单转台四轴数控机床虚拟样机的虚拟加工实现

将虚拟样机技术应用于单转台四轴联动机床的设计与研究。在构建虚拟加工环境过程中采用虚拟加工、三维建模等技术。研究在单转台四轴联动情况下。准确描述空间曲线的加工方法。该方法能够实现空间曲线加工过程的虚拟仿真。

    数字化虚拟样机技术是对传统设计方法的一次历史性革命，以其为基础的现代设计方法的出现，改变了传统的以物理样机为基础的设计，可以减去昂贵而费时的物理样机制造及试验过程，设计人员可以直接在计算机上进行快速分析，比较多种设计方案，进行优化，在设计中及时发现问题，提高产品质量，缩短产品开发周期，降低产品开发成本。利用虚拟样机技术设计数控机床，不仅能创建三维模型，完成产品的虚拟装配和干涉检验，而且能进行动力学和运动学仿真，实现产品制造前的性能预测，进行评估和优化方案。
    在此我们对自行研制的数控楼梯扶手弯头单转台四轴联动机床，采用Pro/ENGINEER Wildfire 2.0建立三维实体模型，用MFC类库和OpenGL进行程序编制，实现对机床的运动学和动力学仿真分析。

1 虚拟加工系统的总体结构设计

    虚拟加工是借助计算机，利用系统模型对实际加工系统进行实验研究的过程，是数控机床在计算机虚拟环境中的映射。通过虚拟加工，可以在设计和更改方案过程中，在虚拟环境中实现零件的数控加工。该虚拟加工系统主要由虚拟加工单元模块，加工质量预测模块，刀具路径优化模块，切削参数优化模块，误差补偿模块和优化报告6大模块组成，其体系结构如图1所示。

图1 单转台四轴联动数控机床虚拟加工系统的体系结构

    (1)虚拟加工单元模块：虚拟加工单元模块是楼梯扶手弯头实际加工过程在计算机中的映射，是对实际加工全过程的模拟仿真。由数控程序来驱动虚拟工件、虚拟刀具和虚拟夹具运动，同时虚拟工件和虚拟刀具扫描体作布尔差运算并更新工件模型，模拟实际加工过程中的切削运动、木料去除过程。虚拟加工单元模块同时完成对机床各部件间的碰撞干涉检测，并获得有效刀具路径、切削参数和表示加工质量仿真结果的虚拟工件，为实现优化提供了条件。
    (2)加工质量预测模块：该模块将虚拟加工所生成的虚拟工件与理想工件模型进行比较，根据加工误差的分布情况，确定工件的形状精度和表面粗糙度。
    (3)刀具路径优化模块：该模块对刀具切削路径进行优化，对于加工过程中发生碰撞干涉的程序进行修改，同时删除无效切削路径，并给出切削路径的优化报告。
    (4)切削参数优化模块：该模块根据虚拟加工过程中的加工状况判断是否满足最高加工效率、最低加工成本等目标。如果不满足以上目标，可以采用粒子群优化算法来搜索满足多约束条件下(主轴转速、进给速度和刀具寿命等)的切削参数最佳值。
    (5)误差补偿模块：根据加工质量预测模块获得的误差情况，确定是否需要误差补偿。对于需要误差补偿的加工部位，要确定其误差补偿量。同时生成误差补偿报告。
    (6)优化报告模块：该模块根据切削参数优化报告、误差补偿报告、刀具路径优化报告，对数控程序进行修改，并生成优化的数控程序。

2 虚拟加工单元设计

    虚拟加工单元是现实加工系统在计算机中的表示，是单转台四轴联动数控机床虚拟加工系统的核心。该单元可以实现楼梯扶手弯头加工过程的虚拟仿真。

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