隨著科學(xué)技術(shù)和計算機(jī)的不斷發(fā)展，計算機(jī)自動編程在制造業(yè)數(shù)控加工中的應(yīng)用越來越廣泛，特別在一些不規(guī)則的復(fù)雜曲面，用宏程序很難實現(xiàn)，借助CAD/CAM軟件，將大大提高生產(chǎn)效率。 在計算機(jī)自動編程中，加工仿真是虛擬制造的一個重要的環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計，它能夠直觀地反映現(xiàn)實的加工環(huán)境、加工過程和加工后零件的結(jié)果，通過軟件構(gòu)建機(jī)床模型、組裝并模擬實際的機(jī)床運(yùn)動，可以及時發(fā)現(xiàn)加工
過程中的過切、干涉、碰撞和欠切等錯誤，將錯誤消除在加工編程的設(shè)計階段，提高數(shù)控加工過程的可靠性。
CATIA V5具有統(tǒng)一的用戶界面數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用接口，并擁有幾十個獨立的模塊。下面以立式三軸數(shù)控銑床為例，簡單講述在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)以下幾個步驟：1)通過測量真實部件的尺寸來獲得相應(yīng)尺寸;2)根據(jù)尺寸對機(jī)床各個部件進(jìn)行實體造型;3)根據(jù)所建立的部件實體在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)動參數(shù)的設(shè)置。
1.機(jī)床部件的實體造型
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)計模塊的零件設(shè)計模塊，利用凸臺、凹槽命令根據(jù)機(jī)床部件的實際尺寸，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)床部件的實體模型
2.機(jī)床部件3D模型的組裝
(1)首先單擊軟件開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)計模塊里的裝配模塊(Assembly Design ))，進(jìn)入后在左上角會出現(xiàn)為“產(chǎn)品1”的歷程樹，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)右鍵依次點選“自制機(jī)床”→“部件”→“現(xiàn)有部件”，系統(tǒng)彈出文件選擇對話框，按Ctrl鍵點選所有繪制機(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 ”) ， 歷程樹上會出現(xiàn)“NCController”及“Application”節(jié)點，建議先點選固定部件，再點選
Fixed Part，系統(tǒng)彈出新固定部分對話框，后再點選床身底座，這時床身部件會出現(xiàn)綠色的約束符號，同時歷程樹上會出現(xiàn)約束節(jié)點，表示被固定。
(4)三軸數(shù)控銑床的各軸運(yùn)動副為移動副，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。
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)建對話框，分別點選Y 軸部件和床身底座配合導(dǎo)槽相對應(yīng)的兩條邊線和兩個表面，注意要勾選“長度驅(qū)動”單選項，確定后系統(tǒng)會彈出“機(jī)制能被仿真”的信息對話框(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)槽處會出現(xiàn)約束符號，同時歷程樹上的約束節(jié)點里會出現(xiàn)兩個相合的約束。
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)動長度”選項，組裝完成整個三軸機(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。在歷程樹上“NCController” 節(jié)點內(nèi)有兩個節(jié)點，分別是
“Workpiece Mount Point(工件安裝點)”和“Tool Mount Point(刀具安裝點)”。工件安裝點可設(shè)在工作臺上表面的任意位置， 最好設(shè)置在中心位置，刀具安裝點在Z軸主軸下端面的中心處，為了方便，可以先在工作臺表面中心位置和主軸下端面的中心處各創(chuàng)建一個點。用鼠標(biāo)左鍵雙擊“Workpiece Mount Point”節(jié)點，此時機(jī)床模型上出現(xiàn)綠色的羅盤，將羅盤中心移動到工作臺上 表面中心位置創(chuàng)建的點上，如圖4所示，再用鼠標(biāo)左鍵單擊工作臺部件，彈出設(shè)定位置對話框，按“確定”即可完成工件接合點的設(shè)置(當(dāng)然，也可改變X軸、Y軸的坐標(biāo)來調(diào)整羅盤的位置)，用相同的方法來設(shè)置刀具接合點。
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話框，修改各坐標(biāo)軸的行程。
單擊原點位置按鈕，彈出“原點位置檢視器”對話框，點選新建按鈕，彈出如圖6所示的原點位置編輯器，先將線性間隔改為10mm，在DOFControls自由度控制設(shè)置原點的位置，可以用鼠標(biāo)左鍵按住對話框里的游標(biāo)左右移動調(diào)整各軸位置，移動過的位置變成綠色，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間隔距離，設(shè)置完按“關(guān)閉”鍵，原點位置大多設(shè)在各坐標(biāo)軸正向最大極限處，用同樣的方法設(shè)置換刀點位置。
圖6 原點屬性編輯器
(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文件夾內(nèi)，因為如果部件文件丟失，機(jī)床模型文件也無法打開。
二、仿真的實現(xiàn)
進(jìn)行整機(jī)模擬時，開啟任一已設(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所示簡單的挖槽加工為例，介紹仿真操作的過程。
(1)打開已設(shè)定完成的以后綴名為“CAT Process”存盤的加工文檔，窗口左邊會出現(xiàn)PPR歷程樹。
(2)雙擊加工過程節(jié)點“Process List”下的加工設(shè)定“Part Operation.1”，彈出加工設(shè)定對話框。 在對話框中單擊數(shù)控機(jī)床按鈕
，彈出機(jī)床編輯器，原來選擇的是三軸工具機(jī)，這時應(yīng)單擊“從文件選擇”按鈕打開自制機(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，單擊工具欄上自動設(shè)定工件按鈕
，工件將自動放置在工作臺工件安裝接合點上。
(3)用鼠標(biāo)右鍵點選加工設(shè)定節(jié)點下的“Manufacturing Program.1” 制造程式1節(jié)點，彈出下拉菜單，依次選擇“Manufacturing Program.1對象”→“Simulate Machine using Tool Path”，使用刀具路徑開始機(jī)具模擬，彈出程式模擬對話框，按“開始”鍵，整臺機(jī)床就開始切削模擬，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，模擬時會彈出分析偵測對話框，如有干涉或碰撞會彈出分析資訊對話框，顯示警告信息，運(yùn)行完可以在干涉清單里看到詳細(xì)分析的報告。
三、結(jié)束語
本文簡略地介紹了利用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)實意義，在虛擬的環(huán)境檢測程序的正確性，避免了因產(chǎn)生碰撞造成的巨大損失，同時也縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高了生產(chǎn)效率。
