基于PowerMILL五轴机床运动仿真的探索与应用
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编者按
五轴数控机床不仅可完成复杂、精密零件的加工，而且还能提高加工效率。加工程序的正确性，对产品的质量有很大影响。数控仿真不仅可以验证程序的正确性，还可以检测刀具与机床附件是否存在干涉。五轴机床运动仿真以机床模型搭建为基础，深入研究机床运动控制文件等关键技术，解决五轴机床运动仿真等技术难题，为五轴数控加工提供了依据。
01
序言
五轴数控加工可减少工件的装夹次数，改善加工质量，提高加工效率。航空加工零件结构多样、复杂，五轴数控加工可满足加工要求，但也给数控编程人员带来了新的挑战。数控程序编完后，未仿真的数控程序安全性和正确性很低，直接传输到机床进行加工，会导致首件试切时间延长，加工效率降低。为了更有效地利用五轴机床，需要模拟机床加工过程，避免干涉。五轴数控加工仿真分为代码前仿真和代码后仿真。前者验证刀具和夹具等附件是否存在干涉，进、退刀是否合理；后者主要是验证程序的正确性，同时也检测刀具与机床夹具是否存在干涉等问题。
02
搭建五轴机床模型
五轴数控机床有3个线性轴和2个旋转轴，常见的五轴机床结构有双摆台结构、双摆头结构、单摆头+单转台结构、非正交结构、附加旋转工作台以及车铣复合加工中心。本文以双摆台结构的五轴机床为例，搭建五轴机床模型。双摆台五轴机床坐标轴如图1所示，有3个线性轴X、Y、Z和2个旋转轴A、 C。建立机床模型时，根据机床实际结构，先构建机床组件树（见图2）。组件树需要从毛坯和刀具两方面依次找到各自对应的运动关系，双摆台五轴机床，刀具安装在Z轴，毛坯安装在C轴工作台面。
图1 五轴机床坐标轴
图2 五轴机床组件树
对于双摆台五轴机床，从图2可以看出，刀具依附在Z轴，Z轴依附在X轴，X轴依附在Y轴，由此得出：Y轴移动就会带动X轴和Z轴移动，Z轴的移动仅仅带动刀具上下移动。毛坯依附在C轴工作台，C轴依附在A轴，旋转A轴就会带动C轴和毛坯旋转，C轴的旋转仅仅带动毛坯旋转。
创建机床三维模型，用NX软件创建机床各组件三维模型。为了便于配置五轴机床，在坐标系原点创建工作台组件，再以工作台为基准创建其余组件，装配后如图3所示。将机床各组件输出并转换为.dmt文件格式。注意：机床各组件要和机床运动控制.mtd文件放在同一个文件夹中，否则调出机床模型会出错报警。
图3 NX创建的五轴机床模型
03
配置五轴机床
创建机床运动控制.mtd文件，1个完整的机床配置文件中有3部分，机床静止部件、床身table运动部件和主轴head运动部件。机床静止部件可以没有，如机床底座、机床外壳、显示器等。
根据组件树创建运动控制文件，A、C轴控制文件设定如图4所示。其中，A轴控制文件部分内容如下。
<control_info ADDRESS= ” A ” MIN= ”-110” MAX=”4 0” HOME=”0” VALUE=”0”PRIORITY=”MEDIUM”/>；设定A轴的行程范围－110°～40°
<simple_rotary X=”0” Y=”0” Z=”100” I=”-1”J=”0” K=”0” />；A轴中心轴线到工作台面距离100mm
<model_list OPACITY=”600”>；组件模型透明度显示
<rgb R=”150” G=”150” B=”150” />；用RGB三原色表示此部件在PowerMILL中的颜色
<path FILE=”友嘉600/A轴转台.dmt” />；指定机床部件所在路径
图4 A、C 轴控制文件
设定线性轴控制文件如下。
<control_info ADDRESS= ”Y ” MIN= ”-260” MAX=”260” HOME=”0” VALUE=”0”PRIORITY=”HIGH”/>；设定Y轴的行程范围
<simple_linear I=”0”J=”1”K=”0”/>；设定Y轴的初始方向
<control_info ADDRESS= ”X ”MIN= ”-230”MAX=”230”HOME=”0” VALUE=”0”PRIORITY=”HIGH”/>；设定X轴的行程范围
<simple_linear I=”1” J=”0” K=”0”/>；设定X轴的初始方向
<control_info ADDRESS=”Z”HOME=”400”VALUE=”400”PRIORITY=”HIGH”/>；设定Z轴的初始位置距离工作台面400mm
<simple_linear I=”0”J=”0”K=”1”/>；表示刀具的初始位置
04
仿真验证
开启PowerMILL软件加载机床运动控制文件，调入已搭建的五轴机床模型，如图5所示，在手动模式下移动机床各坐标轴，检查坐标轴移动范围和运动方向，经测试符合实际机床运动要求。之后用搭建的五轴数控机床模型完成叶轮仿真加工，检查刀具和机床夹具等附件是否存在干涉。设定机床碰撞检测功能，如果仿真加工中有干涉和碰撞，暂停加工并显示报警信息，根据报警信息修改加工策略，优化加工工艺。若工作台和主轴发生碰撞，仿真暂停在碰撞处，如图6所示。
图5 五轴机床模型
图6 工作台与主轴发生碰撞
要解决碰撞有三种方法，一是增加工件的装夹高度，二是增加刀具装夹长度，三是修改加工策略，限制A轴的摆角范围。优先选择限制摆角避免干涉碰撞。当A轴的摆角＞90°时，工作台和主轴最容易发生碰撞，一般选择增加工件的装夹高度解决干涉问题。工件应安装在工作台的回转中心，避免A、C轴联动再次发生干涉。
工件装夹高度合理，才能保证工作台和主轴之间保持一定的安全间隙。装夹高度过低，工作台和主轴会发生干涉；装夹过高，加工刚性不足，易发生振动影响加工质量。装夹示意如图7所示，L为工作台半径，L 1为最小安全间隙，L 2为主轴单边距离，D为刀具半径，U为工件装夹偏差，&Max为A轴的最大摆角，H 理论为夹具最小理论安全高度，H 实际为夹具实际最小安全高度。
05
本文发表于《金属加工（冷加工）》2021年第2期79~81页，作者：年得君，孙耀恒，原标题：《基于PowerMILL五轴机床运动仿真的探索与应用》。