基于约束尺寸混合驱动的虚拟数控机床技术研究
黄敏高
摘 要： 在数字虚拟机床模型的基础上，提出了一种遵循机床部件运行主从关系及约束关系的新型机床设计方法。此种机床采用矩阵组建数字化处理技术对机床主从部件的工作位次进行矩阵变换，按照最佳循环驱动组件进入工作状态。此外，在机床加工制造过程中，引入了最新的WAVE切割技术，实现刀具和各机床部件之间的无缝链接，同时实现精密切割工作，减少工件材料损耗。此外，还内置了完整的数字化机床控制系统，管理整体叶轮工件和叶片电解加工流程，实现高精尖的五坐标定点数控加工模型。模拟、预设完整加工流程，从而实现高度的工作自检和自动化编程系统，大幅提升现有的机床工作效率和自动化程度，且降低流程出错率和加工次品率。
关键词： 虚拟数控机床； 约束与尺寸混合驱动； 模型装配； 流程管理
中图分类号： TN915.5?34； TP391.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0155?03
Abstract： A new machine tool design method following master?slave relation and constraint relation of machine tool assembly is proposed. The matrix form digitization processing technology is used in the machine tool to perform the matrix transformation for the working precedence of the machine tool′s master?slave assemblies， and drive the assemblies into the working state in accordance with the best cycle. In the process of machine tool manufacturing， the WAVE cutting technology is introduced to realize the seamless linking between the cutter and each assembly of machine tool， and precision cutting， so as to reduce the loss of workpiece material. The whole digital control machine tool system is built in to manage the integral impeller workpiece and impeller electrolytic machining process， and realize the numerical control （NC） machining model with five?coordinate fixed points. The whole process flow is simulated and preset to realize the high?efficient work self?checking and automatic processing programming system， improve the working efficiency and automation degree of machine tool greatly， and reduce the flow error rate and process defective rate.
Keywords： virtual NC machine tool； hybrid drive； model assembly； process management
0 引 言
现今，虚拟机床技术是最新式数字化制造方式的核心内容，更是决定产业加工效率和质量的重要技术[1]。其所具备的虚拟加工和流程预估系统，能全方位地仿真工件加工环境，真实评估机床加工流程对工件质量的参数影响，从而更好地进行工程修正，达到精加工的技术要求。此外，数字化虚拟机床还开辟出一块全新的研究领域，其能够实现在虚拟仿真过程中，动态监控产品的运动轨迹和机床进行的各类切、削。凿、铣工艺流程，可详细掌握影响工件表面参数、体积参数、比例参数、材料参数等工件性能相关加工步骤，从而实现客观功能的完整描述，同时大幅提升机床综合性能。由此本文根据工程实践需求，设计开发出一套符合尺寸驱动和约束条件的虚拟数控机床模型，并对其加工编程、模拟、验证、检查与精度检验步骤进行细致讨论[2]。
1 虚拟数控机床模型组建
本文所研究的虚拟机床采用通用装配模型，由刀具库、控制台、夹具库和虚拟机床主控系统组成。各模块协同完成机床加工状态模拟、运动规律检验等功能，再辅助工件切削、塑形的刀具库和固定夹具，实现加工的虚拟化仿真[3]。具体关系如图1所示。
此外，机床与工件间的设计交互通过专门的人机接口，即数据输入、分析，加工模拟的主控界面来实现。其中，虚拟逻辑控制器主管整个系统运行，CNC作为工程数控系统计算工件加工机床的运动轨迹和位移参量[4]。工件模型细节处理及表面数据提取则交由具体的各分支工艺提取模块实现数据采集，再交由中控系统传递给控制界面进行人工操作与修正。
2 数控机床部件装配实现
2.1 模型零部件装配拓扑结构分析
拓扑结构能直观地反映出装配部件之间的位置关系和功能组合，因此在机床模型装配实现过程中拓扑分析必不可少。通常，虚拟数控机床由中心主轴驱动系统、工件加工及处理工作台、流水作业线等部分组成，這也是构建相应装配拓扑模型的主要骨架。此外，为了简化模型结构，增强执行效率和可读性，常省略次要链接类、支撑类部件。图2中采用树形拓扑结构，详细绘制了数控机床的各部件装配组合与位置关系，记录并区别装配模型的数据库对象，便于系统后续的查询校验及精确控制。
2.2 装配部件约束关系讨论
在实机装配过程中，各部件之间的关系依靠定位元件实现关联约束。同样在部件装配拓扑图中，各模型部件间的运动关系也依靠运动中轴来进行相对定位，随后建立起约束关系。图2的数控机床中，y，x，c，z之间的运动和约束关系就由相对运动次序和功能组合来实现精确装配[5]。y轴滑台跟随x轴滑台运动，而c轴回转工作台又跟随y轴滑台运动，则以x轴中心孔对齐，依次关联y，c轴部件，以实现机床部件协同作业。
2.3 部件装配数据模型构建
为了完美实现数控机床装配部件的联动性和功能性，需要预先构建出基于实际装配数据的虚拟装配几何模型。通过该模型将详细部件参数加载输入并进行模拟运行，测試出设计部件性能和机床位置矩阵变换关系，从而为后续的参数修正与机床调试环节节省大量的人力、物力[6]。
建立的虚拟装配数据模型结构与算法程序如下：
Typedef struct MC Assembly
{
MC Component* head comp；
MC Movement* move；
}
Typedef struct MC Component
{
int instance tag；
int occurence tag；
charworkpiece name[130]；
charinstance name[80]；
Pos Matrixini pos；
double origin[3]；
double csys matrix[9]；
structMC Component* children；
structMC Component* next；
structMC Component* parent；
…
}MC Component；
3 尺寸驱动与运动轨迹
3.1 部件运动位置状态参数
装配部件的主要运动状态包含位移和旋转两类。因此，各部件相对位置关系及部件运动状态参数是建立数学模型的首要任务。对此，常采用部件装配位置坐标系Oxyz和部件自身参数坐标系Owxcyczc双坐标系对照参考，确定精确的部件运动状态。具体示例如图3所示，通过两个坐标系的配合，可完整描述大部分部件的移动、转动变化情况[7]。
基于上述空间坐标系，可以进一步将几何状态数据转化为抽象的位置矩阵表示，便于后续的参数计算与修正。位置矩阵如下：
3.2 运动变换
根据上述部件双坐标系的建立和数学矩阵模型函数，可实现对各动轴部件的移动或旋转进行运动变换[8]。此外，为了配合实际工件的直线位移量和旋转角度系数，设定6变量参数矩阵如下：
3.3 动轴驱动实现
虚拟数控机床中动轴采用尺寸驱动实现，因此需要CNC虚拟系统完成前期的加工轨迹计算和数据输入，通过对各动轴的输入脉冲数分析与定位分配，实现数字信号的编码解析[9]。再通过传动电机对机床工作台、运动主轴进行定向驱动，配合传感器的实时反馈来实现位移控制。动轴驱动实现过程如图4所示。
4 加工模拟
加工模拟是在单纯的工件运动和刀具操作运行的基础之上，真实还原出所加工工件的表面参数及详细尺寸参数[10?11]。由于刀具是在运动过程中通过做连续切割运动，剔除产生的加工余料从而形成切割表面，因而还需要实时测试刀具加工对工件表面参数的影响。详细加工模拟过程如图5所示。
通常在虚拟UG装配空间中，模型间的逻辑运算仅能进行一次，而真实加工状态远比单次运算所能模拟的加工环境要更为复杂。因此，加工模拟要进行多次相交运算才能更加贴近真实表面情况[12]。本系统采用WAVE技术进行标识、相交运算、矩阵变换、实体链接来确定返回值和二次开发函数，通过循环运算以实现加工状态的高度贴合，为虚拟数控机床技术的应用实践奠定坚实的基础。
5 结 语
本文建立了基于尺寸混合和约束状态下的数控虚拟机床模型，从机床组成的机械部件、主控系统、数据传输、人机链接等模块分析了机床加工、运动过程。采用WAVE技术建立专有空间模型，通过对象间的链接、复制、相交、转置等运算，实现了动轴驱动和动态加工模拟，并能真实模拟加工环境。该设计模型具有高度的实践运用效能和直观、简便的操作优势，可大幅提高工作效率、简化工作流程，对于虚拟机床技术改良、优化具有积极的指导意义。
参考文献
[1] 杨军，袁博，周立，等.基于虚拟样机技术的位标器建模与误差分配[C]//系统仿真技术及其应用学术论文集.合肥：中国科学技术大学出版社，2014.
[2] 于潜.基于虚拟现实的车铣加工中心动态仿真的研究[D].沈阳：东北大学，2012.
[3] 刘黎.基于装配模型的产品变型设计研究[D].桂林：桂林理工大学，2013.
[4] 朱洪敏.基于语义关联模型的虚拟装配工艺规划支撑技术研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[5] 路懿.用CAD约束和尺寸驱动技术分析平面机构的运动[J].计算机辅助设计与图形学学报，2002，14（10）：972?976.
[6] 王升福.半开式整体叶轮数控插铣加工刀具轨迹规划研究[D].大连：大连理工大学，2014.
[7] 韩训梅.基于UG的零件建模及数控加工过程的仿真[J].微计算机信息，2010，26（22）：157?158.
[8] 戴晴华，易迪升，田文胜，等.虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J].中国工程机械学报，2010，8（2）：184?189.
[9] 樊启永，顾立志，宋金玲.Pro/E和Vericut虚拟机床建模与仿真[J].华侨大学学报（自然科学版），2010，31（2）：126?131.
[10] 孟晓明，孙伟.FANUC系统数控机床调试方法的改进与应用[J].电子科技，2013，26（2）：117?119.
[11] 纪玉坤，曹利新.基于UG的五轴数控机床加工仿真[J].计算机仿真，2006，23（1）：215?218.
[12] 任宝钢.五轴数控机床加工仿真技术应用[J].工具技术，2014，48（12）：51?53.
摘 要： 在数字虚拟机床模型的基础上，提出了一种遵循机床部件运行主从关系及约束关系的新型机床设计方法。此种机床采用矩阵组建数字化处理技术对机床主从部件的工作位次进行矩阵变换，按照最佳循环驱动组件进入工作状态。此外，在机床加工制造过程中，引入了最新的WAVE切割技术，实现刀具和各机床部件之间的无缝链接，同时实现精密切割工作，减少工件材料损耗。此外，还内置了完整的数字化机床控制系统，管理整体叶轮工件和叶片电解加工流程，实现高精尖的五坐标定点数控加工模型。模拟、预设完整加工流程，从而实现高度的工作自检和自动化编程系统，大幅提升现有的机床工作效率和自动化程度，且降低流程出错率和加工次品率。
关键词： 虚拟数控机床； 约束与尺寸混合驱动； 模型装配； 流程管理
中图分类号： TN915.5?34； TP391.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0155?03
Abstract： A new machine tool design method following master?slave relation and constraint relation of machine tool assembly is proposed. The matrix form digitization processing technology is used in the machine tool to perform the matrix transformation for the working precedence of the machine tool′s master?slave assemblies， and drive the assemblies into the working state in accordance with the best cycle. In the process of machine tool manufacturing， the WAVE cutting technology is introduced to realize the seamless linking between the cutter and each assembly of machine tool， and precision cutting， so as to reduce the loss of workpiece material. The whole digital control machine tool system is built in to manage the integral impeller workpiece and impeller electrolytic machining process， and realize the numerical control （NC） machining model with five?coordinate fixed points. The whole process flow is simulated and preset to realize the high?efficient work self?checking and automatic processing programming system， improve the working efficiency and automation degree of machine tool greatly， and reduce the flow error rate and process defective rate.
Keywords： virtual NC machine tool； hybrid drive； model assembly； process management
0 引 言
现今，虚拟机床技术是最新式数字化制造方式的核心内容，更是决定产业加工效率和质量的重要技术[1]。其所具备的虚拟加工和流程预估系统，能全方位地仿真工件加工环境，真实评估机床加工流程对工件质量的参数影响，从而更好地进行工程修正，达到精加工的技术要求。此外，数字化虚拟机床还开辟出一块全新的研究领域，其能够实现在虚拟仿真过程中，动态监控产品的运动轨迹和机床进行的各类切、削。凿、铣工艺流程，可详细掌握影响工件表面参数、体积参数、比例参数、材料参数等工件性能相关加工步骤，从而实现客观功能的完整描述，同时大幅提升机床综合性能。由此本文根据工程实践需求，设计开发出一套符合尺寸驱动和约束条件的虚拟数控机床模型，并对其加工编程、模拟、验证、检查与精度检验步骤进行细致讨论[2]。
1 虚拟数控机床模型组建
本文所研究的虚拟机床采用通用装配模型，由刀具库、控制台、夹具库和虚拟机床主控系统组成。各模块协同完成机床加工状态模拟、运动规律检验等功能，再辅助工件切削、塑形的刀具库和固定夹具，实现加工的虚拟化仿真[3]。具体关系如图1所示。
此外，机床与工件间的设计交互通过专门的人机接口，即数据输入、分析，加工模拟的主控界面来实现。其中，虚拟逻辑控制器主管整个系统运行，CNC作为工程数控系统计算工件加工机床的运动轨迹和位移参量[4]。工件模型细节处理及表面数据提取则交由具体的各分支工艺提取模块实现数据采集，再交由中控系统传递给控制界面进行人工操作与修正。
2 数控机床部件装配实现
2.1 模型零部件装配拓扑结构分析
拓扑结构能直观地反映出装配部件之间的位置关系和功能组合，因此在机床模型装配实现过程中拓扑分析必不可少。通常，虚拟数控机床由中心主轴驱动系统、工件加工及处理工作台、流水作业线等部分组成，這也是构建相应装配拓扑模型的主要骨架。此外，为了简化模型结构，增强执行效率和可读性，常省略次要链接类、支撑类部件。图2中采用树形拓扑结构，详细绘制了数控机床的各部件装配组合与位置关系，记录并区别装配模型的数据库对象，便于系统后续的查询校验及精确控制。
2.2 装配部件约束关系讨论
在实机装配过程中，各部件之间的关系依靠定位元件实现关联约束。同样在部件装配拓扑图中，各模型部件间的运动关系也依靠运动中轴来进行相对定位，随后建立起约束关系。图2的数控机床中，y，x，c，z之间的运动和约束关系就由相对运动次序和功能组合来实现精确装配[5]。y轴滑台跟随x轴滑台运动，而c轴回转工作台又跟随y轴滑台运动，则以x轴中心孔对齐，依次关联y，c轴部件，以实现机床部件协同作业。
2.3 部件装配数据模型构建
为了完美实现数控机床装配部件的联动性和功能性，需要预先构建出基于实际装配数据的虚拟装配几何模型。通过该模型将详细部件参数加载输入并进行模拟运行，测試出设计部件性能和机床位置矩阵变换关系，从而为后续的参数修正与机床调试环节节省大量的人力、物力[6]。
建立的虚拟装配数据模型结构与算法程序如下：
Typedef struct MC Assembly
{
MC Component* head comp；
MC Movement* move；
}
Typedef struct MC Component
{
int instance tag；
int occurence tag；
charworkpiece name[130]；
charinstance name[80]；
Pos Matrixini pos；
double origin[3]；
double csys matrix[9]；
structMC Component* children；
structMC Component* next；
structMC Component* parent；
…
}MC Component；
3 尺寸驱动与运动轨迹
3.1 部件运动位置状态参数
装配部件的主要运动状态包含位移和旋转两类。因此，各部件相对位置关系及部件运动状态参数是建立数学模型的首要任务。对此，常采用部件装配位置坐标系Oxyz和部件自身参数坐标系Owxcyczc双坐标系对照参考，确定精确的部件运动状态。具体示例如图3所示，通过两个坐标系的配合，可完整描述大部分部件的移动、转动变化情况[7]。
基于上述空间坐标系，可以进一步将几何状态数据转化为抽象的位置矩阵表示，便于后续的参数计算与修正。位置矩阵如下：
3.2 运动变换
根据上述部件双坐标系的建立和数学矩阵模型函数，可实现对各动轴部件的移动或旋转进行运动变换[8]。此外，为了配合实际工件的直线位移量和旋转角度系数，设定6变量参数矩阵如下：
3.3 动轴驱动实现
虚拟数控机床中动轴采用尺寸驱动实现，因此需要CNC虚拟系统完成前期的加工轨迹计算和数据输入，通过对各动轴的输入脉冲数分析与定位分配，实现数字信号的编码解析[9]。再通过传动电机对机床工作台、运动主轴进行定向驱动，配合传感器的实时反馈来实现位移控制。动轴驱动实现过程如图4所示。
4 加工模拟
加工模拟是在单纯的工件运动和刀具操作运行的基础之上，真实还原出所加工工件的表面参数及详细尺寸参数[10?11]。由于刀具是在运动过程中通过做连续切割运动，剔除产生的加工余料从而形成切割表面，因而还需要实时测试刀具加工对工件表面参数的影响。详细加工模拟过程如图5所示。
通常在虚拟UG装配空间中，模型间的逻辑运算仅能进行一次，而真实加工状态远比单次运算所能模拟的加工环境要更为复杂。因此，加工模拟要进行多次相交运算才能更加贴近真实表面情况[12]。本系统采用WAVE技术进行标识、相交运算、矩阵变换、实体链接来确定返回值和二次开发函数，通过循环运算以实现加工状态的高度贴合，为虚拟数控机床技术的应用实践奠定坚实的基础。
5 结 语
本文建立了基于尺寸混合和约束状态下的数控虚拟机床模型，从机床组成的机械部件、主控系统、数据传输、人机链接等模块分析了机床加工、运动过程。采用WAVE技术建立专有空间模型，通过对象间的链接、复制、相交、转置等运算，实现了动轴驱动和动态加工模拟，并能真实模拟加工环境。该设计模型具有高度的实践运用效能和直观、简便的操作优势，可大幅提高工作效率、简化工作流程，对于虚拟机床技术改良、优化具有积极的指导意义。
参考文献
[1] 杨军，袁博，周立，等.基于虚拟样机技术的位标器建模与误差分配[C]//系统仿真技术及其应用学术论文集.合肥：中国科学技术大学出版社，2014.
[2] 于潜.基于虚拟现实的车铣加工中心动态仿真的研究[D].沈阳：东北大学，2012.
[3] 刘黎.基于装配模型的产品变型设计研究[D].桂林：桂林理工大学，2013.
[4] 朱洪敏.基于语义关联模型的虚拟装配工艺规划支撑技术研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[5] 路懿.用CAD约束和尺寸驱动技术分析平面机构的运动[J].计算机辅助设计与图形学学报，2002，14（10）：972?976.
[6] 王升福.半开式整体叶轮数控插铣加工刀具轨迹规划研究[D].大连：大连理工大学，2014.
[7] 韩训梅.基于UG的零件建模及数控加工过程的仿真[J].微计算机信息，2010，26（22）：157?158.
[8] 戴晴华，易迪升，田文胜，等.虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J].中国工程机械学报，2010，8（2）：184?189.
[9] 樊启永，顾立志，宋金玲.Pro/E和Vericut虚拟机床建模与仿真[J].华侨大学学报（自然科学版），2010，31（2）：126?131.
[10] 孟晓明，孙伟.FANUC系统数控机床调试方法的改进与应用[J].电子科技，2013，26（2）：117?119.
[11] 纪玉坤，曹利新.基于UG的五轴数控机床加工仿真[J].计算机仿真，2006，23（1）：215?218.
[12] 任宝钢.五轴数控机床加工仿真技术应用[J].工具技术，2014，48（12）：51?53.
