虚拟制造在复杂曲面五轴联动加工中的应用
介绍
复杂曲面的五轴数控加工技术是当今制造业的高新技术。它是一项涉及计算机三维建模、CAM自动编程技术、测量技术、制造技术和切削仿真技术的综合性技术，因此具有较高的技术难度。但由于五轴联动加工技术具有精度高、效率高、加工适应性强的特点，能够更好地适应复杂曲面的数控加工。如今，五轴加工技术已经广泛应用于发电设备制造、飞机制造和船舶制造。对于复杂曲面的五轴数控编程，由于曲面复杂，且多为不可展开的雕塑曲面，容易产生过切等不易察觉的干涉现象。而且在五轴数控机床的加工中，数控铣头或工件的转动容易发生干涉和碰撞，造成工件、刀具甚至机床的损坏。因此，在实际加工中，即使是经验丰富的工程师也需要反复试切调试程序，造成人力、时间、精力、材料的浪费，效率低下。VMs(虚拟制造系统(VMS)是信息世界中不消耗能源和资源的实际制造系统的完整映射。虚拟制造最早是由美国在20世纪80年代提出的。它是对真实产品制造的动态模拟，是在计算机上进行的不消耗物理资源的模拟制造软件技术。虚拟制造机床系统是真实制造机床系统在虚拟空间中的映射。它是由虚拟机床→刀具→夹具→工件组成的虚拟系统，具有真实机床加工系统的所有功能、特性和行为，能够完成与真实机床加工系统相同的虚拟生产任务。利用虚拟制造机床对复杂曲面的五轴数控加工进行仿真，可以真实地反映制造过程中的过切、碰撞等干涉现象，为程序的修改提供数据。加工程序可以反复调试，不消耗材料和能源，不占用机器时间，就可以得到正确的数控加工程序。虚拟制造机床系统可以提供加工过程中的关键数据，如优化的切削参数和总加工时间，通过这些数据可以评价加工策略和改进加工方案。可以进一步优化加工程序，缩短切削过程中的空行程进给时间，调整复杂曲面不同位置的加工进给速度。
虚拟制造机床系统
针对复杂曲面五轴联动系统加工中存在的问题，利用商业软件建立虚拟制造机床系统需要进行以下技术研究。
1.虚拟制造机床的组成
2.机床模拟和校准
3.程序优化
虚拟制造机床应能完整、真实地反映真实机床，在拓扑结构、外形尺寸、运动功能等方面与真实机床一致或相似。虚拟制造机床的建立主要包括机床几何结构、控制系统和刀具库的建立。为了真实反映真实机床，虚拟机床必须具有相同的机床拓扑，然后机床各运动轴的几何尺寸要与真实机床一致。特别是具有两个旋转轴的五轴联动机床的数控铣头和Z轴滑枕的尺寸需要与真实机床完全一致。此外，机床各运动轴的运动极限和相对关系也应与真实机床一致。建立控制系统的目的是使虚拟控制系统具有与真实系统相同的功能，定义机床功能，如g代码、M代码，实现虚拟机床的控制功能。机床库的建立主要是建立实际制造系统中使用的各种尺寸规格相同的刀具，以真实模拟切削过程。在虚拟制造机床上添加工件毛坯、刀具和夹具，设置编程坐标系和机床坐标系的相对位置关系，加载加工程序后，就可以实现真实机床加工的仿真。仿真可以真实模拟过切、碰撞等各种现象，并给出报警，指明出现这种现象的位置。程序优化首先需要针对不同的产品材料和刀具材料建立个性化的程序优化库，这需要通过做大量的切削实验来建立。在程序优化过程中，根据不同的加工材料和刀具，选择优化库中的实例对程序进行优化。优化后，在复杂曲面的不同加工区域自动设定不同的切削进给速度，使每齿切削量和金属去除率保持恒定，从而提高加工效率。
虚拟制造在复杂曲面加工中的应用实例
水轮机叶片的加工属于大型复杂雕塑曲面的加工，毛坯体积大，材料价格昂贵。利用虚拟制造技术对加工过程进行仿真，可以规避各种制造风险，提高零件的加工质量和效率。利用虚拟制造技术对涡轮叶片进行机床仿真的过程如图1所示。我们利用VERICUT机床仿真软件在计算机上构建虚拟制造机床，实现水轮机叶片加工过程中的机床仿真、程序验证和程序优化。以混流式水轮机叶片的机床仿真为例，介绍了利用VERICUT软件实现复杂曲面虚拟机床制造的方法。
1的编制。FKSA1800机床模型系统
2.复杂曲面五轴加工机床的仿真、验证及程序优化。
FKSA1800是水轮机厂的单臂五轴联动铣床，有X、Y、Z三个直线轴和B、C两个旋转轴，Y轴依附于Z轴，旋转轴C轴依附于Z轴，旋转轴B轴依附于C轴，属于头头五轴联动机床。工作台尺寸为1.6m