五軸數控加工程序的檢驗是五軸數控加工的關鍵技術之一。五軸聯動數控機床運動關系復雜，加工過程中極易出現干涉、碰撞等現象。五軸聯動數控機床造價昂貴，一旦損壞功能部件將造成巨大的經擠損失。因此，沒有經過反復檢驗的數控程序一般不能用于加工。五軸數控機床結構有96種，不同結構的機床，數控程序互不相同。因此，數控程序的檢驗難度較大。

　　試切法是最典型的數控程序檢驗方法，該方法的缺點是無法保證不碰刀而且檢驗時間長。筆者用石蠟試切(精加工葉輪的一個流道，大約需要6 h，而準備石蠟毛坯和粗加工流道(分2層)等需要20 h。顯然，試切法無法滿足企業對效率的要求。

　　數控程序檢驗的目的在于：①檢驗刀具路徑及刀位文件是否正確;②檢驗加工過程中是否發生干涉、碰撞等現象。以此為目標，Pro/ENGINEER、Unigraphics NX、Cimatron等大型商業化軟件都提供功能強大的數控加工仿真模塊，但它們只能對刀位文件進行仿真。VERICUT軟件能同時進行刀位文件和機床運動仿真，仿真程度極高。但該軟件價格昂貴，市場覆蓋率低。

　　綜上所述，隨著五軸數控加工技術開始走向大眾化，探討一種直接檢驗數控程序的快速有效的方案勢在必行。因此，本文提出了基于參數化CAD系統的仿真方案。

　　1基于參數化CAD系統的仿真方案

　　利用現有的商業化CAD系統，可以建立描述加工過程的五軸數控加工工藝系統(含刀具一機床一工件等)三維約束模型。逐行提取數控程序中的加工參數，通過參數驅動三維模型連續變化，可觀察、檢驗數控加工過程中是否發生干涉、碰撞等現象，并生成三維動畫文件。

　　但普通CAD系統不提供數控程序的識別和參數提取功能。為此本文提出如下方案：利用T—FLEX 3D CAD系統，針對具體五軸數控加工工藝系統建立具有參數約束的三維模型。開發軟件系統實現如下功能：

　　(1)語法編輯功能：讀取數控程序并進行語法診斷、識別。如果檢驗出錯，可對數控程序進行編輯。

　　(2)接口程序功能：利用OLE自動機制建立與T—FLEX CAD系統的嵌入連接，使T—FLEX CAD系統中的三維模型變成OLE控制對象，并與軟件系統中的數控程序連接。逐行提取數控程序中的五軸坐標，通過Active X函數將五軸坐標傳送給T—FLEX CAD系統中描述三維模型的參數，由參數驅動模型連續變化，從而動態仿真加工過程并產生動畫文件，進而快速有效地檢驗數控程序。接口程序有數據中轉、Active X自動機制兩種實現方式(下文詳述)。系統流程圖如圖1所示，數控程序預處理流程圖如圖2所示。

　　圖1五軸數控程序仿真流程圖

　　圖2數控程序預處理流程圖

　　該方案的優點如下：①不需要設計復雜的仿真系統，只需要建立仿真模型和設計接口程序;②通過采用時間分割法的插補，實現精確的仿真;③由于該方案在計算機中實現，因此可靠、穩定、成本低。

　　2方案實現

　　基于T—FLEX CAD系統的仿真方案分三步實現：第一步，建立仿真模型;第二步，編程實現接口程序;第三步，動態仿真。

　　2.1建立仿真模型

　　為仿真機床運動，加工工藝系統除了必須包含工件、刀具、機床模型外，更重要的是通過裝配約束嚴格定義機床結構和五個運動自由度。

　　五軸數控機床的結構有雙回轉工作臺、雙擺動主軸、回轉工作臺加擺動主軸三種形式，對應的三種幾何模型如圖3、4、5所示。

　　圖3雙回轉工作臺五軸數控機床模型

　　圖4雙擺動主軸五軸數控機床模型

　　圖5回轉工作臺加擺動主軸五軸數控機床模型

　　根據文獻[1]的研究結果，帶動工件直線運動的坐標記為X、Y，、Z，帶動主軸直線運動的坐標記為X’、Y’、Z’，A、B、C同理，則在樣本空間(X、Y、Z、A、B、C、X’、Y’、Z’、A’、B’、C’)中，如圖3所示的機架、主動軸回轉臺、依賴軸回轉臺、刀具系統，可裝配出24種機床結構形式。圖3a、b分別列出其中的兩種形式。

　　本方案根據機床的實際結構，通過裝配約束嚴格定義該系統的五個自由度如下：機架實現X、Y軸的直線運動，主動軸旋轉臺裝配在機架上，實現B軸的旋轉運動，依賴軸旋轉臺裝配在主動軸旋轉臺上，實現C軸的旋轉運動。刀具安裝在主軸上，實現z軸的直線運動。系統裝配后為BCXYZ’的結構形式，只保留如上文所述的五個自由度，有兩條傳動鏈，分別為：機架——B軸回轉臺——C軸回轉臺——工件;刀具——工件。在此基礎上，如要更真實仿真機床運動，可增加夾具等零件。在裝配過程中，零件的幾何尺寸、五個自由度的運動量都以變量的形式保存到變量表(即“變量編輯器”，如圖6所示)中，根據不同機床的實際結構修改變量值。該模型便描述了結構為BCXYZ’的一類機床。

　　圖6 T—FLEX CAD系統“變量編輯器”示意圖

　　2.2編程實現接口程序

　　筆者已使用Delphi7.0語言開發出“五軸數控加工過程仿真系統”。并正在申請軟件版權。該系統分數據中轉、Active X自動化兩種方式實現接口程序，其核心程序如下：

　　(1)數據中轉方式的實現

　　使用T—FLEX CAD系統提供的數據庫函數“mdb(“外部數據庫名”，“數據庫表名”，“數據庫字段名”，“條件表達式”)”建立仿真模型與數據庫之間的參數約束關系。如用語句mdb(“NC5D.mdb”，“Coord”，“C”，“N={n}”)”實現C軸旋轉角度與數據表的參數約束。

　　(2)Active X自動化機制的實現

　　在本系統中先定義如下一個創建T—FLEX OLE控制對象的函數：

　　Function TF—CreateTFObj()：OLEVariant;

　　在該函數中寫入如下語句：

　　BEGIN

　　Result：=CreateOLEObject(。TFW32.SERVER’);

　　…

　　End;

　　其中“CreateOLEObject()”函數用于創建一個T—FLEX CAD系統OLE控制對象，“TFW32.SERVER”語句用于建立與T—FLEX CAD系統的連接，以后T—FLEX CAD系統打開的文檔即可作為本系統的操作對象。

　　本系統具備插補仿真功能，因此該系統的仿真精度很高。該系統能實時計算并顯示插補過程中的插補點，為數控系統的開發提供算法的檢驗工具。

　　2.3動態仿真

　　對應接口程序的兩種實現方式，分別有兩種仿真方法：

　　第一種是把五軸坐標儲存到mdb數據庫中，每行數控程序對應數據表中的一條記錄。仿真時，使用T—FLEX CAD系統中的“動態模擬”功能，以數據表的記錄號為指針，逐行讀取數據表中的五軸坐標，驅動仿真模型連續變化，并生成仿真過程的AVI動畫文件。

　　第二種是在應用上文所述的Active X自動化機制建立高級語言程序與T—FLEX CAD系統的連接后，逐行提取每行數控程序中的五軸坐標，連續修改變量表(如圖6“變量編輯器”所示)中的變量值，驅動仿真模型連續變化，實現動態仿真。

　　3 實例驗證

　　以葉輪的五軸數控加工過程仿真為例，筆者首先使用Cimatron E8.5軟件生成數控程序。再用“五軸數控加工過程仿真系統”讀人數控程序并動態仿真數控程序(圖7)。

　　圖7“五軸數控加工過程仿真系統”連續仿真示意圖

　　在仿真過程中，使用T—FLEX CAD系統提供的動態旋轉、放大、測量等功能，檢測、測量刀具與工件、夾具等的距離，沒有發現干涉、碰撞等問題。說明該數控程序正確，可直接用于數控加工。在計算機上仿真(精加工)該葉輪的一個流道，由于無需仿真粗加工，因此只需15 min。與試切法相比，有效地減少了檢驗時間。

　　4結語

　　本文提出一種基于T—FLEX 3D CAD系統的數控程序檢驗方案，并在此基礎上開發出具備自主知識產權的“五軸數控加工過程仿真系統”軟件。該系統能直接仿真數控程序并實現插補仿真，對數控程序的檢驗快速有效。經該系統檢驗并調試的數控程序，可直接應用于數控加工，極大地縮短了五軸數控程序的準備周期。