隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程在制造業(yè)數(shù)控加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別在一些不規(guī)則的復(fù)雜曲面，用宏程序很難實(shí)現(xiàn)，借助CAD/CAM軟件，將大大提高生產(chǎn)效率。 在計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程中，加工仿真是虛擬制造的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它能夠直觀地反映現(xiàn)實(shí)的加工環(huán)境、加工過(guò)程和加工后零件的結(jié)果，通過(guò)軟件構(gòu)建機(jī)床模型、組裝并模擬實(shí)際的機(jī)床運(yùn)動(dòng)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工

過(guò)程中的過(guò)切、干涉、碰撞和欠切等錯(cuò)誤，將錯(cuò)誤消除在加工編程的設(shè)計(jì)階段，提高數(shù)控加工過(guò)程的可靠性。

CATIA V5具有統(tǒng)一的用戶(hù)界面數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用接口，并擁有幾十個(gè)獨(dú)立的模塊。下面以立式三軸數(shù)控銑床為例，簡(jiǎn)單講述在CATIA V5中三軸機(jī)床模型的構(gòu)建、組裝、參數(shù)設(shè)置 和整機(jī)模擬的過(guò)程。

一、機(jī)床模型的構(gòu)建

機(jī)床模型的構(gòu)建要依據(jù)以下幾個(gè)步驟：1)通過(guò)測(cè)量真實(shí)部件的尺寸來(lái)獲得相應(yīng)尺寸;2)根據(jù)尺寸對(duì)機(jī)床各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)體造型;3)根據(jù)所建立的部件實(shí)體在NC機(jī)床構(gòu)建模塊里進(jìn)行組裝;4)進(jìn)行機(jī)床模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置。

1.機(jī)床部件的實(shí)體造型

立式三軸數(shù)控銑床的機(jī)床部件主要包括床身、X 軸部件、Y 軸部件和Z 軸部件，其中床身為固定部件。首先進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)模塊的零件設(shè)計(jì)模塊，利用凸臺(tái)、凹槽命令根據(jù)機(jī)床部件的實(shí)際尺寸，創(chuàng)建機(jī)床的部件的3D模型，并以后綴名為“CATPart”的文件分別保存，如圖1所示。

圖1.機(jī)床部件的實(shí)體模型

2.機(jī)床部件3D模型的組裝

(1)首先單擊軟件開(kāi)始菜單下的加工模擬(VNC)模塊里的“NC機(jī)具定義(NC Machine Tool Builder)”，(注意不要進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)模塊里的裝配模塊(Assembly Design ))，進(jìn)入后在左上角會(huì)出現(xiàn)為“產(chǎn)品1”的歷程樹(shù)，單擊“產(chǎn)品1”按鼠標(biāo)右鍵，選擇“屬性”，將“產(chǎn)品1”改為“自制機(jī)床”。

(2 )鼠標(biāo)右鍵依次點(diǎn)選“自制機(jī)床”→“部件”→“現(xiàn)有部件”，系統(tǒng)彈出文件選擇對(duì)話(huà)框，按Ctrl鍵點(diǎn)選所有繪制機(jī)床部件的保存文件，調(diào)入后各部件可能散置各處，可先用羅盤(pán)將各部件先行翻轉(zhuǎn)至適當(dāng)處，如圖2所示。

圖2 機(jī)床各部件的調(diào)入

(3)選擇工具欄中新機(jī)具按鈕進(jìn)行機(jī)具組裝(或者在菜單欄中選擇“插入”→“DNB New Creation Menu” → “New Machine ”) ， 歷程樹(shù)上會(huì)出現(xiàn)“NCController”及“Application”節(jié)點(diǎn)，建議先點(diǎn)選固定部件，再點(diǎn)選Fixed Part，系統(tǒng)彈出新固定部分對(duì)話(huà)框，后再點(diǎn)選床身底座，這時(shí)床身部件會(huì)出現(xiàn)綠色的約束符號(hào)，同時(shí)歷程樹(shù)上會(huì)出現(xiàn)約束節(jié)點(diǎn)，表示被固定。

(4)三軸數(shù)控銑床的各軸運(yùn)動(dòng)副為移動(dòng)副，使用柱狀接頭將床身底座部件與Y 軸部件、X 軸部件和Z 軸部件連接，并將其約束，使各機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)。

選擇工具欄中柱狀接頭按鈕Prismatic Joint進(jìn)行Y 軸部件的組裝，單擊后系統(tǒng)彈出如圖3所示的接頭創(chuàng)建對(duì)話(huà)框，分別點(diǎn)選Y 軸部件和床身底座配合導(dǎo)槽相對(duì)應(yīng)的兩條邊線(xiàn)和兩個(gè)表面，注意要勾選“長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)”單選項(xiàng)，確定后系統(tǒng)會(huì)彈出“機(jī)制能被仿真”的信息對(duì)話(huà)框(若未出現(xiàn)則表示底座未固定)。

完成后，Y 軸部件和床身底座配合在一起，在導(dǎo)槽處會(huì)出現(xiàn)約束符號(hào)，同時(shí)歷程樹(shù)上的約束節(jié)點(diǎn)里會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)相合的約束。

用相同的方法進(jìn)行X 軸部件及Z 軸部件的組裝，設(shè)定正確會(huì)再出現(xiàn)兩次“機(jī)制能被仿真”窗口，若未出現(xiàn)則可能未勾選“驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度”選項(xiàng)，組裝完成整個(gè)三軸機(jī)床模型。

3.機(jī)床模型參數(shù)的設(shè)置

(1)定義工件安裝及刀具之接合點(diǎn)。在歷程樹(shù)上“NCController” 節(jié)點(diǎn)內(nèi)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是

“Workpiece Mount Point(工件安裝點(diǎn))”和“Tool Mount Point(刀具安裝點(diǎn))”。工件安裝點(diǎn)可設(shè)在工作臺(tái)上表面的任意位置， 最好設(shè)置在中心位置，刀具安裝點(diǎn)在Z軸主軸下端面的中心處，為了方便，可以先在工作臺(tái)表面中心位置和主軸下端面的中心處各創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)。用鼠標(biāo)左鍵雙擊“Workpiece Mount Point”節(jié)點(diǎn)，此時(shí)機(jī)床模型上出現(xiàn)綠色的羅盤(pán)，將羅盤(pán)中心移動(dòng)到工作臺(tái)上 表面中心位置創(chuàng)建的點(diǎn)上，如圖4所示，再用鼠標(biāo)左鍵單擊工作臺(tái)部件，彈出設(shè)定位置對(duì)話(huà)框，按“確定”即可完成工件接合點(diǎn)的設(shè)置(當(dāng)然，也可改變X軸、Y軸的坐標(biāo)來(lái)調(diào)整羅盤(pán)的位置)，用相同的方法來(lái)設(shè)置刀具接合點(diǎn)。

圖4 三軸機(jī)床模型

(2)設(shè)定裝置屬性。可以根據(jù)“Device Attributes(裝置屬性)”工具欄依次進(jìn)行設(shè)定，如圖5所示，單擊行程限制按鈕，彈出修改命令限制對(duì)話(huà)框，修改各坐標(biāo)軸的行程。

單擊原點(diǎn)位置按鈕，彈出“原點(diǎn)位置檢視器”對(duì)話(huà)框，點(diǎn)選新建按鈕，彈出如圖6所示的原點(diǎn)位置編輯器，先將線(xiàn)性間隔改為10mm，在DOFControls自由度控制設(shè)置原點(diǎn)的位置，可以用鼠標(biāo)左鍵按住對(duì)話(huà)框里的游標(biāo)左右移動(dòng)調(diào)整各軸位置，移動(dòng)過(guò)的位置變成綠色，如果為紅色則超出行程，也可以按后面數(shù)值的上下按鈕，每次增加或減少一個(gè)間隔距離，設(shè)置完按“關(guān)閉”鍵，原點(diǎn)位置大多設(shè)在各坐標(biāo)軸正向最大極限處，用同樣的方法設(shè)置換刀點(diǎn)位置。

圖6 原點(diǎn)屬性編輯器

(3)保存文件。將機(jī)床模型以后綴“CAT Product”的文件保存，最好保存在和各部件文件同一個(gè)文件夾內(nèi)，因?yàn)槿绻考募G失，機(jī)床模型文件也無(wú)法打開(kāi)。

二、仿真的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行整機(jī)模擬時(shí)，開(kāi)啟任一已設(shè)定完成的加工文檔，將里面的三軸工具機(jī)改為自制機(jī)床即可，下面以圖7所示簡(jiǎn)單的挖槽加工為例，介紹仿真操作的過(guò)程。

(1)打開(kāi)已設(shè)定完成的以后綴名為“CAT Process”存盤(pán)的加工文檔，窗口左邊會(huì)出現(xiàn)PPR歷程樹(shù)。

(2)雙擊加工過(guò)程節(jié)點(diǎn)“Process List”下的加工設(shè)定“Part Operation.1”，彈出加工設(shè)定對(duì)話(huà)框。 在對(duì)話(huà)框中單擊數(shù)控機(jī)床按鈕，彈出機(jī)床編輯器，原來(lái)選擇的是三軸工具機(jī)，這時(shí)應(yīng)單擊“從文件選擇”按鈕打開(kāi)自制機(jī)床的保存文件，機(jī)床就被調(diào)入，零件和機(jī)床散置各處，單擊工具欄上自動(dòng)設(shè)定工件按鈕，工件將自動(dòng)放置在工作臺(tái)工件安裝接合點(diǎn)上。

(3)用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)選加工設(shè)定節(jié)點(diǎn)下的“Manufacturing Program.1” 制造程式1節(jié)點(diǎn)，彈出下拉菜單，依次選擇“Manufacturing Program.1對(duì)象”→“Simulate Machine using Tool Path”，使用刀具路徑開(kāi)始機(jī)具模擬，彈出程式模擬對(duì)話(huà)框，按“開(kāi)始”鍵，整臺(tái)機(jī)床就開(kāi)始切削模擬，如圖8所示。

圖8 整機(jī)模擬

(4)在整機(jī)模擬的過(guò)程中，可以進(jìn)行模擬分析的設(shè)定，單擊“Simnlation Analysis Tools”模擬分析工具里建立預(yù)設(shè)干涉按鈕，模擬時(shí)會(huì)彈出分析偵測(cè)對(duì)話(huà)框，如有干涉或碰撞會(huì)彈出分析資訊對(duì)話(huà)框，顯示警告信息，運(yùn)行完可以在干涉清單里看到詳細(xì)分析的報(bào)告。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)略地介紹了利用CATIA軟件進(jìn)行自制三坐標(biāo)機(jī)床的整機(jī)模擬，在四軸或五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床上應(yīng)用更廣泛，如圖9和圖10所示。

整機(jī)模擬在數(shù)控加工中具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，在虛擬的環(huán)境檢測(cè)程序的正確性，避免了因產(chǎn)生碰撞造成的巨大損失，同時(shí)也縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了生產(chǎn)效率。