一、引言
复杂曲面的五轴联动数控加工技术是当今制造业中的高新技术，它是一个涉及到计算机三维造型、CAM自动编程技术、测量技术、制造工艺学、切削仿真技术等多学科交叉的综合技术，因此具有较高的技术难度。但由于五轴联动加工技术所具有的高精度、高效率、加工适应性强等特点，也使它能够更好地适应复杂曲面的数控加工。如今，五轴联动加工技术已经在发电设备制造业、飞机制造业、轮船制造业中得到了广泛的应用。
对于复杂曲面的五轴联动数控编程来说，由于曲面复杂，且大多为不可展开的雕塑曲面，在编程时容易产生不易察觉的过切等干涉现象。并且，在五轴联动数控机床的加工中，NC铣头的旋转或工件旋转很容易发生干涉和碰撞现象，造成工件、刀具甚至机床的损坏。因此，在实际加工中，即使很有经验的工程师也需要进行试切，对程序进行反复的调试，造成了人力、时间、能源和材料的浪费，且效率低下。
虚拟制造系统VMS（VirtualManufacturing System)是实际制造系统在不消耗能源和资源的信息世界里的完全映射。虚拟制造是在上世纪80年代由美国率先提出的，是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而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现实制造机床系统在虚拟空间的映射，它是由虚拟的机床→刀具→夹具→工件所组成的虚拟系统，具备现实机床加工系统的全部功能、特征和行为，能够完成现实机床加工系统同样的虚拟生产任务。通过虚拟制造机床对复杂曲面的五轴联动数控加工进行仿真，能够真实地反映制造加工过程中的过切、碰撞等干涉现象，为程序的修改提供了数据；能够对加工程序进行反复调试，在不消耗材料、能源，不占用机床时间的情况下得到正确的数控加工程序。虚拟制造机床系统能够提供加工过程中的关键数据，如优化后的切削参数、总的加工时间等，通过它们可以评价加工策略的优劣并改进加工方案；能够进一步对加工程序进行优化，缩短切削加工过程中的空行程走刀时间和调整复杂曲面不同位置的加工进给率。
二、虚拟制造机床系统
针对复杂曲面五轴联动系统加工存在的问题，运用商业软件建立虚拟制造机床系统，需要进行以下的技术研究。
1. 虚拟制造机床的构成
虚拟制造机床要能够完全真实地反应现实机床，无论是在机床拓扑结构、外型尺寸，还是运动功能方面都同现实机床一致或相似。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。虚拟机床要能够真实地反应现实机床，首先要求有同样的机床拓扑结构，其次机床各运动轴的几何尺寸要求同现实机床一致，特别是五轴联动机床有两个旋转轴的NC铣头和Z轴滑枕的尺寸更需要同现实机床完全一致，另外，机床各运动轴的运动极限及相对关系也要同现实机床一致。控制系统的建立目的是使虚拟控制系统具备同现实系统相同的功能，并且能够对机床功能，如G代码、M代码等功能代码进行定义，并实现对虚拟机床的控制功能。建立机床刀具库主要是建立用于实际制造系统中相同尺寸规格的各种刀具，以真实模拟切削的过程。
2. 机床仿真及校验
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，就可以实现对现实机床加工的仿真了。仿真能够真实地模拟出过切、碰撞等各种现象，并发出警报，标明发生该现象的位置。
3. 程序优化
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，这个优化库需要通过做大量的切削试验来建立。在程序优化时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。通过优化后，在复杂曲面不同的加工区域自动设置不同的切削进给率，来保持每齿切削量和金属去除率的恒定，从而提高加工效率。
三、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，其毛坯体积大，材料价格昂贵，采用虚拟制造技术对加工过程进行加工仿真，能够很好的规避各种制造中的风险，提高零件加工质量和加工效率。用虚拟制造技术对水轮机叶片进行机床仿真的流程如图1所示。
图1 水轮机叶片加工仿真流程示意图
我们应用VERICUT机床仿真软件，通过它在计算机上建立虚拟制造机床，就能够实现对水轮机叶片加工过程的机床仿真、程序校验以及程序优化。下面以某混流式水轮机叶片的机床仿真为例介绍运用VERICUT软件实现复杂曲面虚拟机床制造的方法。
1.FKSA1800机床模型系统的建立
FKSA1800是某水轮机制造厂的一台单臂五轴联动铣床，具有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Head-Head型的五轴联动机床。工作台大小为1.6m×4m，X、Y、Z轴行程分别为3m、2m、1m，C轴行程0°～＋360°，B轴行程-105°～＋105°。
通过VERICUT软件首先建立机床的拓扑结构，然后添加机床以及各运动轴的三维几何实体。对于形状复杂的几何实体，如两轴N C铣头等，可通过C A D软件造出实体模型，再通过数据接口读入到VERICUT，并按正确的位置关系装配。FKSA1800的控制系统为SIEMENS840D的系统，VERICUT带有多种控制系统模板库，可以挑选适当的控制系统，并根据需要，运用VERICUT自带的编程语言，添加适当的G代码和M代码功能。加工叶片的刀具为φ100R10面铣刀、φ63立铣刀、φ6钻头等，在VERICUT中定义这些所需刀具。运用VERICUT软件建立的FKSA1800虚拟机床模型如图2所示。
图2 FKSA1800虚拟机床模型
2.复杂曲面五轴联动加工机床仿真、校验以及程序优化
在V E R I C U T上仿真时，调入FKSA1800机床，添加毛坯、夹具，加载加工程序以及所需刀具就可以进行加工仿真。通过机床仿真能够真实地反映出水轮机叶片实际加工情况，能够检查过切、碰撞等现象，能够计算加工所需时间，并且能够通过软件的分析功能检查仿真加工后水轮机叶片的尺寸精度，也可以调入设计模型同仿真加工后的模型进行比较，对采取不同加工方案和加工策略的程序进行仿真。根据加工仿真得到的数据可以判别加工方案和加工策略的优劣，有利于工程师对加工方案的选取。通过仿真能够发现程序中存在的问题，并在实际加工发生之前进行修改，大大提高了编程效率，节约了成本。应用VERICUT进行程序优化，需要事先根据以往的加工经验和加工试验建立适合水轮机叶片加工的程序优化实例库，仿真时选择合适的程序加工优化实例（根据刀具直径、材料，零件材料等）对程序进行优化，改变程序不同位置的进给率以保持每齿切削量和金属去除率的恒定。对优化后的程序可以再进行切削仿真以检验其是否令人满意，觉得不合适可以适当调整参数再优化，直到满意为止。用VERICUT水轮机叶片进行切削仿真和机床仿真如图3所示。
图3 水轮机叶片切削仿真和机床仿真
四、结束语
运用虚拟制造技术对复杂曲面的五轴联动数控加工进行仿真，能够解决在数控编程和现实制造中存在的很多问题，解决了对人力、时间、资源的浪费问题，并且提高了加工效率，缩短了制造周期，在实际应用中起到了良好的作用。