0 引言
机床仿真是在计算机环境下用来模仿机床各个运动部件的空间位置关系，当发生相对运动后，用来检查机床运动的主要工作对象比如主轴头与工件、刀柄与工件和主轴与夹具等是否出现碰撞、干涉等问题，非常适用于机床各个运动部件相对运动状况比较抽象，难以用传统的方法检查和控制的四轴、五轴机床的数控加工。
目前汽车、航空等行业的零部件，形状越来越复杂，对实际生产中加工零件数控编程的要求也越来越高，没有经过检验的数控加工程序也不可能流入到生产环节中去，过去都是进行首件检验，占用了一定的数控机床的辅助时间。随着技术的发展，应用软件仿真的技术得到快速的发展，也越来越成熟，多轴仿真机床在零件试切的程序调试方面发挥的作用突出，NX软件在这方面显示了强大的功能和作用。
五轴联动龙门加工中心主要用于能源、飞机、汽车和模具等大型复杂整体结构件的高速加工。如今的五轴联动龙门加工中心正朝高速、高精、复合、柔性和多功能方向发展，追求更高质量和更高效率。
德国DST公司作为一家专门生产五轴加工中心的公司，为世界不少知名汽车模具厂商、航空制造商及叶片制造商提供了五轴加工中心。本文举例的T35龙门五轴加工中心(见图1)是目前该公司为中国厂家生产的一台龙门式五轴机床。
图1 T35龙门五轴加工中心
下面以NX7.5为平台，以T35机床为具体事例从6个方面对创建龙门式多轴机床加工仿真系统进行论述。
1 NX模拟数控仿真加工建立流程
NX机床库当中提供了各种结构比较典型的机床运动模型，可以进行碰撞仿真加工。首先建立机床装配模型，接着利用机床构造器建立机床运动关系，然后用后处理构造器建立其虚拟控制器，再将机床运动模型集成到NX集成系统中，最后实现在NX集成系统中建立工件实体模型、进行刀路规划与切削仿真，调用机床运动模型进行干涉检查仿真，模拟数控机床加工进行加工程序的验证，验证合格后传输加工程序至数控加工机床进行生产加工。下面是以T35龙门五轴加工中心为例介绍建立机床运动模型的方法和过程。龙门五轴加工中心仿真系统的流程图如图2所示。
图2 龙门五轴加工中心仿真系统的流程图
2 机床结构分析
五轴联动龙门加工中心国际主流机床按结构可分为：定梁定柱工作台移动式、横梁升降的动梁定柱工作台移动式、动梁动柱工作台固定式和桥式龙门式结构。按摆头结构分为3种：AC摆、BC摆和AB摆。
通过分析T35龙门加工中心为定梁定柱工作台移动式，摆头结构为BC摆的机床。明确了各轴运动关系，对机床各运动组件模型化并建立机床模型，机床模型共包括5个部分运动组件，分别是：机床床身、X轴运动组件、Y轴运动组件、Z轴运动组件、B轴运动组件和C轴运动组件。机床结构如图3所示。
图3 T35龙门五轴机床结构
3 机床运动学定义过程
3.1 机床装配建模
按照机床图纸的几何尺寸，可以在NX中用零件建模工具分别建立机床6个运动组件的零件实体模型；机床床身machine_base.Prt、机床X轴运动组件x_slide.Prt、机床y轴运动组件y_slide.Prt、机床Z轴运动组件z_slide.Prt、机床B轴运动组件b_slide.Prt和机床C轴运动组件c_slide.Prt。在NX的装配模块，新建一个机床装配模型文件sim19_5Axis_bc_axis.prt采用从底向上的设计方法将前面分别创建的机床六部分零件添加到装配体中来。如果机床的图纸尺寸不全或者没有，也可以采用自顶而下的设计方法建立机床装配模型。先新建一个机床装配模型文件sim19_5Axis_bc_axis.prt，将其中已有的部分零件添加进装配体，缺少的零件可先将名称建立起来，再到现场去测量机床上的无图纸的零件尺寸，同时注意各轴的运动正负方向。各部分有关联配合尺寸的地方，可以用NX装配的wave链接功能进行上下文关联设计。五轴机床尤其要注意主轴头部的尺寸，尺寸精度最好需要精确到小数点后两位，目的是让后面的加工仿真时候更具实际意义。有的时候刀具轴的变化限制恰恰需要的就是那么一点间隙，可谓差之毫厘，谬以千里。图4是龙门五轴加工中心双摆头主轴头结构件实物，图5是龙门五轴加工中心双摆头造型。
图4 龙门五轴加工中心双摆头实物
图5 龙门五轴加工中心双摆头造型
3.2 定义机床运动学关系
(1)打开前面创建的机床装配体，进入到机床构建器模块。机床导航条看到机床运动模型的名字No_name，重新命名为sim19_5ax_XYZBC，这是运动模型的指针。
(2)选择机床运动模型基础本体machine_base.Prt，机床运动部分是建立在模型中不动的承载各个运动轴的部分，名称为Machine_base，分类设为床身。选择机床连接点坐标系csys分类为机床原点MA-CHINE ZERO，位置在工作台中央。
(3)选择x_slide.Prt作为第一运动轴X轴的载体，插入直线轴X轴，设置运动上下极限范围12m。
(4)选择y_slide.Prt作为第二运动轴Y轴的载体，插入直线轴y轴，设置运动上下极限范围9m。
(5)选择z_slide.Prt作为第三运动轴Z轴的载体，插入直线轴Z轴，设置运动上下极限范围1.5m。设置旋转轴联接点ROT_JCT，位置在C轴与B轴轴线交点上，方向与机床坐标系同向。这个点就是C轴和B轴旋转轴的原点。
(6)选择c_slide.Prt作为第四运动轴C轴的载体，插入旋转轴C轴，设置旋转角度极限，本机床位0°～360°。
(7)选择b_slide.Prt作为第五运动轴B轴的载体，插入旋转轴B轴，设置旋转角度极限，本机床位-90°～+90°。
(8)插入一机床组件主轴spindle不用选择任何实体，设置刀具连接点S*，位置在B轴的端面上，是刀具与主轴连接的地方。创建刀具几何装配坐标系时要将X轴向沿着刀具轴线，指向刀尖。
(9)在主轴下插入刀具库pocket_1、2、3…。
(10)在x_slide下建立工件集指针setup，它是一个虚拟的装配体，有名称没有具体的实体，具体内容需要在仿真任务开始前指定添加。这个装配体下包括的组件有：工件PART、毛坯BLANK和夹具FIXTURE，并进行分类选择。分类后它们的类型如下：
PART；PART和SETUP ELEMENT；
BLANK；WORKPIECE和SETUP_ELE_MENT；
F1 XTLIRE:SETUP_ ELEMENT
这个setup工件装配体工作组它所依附的父运动件须是摆放安装零件的地方，也就是工作台。工作台一般情况下分为2种状态：一是在机床本体上是不动的，setup就是要设置在machlne-base下的子工作组；二是在运动轴上，setup就需要设置在slide下的子工作组。图6是龙门五轴加工中心模型，图7是创建好的机床运动关系树。
图6 龙门五轴加工中心装配模型
图7 机床运动关系树
4 虚拟机床控制器创建
机床仿真还需要给它一个虚拟的控制器，简称VNC控制器，这个VNC是嵌入在MOMPOST事件处理器的，事件处理器生成NC程序。VNC+POST定义机床仿真控制器。
使用PostBuild工具，建立5轴BC角摆头和转台结构类型机床的后置文件，注意各轴定义的输出地址必须和机床运动学模型定义的定名一致。除了后处理常规的设置以外，勾选“创建VNC控制器”选项，其中检查机床刀具安装主件SPINDLE、连接点TOOL_MOUNT_JCT，程序零参考X_SLIDE，NC各个轴的名称XYZBC，4轴5轴的旋转限制；控制器里面的初始设置，快速运动模式、主轴转向、进给率模式以及坐标输入模式，特殊NC代码；默认程序定义，刀具数据等所有单项。图8是VNC机床仿真原理图。
图8 VNC机床仿真原理图
5 配置仿真系统与NX软件集成
将仿真机床插入NX机床库中，与NX系统进行集成可实现在NX/CAM系统中调用。机床库的位置在NX安装目录下：
X:\ProgramFiles\NXS\NX7.5\MACH\resource\library\machine\installed_machines在其下新建子机床文件夹sim19，在sim19分别建立3个子文件夹graphics、postprocessor、cse_driver和一个dat配置文件。
Graphics文件夹保存创建完成的机床模型，postprocessor文件夹放置后处理器与虚拟后处理器，cse_driver文件夹放置系统独立驱动器，其下包含4个主要模组控制器动态链接库(DLL’s)文件、控制器配置文件(CCF)、机床配置文件(MCF)和子程序(suBPRog)等。
在NX界面里调用机床请编辑面板文件machine_database.dat，它是NX系统文件中的机床配置文件，在机床配置文件中添加新建机床信息：位置在X:\ProgramFiles\NXS\NX7.5\MACH\resource\library\machine\ascii文件夹里。NX在仿真时选择机床的菜单定制就在这个文件中时对话框中出现相应的机床信息。在NX系统文件中的后处理器库文件夹下新建一个配置文件sim19_mm.dat，在该文件中添加机床需要调用的后处理器，在碰撞仿真过程中读取和显示刀轨源代码时调用相应的后置处理器。
6 虚拟机床加工仿真干涉验证
进入CAM环境打开已经生成好加工路径的文件，这个文件包含零件毛坯夹具等一切真实加工环境里所有的相关件。打开仿真机床，调用仿真机床控制面板里的一个仿真选项，在这个选项下面包含一碰撞检测栏目，包含着2个开关，一是打开碰撞开关，二是指定碰撞对。图9是碰撞对设置对话框。
图9 碰撞对设置对话框
在这里选择会发生碰撞的一对对象，比如可以假设第一对象旋转C轴与第二对象加工零件PART是一对碰撞对象；返回到仿真选项面板中设置好碰撞发生时候的系统显示“碰撞时停止”。在模拟时候，发生碰撞仿真机床系统就会停止。这样就方便在NX环境中检测出加工程序是否安全合理，见图10。
图10 数控刀路仿真截图
在仿真机床上调试数控加工刀路非常便捷，一是可以设置仿真面板里的长度增量、角度增量和时间增量，调节仿真的显示速度；二是直接在仿真状态下修改不合理的刀路，改变的结果再次仿真验证结果，所改即所得，让编程人员看到在任何情况下机床的关键部件、夹具和切削刀具的准确位置。用软件仿真来实现程序调试工作，所花费的时间只有现场调试的数十分之一。因此机床仿真就成为NC编程人员必不可少的武器，而不仅仅是作为一个有用的程序验证工具。
7 结论
本文创建了T35机床的仿真系统，对在其上加工的复杂零件刀具路径及机床运动可以进行精确的模拟加工，真实地反映和再现实际的加工过程，大大减少了机床的试切时间，提高了CAM程序的安全性和可靠性，降低了产品研发的成本。
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