致，特別是五軸聯動機床有兩(liang) 個(ge) 旋轉軸的NC銑頭和Z軸滑枕的尺寸更需要同現實機床完全一致，另外，機床各運動軸的運動極限及相對關(guan) 係也要同現實機床一致。控製係統的建立目的是使虛擬控製係統具備同現實係統相同的功能，並且能夠對機床功能，如G代碼、M代碼等功能代碼進行定義(yi) ，並實現對虛擬機床的控製功能。建立機床刀具庫主要是建立用於(yu) 實際製造係統中相同尺寸規格的各種刀具，以真實模擬切削的過程。在虛擬製造機床上添加工件毛坯、刀具和夾具，設置編程坐標係和機床坐標係的相對位置關(guan) 係，加載加工程序後，就可以實現對現實機床加工的仿真了。仿真能夠真實地模擬出過切、碰撞等各種現象，並發出警報，標明發生該現象的位置。程序優(you) 化首先需要針對不同的產(chan) 品材料和刀具材料建立個(ge) 性化的程序優(you) 化庫，這個(ge) 優(you) 化庫需要通過做大量的切削試驗來建立。在程序優(you) 化時根據不同的加工材料和刀具，選擇優(you) 化庫中的實例對程序進行優(you) 化。通過優(you) 化後，在複雜曲麵不同的加工區域自動設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(cong) 而提高加工效率。

　　圖1 水輪機葉片加工仿真流程示意圖

　　圖2 FKSA1800虛擬機床模型

　　圖3 水輪機葉片切削仿真和機床仿真

　　虛擬製造在複雜曲麵加工中的應用實例

　　水輪機葉片的加工屬於(yu) 大型複雜雕塑曲麵的加工，其毛坯體(ti) 積大，材料價(jia) 格昂貴，采用虛擬製造技術對加工過程進行加工仿真，能夠很好的規避各種製造中的風險，提高零件加工質量和加工效率。用虛擬製造技術對水輪機葉片進行機床仿真的流程如圖1所示。 我們(men) 應用VERICUT機床仿真軟件，通過它在計算機上建立虛擬製造機床，就能夠實現對水輪機葉片加工過程的機床仿真、程序校驗以及程序優(you) 化。下麵以某混流式水輪機葉片的機床仿真為(wei) 例介紹運用VERICUT軟件實現複雜曲麵虛擬機床製造的方法。

　　1.FKSA1800機床模型係統的建立

　　2.複雜曲麵五軸聯動加工機床仿真、校驗以及程序優(you) 化

　　FKSA1800是某水輪機製造廠的一台單臂五軸聯動銑床，具有X、Y、Z三個(ge) 直線軸和B、C兩(liang) 個(ge) 旋轉軸。Y軸依附於(yu) Z軸，旋轉軸C軸依附於(yu) Z軸，旋轉軸B軸依附於(yu) C軸，屬於(yu) Head-Head型的五軸聯動機床。工作台大小為(wei) 1.6m×4m，X、Y、Z軸行程分別為(wei) 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構，然後添加機床以及各運動軸的三維幾何實體(ti) 。對於(yu) 形狀複雜的幾何實體(ti) ，如兩(liang) 軸NC銑頭等，可通過CAD軟件造出實體(ti) 模型，再通過數據接口讀入到VERICUT，並按正確的位置關(guan) 係裝配。FKSA1800的控製係統為(wei) SIEMENS840D的係統，VERICUT帶有多種控製係統模板庫，可以挑選適當的控製係統，並根據需要，運用VERICUT自帶的編程語言，添加適當的G代碼和M代碼功能。加工葉片的刀具為(wei) f100R10麵銑刀、f63立銑刀、f6鑽頭等，在VERICUT中定義(yi) 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。在VERICUT上仿真時，調入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、碰撞等現象，能夠計算加工所需時間，並且能夠通過軟件的分析功能檢查仿真加工後水輪機葉片的尺寸精度，也可以調入設計模型同仿真加工後的模型進行比較，對采取不同加工方案和加工策略的程序進行仿真。根據加工仿真得到的數據可以判別加工方案和加工策略的優(you) 劣，有利於(yu) 工程師對加工方案的選取。通過仿真能夠發現程序中存在的問題，並在實際加工發生之前進行修改，大大提高了編程效率，節約了成本。應用VERICUT進行程序優(you) 化，需要事先根據以往的加工經驗和加工試驗建立適合水輪機葉片加工的程序優(you) 化實例庫，仿真時選擇合適的程序加工優(you) 化實例(根據刀具直徑、材料，零件材料等)對程序進行優(you) 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(you) 化後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調整參數再優(you) 化，直到滿意為(wei) 止。用VERICUT水輪機葉片進行切削仿真和機床仿真如圖3所示。

　　結束語

　　運用虛擬製造技術對複雜曲麵的五軸聯動數控加工進行仿真，能夠解決(jue) 在數控編程和現實製造中存在的很多問題，解決(jue) 了對人力、時間、資源的浪費問題，並且提高了加工效率，縮短了製造周期，在實際應用中起到了良好的作用。