五軸數(shù)控加工程序的檢驗是五軸數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。五軸聯(lián)動數(shù)控機床運動關(guān)系復(fù)雜，加工過程中極易出現(xiàn)干涉、碰撞等現(xiàn)象。五軸聯(lián)動數(shù)控機床造價昂貴，一旦損壞功能部件將造成巨大的經(jīng)擠損失。因此，沒有經(jīng)過反復(fù)檢驗的數(shù)控程序一般不能用于加工。五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)有96種，不同結(jié)構(gòu)的機床，數(shù)控程序互不相同。因此，數(shù)控程序的檢驗難度較大。

　　試切法是最典型的數(shù)控程序檢驗方法，該方法的缺點是無法保證不碰刀而且檢驗時間長。筆者用石蠟試切(精加工葉輪的一個流道，大約需要6 h，而準(zhǔn)備石蠟毛坯和粗加工流道(分2層)等需要20 h。顯然，試切法無法滿足企業(yè)對效率的要求。

　　數(shù)控程序檢驗的目的在于：①檢驗刀具路徑及刀位文件是否正確;②檢驗加工過程中是否發(fā)生干涉、碰撞等現(xiàn)象。以此為目標(biāo)，Pro/ENGINEER、Unigraphics NX、Cimatron等大型商業(yè)化軟件都提供功能強大的數(shù)控加工仿真模塊，但它們只能對刀位文件進(jìn)行仿真。VERICUT軟件能同時進(jìn)行刀位文件和機床運動仿真，仿真程度極高。但該軟件價格昂貴，市場覆蓋率低。

　　綜上所述，隨著五軸數(shù)控加工技術(shù)開始走向大眾化，探討一種直接檢驗數(shù)控程序的快速有效的方案勢在必行。因此，本文提出了基于參數(shù)化CAD系統(tǒng)的仿真方案。

　　1基于參數(shù)化CAD系統(tǒng)的仿真方案

　　利用現(xiàn)有的商業(yè)化CAD系統(tǒng)，可以建立描述加工過程的五軸數(shù)控加工工藝系統(tǒng)(含刀具一機床一工件等)三維約束模型。逐行提取數(shù)控程序中的加工參數(shù)，通過參數(shù)驅(qū)動三維模型連續(xù)變化，可觀察、檢驗數(shù)控加工過程中是否發(fā)生干涉、碰撞等現(xiàn)象，并生成三維動畫文件。

　　但普通CAD系統(tǒng)不提供數(shù)控程序的識別和參數(shù)提取功能。為此本文提出如下方案：利用T—FLEX 3D CAD系統(tǒng)，針對具體五軸數(shù)控加工工藝系統(tǒng)建立具有參數(shù)約束的三維模型。開發(fā)軟件系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能：

　　(1)語法編輯功能：讀取數(shù)控程序并進(jìn)行語法診斷、識別。如果檢驗出錯，可對數(shù)控程序進(jìn)行編輯。

　　(2)接口程序功能：利用OLE自動機制建立與T—FLEX CAD系統(tǒng)的嵌入連接，使T—FLEX CAD系統(tǒng)中的三維模型變成OLE控制對象，并與軟件系統(tǒng)中的數(shù)控程序連接。逐行提取數(shù)控程序中的五軸坐標(biāo)，通過Active X函數(shù)將五軸坐標(biāo)傳送給T—FLEX CAD系統(tǒng)中描述三維模型的參數(shù)，由參數(shù)驅(qū)動模型連續(xù)變化，從而動態(tài)仿真加工過程并產(chǎn)生動畫文件，進(jìn)而快速有效地檢驗數(shù)控程序。接口程序有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、Active X自動機制兩種實現(xiàn)方式(下文詳述)。系統(tǒng)流程圖如圖1所示，數(shù)控程序預(yù)處理流程圖如圖2所示。

　　圖1五軸數(shù)控程序仿真流程圖

　　圖2數(shù)控程序預(yù)處理流程圖

　　該方案的優(yōu)點如下：①不需要設(shè)計復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，只需要建立仿真模型和設(shè)計接口程序;②通過采用時間分割法的插補，實現(xiàn)精確的仿真;③由于該方案在計算機中實現(xiàn)，因此可靠、穩(wěn)定、成本低。

　　2方案實現(xiàn)

　　基于T—FLEX CAD系統(tǒng)的仿真方案分三步實現(xiàn)：第一步，建立仿真模型;第二步，編程實現(xiàn)接口程序;第三步，動態(tài)仿真。

　　2.1建立仿真模型

　　為仿真機床運動，加工工藝系統(tǒng)除了必須包含工件、刀具、機床模型外，更重要的是通過裝配約束嚴(yán)格定義機床結(jié)構(gòu)和五個運動自由度。

　　五軸數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)有雙回轉(zhuǎn)工作臺、雙擺動主軸、回轉(zhuǎn)工作臺加擺動主軸三種形式，對應(yīng)的三種幾何模型如圖3、4、5所示。

　　圖3雙回轉(zhuǎn)工作臺五軸數(shù)控機床模型

　　圖4雙擺動主軸五軸數(shù)控機床模型

　　圖5回轉(zhuǎn)工作臺加擺動主軸五軸數(shù)控機床模型

　　根據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究結(jié)果，帶動工件直線運動的坐標(biāo)記為X、Y，、Z，帶動主軸直線運動的坐標(biāo)記為X’、Y’、Z’，A、B、C同理，則在樣本空間(X、Y、Z、A、B、C、X’、Y’、Z’、A’、B’、C’)中，如圖3所示的機架、主動軸回轉(zhuǎn)臺、依賴軸回轉(zhuǎn)臺、刀具系統(tǒng)，可裝配出24種機床結(jié)構(gòu)形式。圖3a、b分別列出其中的兩種形式。

　　本方案根據(jù)機床的實際結(jié)構(gòu)，通過裝配約束嚴(yán)格定義該系統(tǒng)的五個自由度如下：機架實現(xiàn)X、Y軸的直線運動，主動軸旋轉(zhuǎn)臺裝配在機架上，實現(xiàn)B軸的旋轉(zhuǎn)運動，依賴軸旋轉(zhuǎn)臺裝配在主動軸旋轉(zhuǎn)臺上，實現(xiàn)C軸的旋轉(zhuǎn)運動。刀具安裝在主軸上，實現(xiàn)z軸的直線運動。系統(tǒng)裝配后為BCXYZ’的結(jié)構(gòu)形式，只保留如上文所述的五個自由度，有兩條傳動鏈，分別為：機架——B軸回轉(zhuǎn)臺——C軸回轉(zhuǎn)臺——工件;刀具——工件。在此基礎(chǔ)上，如要更真實仿真機床運動，可增加夾具等零件。在裝配過程中，零件的幾何尺寸、五個自由度的運動量都以變量的形式保存到變量表(即“變量編輯器”，如圖6所示)中，根據(jù)不同機床的實際結(jié)構(gòu)修改變量值。該模型便描述了結(jié)構(gòu)為BCXYZ’的一類機床。

　　圖6 T—FLEX CAD系統(tǒng)“變量編輯器”示意圖

　　2.2編程實現(xiàn)接口程序

　　筆者已使用Delphi7.0語言開發(fā)出“五軸數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)”。并正在申請軟件版權(quán)。該系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、Active X自動化兩種方式實現(xiàn)接口程序，其核心程序如下：

　　(1)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)方式的實現(xiàn)

　　使用T—FLEX CAD系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫函數(shù)“mdb(“外部數(shù)據(jù)庫名”，“數(shù)據(jù)庫表名”，“數(shù)據(jù)庫字段名”，“條件表達(dá)式”)”建立仿真模型與數(shù)據(jù)庫之間的參數(shù)約束關(guān)系。如用語句mdb(“NC5D.mdb”，“Coord”，“C”，“N={n}”)”實現(xiàn)C軸旋轉(zhuǎn)角度與數(shù)據(jù)表的參數(shù)約束。

　　(2)Active X自動化機制的實現(xiàn)

　　在本系統(tǒng)中先定義如下一個創(chuàng)建T—FLEX OLE控制對象的函數(shù)：

　　Function TF—CreateTFObj()：OLEVariant;

　　在該函數(shù)中寫入如下語句：

　　BEGIN

　　Result：=CreateOLEObject(。TFW32.SERVER’);

　　…

　　End;

　　其中“CreateOLEObject()”函數(shù)用于創(chuàng)建一個T—FLEX CAD系統(tǒng)OLE控制對象，“TFW32.SERVER”語句用于建立與T—FLEX CAD系統(tǒng)的連接，以后T—FLEX CAD系統(tǒng)打開的文檔即可作為本系統(tǒng)的操作對象。

　　本系統(tǒng)具備插補仿真功能，因此該系統(tǒng)的仿真精度很高。該系統(tǒng)能實時計算并顯示插補過程中的插補點，為數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提供算法的檢驗工具。

　　2.3動態(tài)仿真

　　對應(yīng)接口程序的兩種實現(xiàn)方式，分別有兩種仿真方法：

　　第一種是把五軸坐標(biāo)儲存到mdb數(shù)據(jù)庫中，每行數(shù)控程序?qū)?yīng)數(shù)據(jù)表中的一條記錄。仿真時，使用T—FLEX CAD系統(tǒng)中的“動態(tài)模擬”功能，以數(shù)據(jù)表的記錄號為指針，逐行讀取數(shù)據(jù)表中的五軸坐標(biāo)，驅(qū)動仿真模型連續(xù)變化，并生成仿真過程的AVI動畫文件。

　　第二種是在應(yīng)用上文所述的Active X自動化機制建立高級語言程序與T—FLEX CAD系統(tǒng)的連接后，逐行提取每行數(shù)控程序中的五軸坐標(biāo)，連續(xù)修改變量表(如圖6“變量編輯器”所示)中的變量值，驅(qū)動仿真模型連續(xù)變化，實現(xiàn)動態(tài)仿真。

　　3 實例驗證

　　以葉輪的五軸數(shù)控加工過程仿真為例，筆者首先使用Cimatron E8.5軟件生成數(shù)控程序。再用“五軸數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)”讀人數(shù)控程序并動態(tài)仿真數(shù)控程序(圖7)。

　　圖7“五軸數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)”連續(xù)仿真示意圖

　　在仿真過程中，使用T—FLEX CAD系統(tǒng)提供的動態(tài)旋轉(zhuǎn)、放大、測量等功能，檢測、測量刀具與工件、夾具等的距離，沒有發(fā)現(xiàn)干涉、碰撞等問題。說明該數(shù)控程序正確，可直接用于數(shù)控加工。在計算機上仿真(精加工)該葉輪的一個流道，由于無需仿真粗加工，因此只需15 min。與試切法相比，有效地減少了檢驗時間。

　　4結(jié)語

　　本文提出一種基于T—FLEX 3D CAD系統(tǒng)的數(shù)控程序檢驗方案，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出具備自主知識產(chǎn)權(quán)的“五軸數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)”軟件。該系統(tǒng)能直接仿真數(shù)控程序并實現(xiàn)插補仿真，對數(shù)控程序的檢驗快速有效。經(jīng)該系統(tǒng)檢驗并調(diào)試的數(shù)控程序，可直接應(yīng)用于數(shù)控加工，極大地縮短了五軸數(shù)控程序的準(zhǔn)備周期。