張勝利，洪 軍，王中勝,2，劉萬普，屈佳敏

（1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2. 西安飛機(jī)國際航空制造股份有限公司 數(shù)控加工中心，西安 710089；3. 陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司，寶雞 721009）

基于模塊化裝配結(jié)構(gòu)的精密拉刀數(shù)控成形磨床磨削仿真研究

張勝利1，洪 軍1，王中勝1,2，劉萬普1，屈佳敏3

（1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2. 西安飛機(jī)國際航空制造股份有限公司 數(shù)控加工中心，西安 710089；3. 陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司，寶雞 721009）

0 引言

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造中，虛擬仿真加工運(yùn)用越發(fā)普遍。不管是新型機(jī)床的加工驗(yàn)證（如徐彥偉等的螺旋傘齒輪銑床[1]）還是對(duì)新加工方案的實(shí)驗(yàn)（如Chenhua SHE等提出的五軸后處理方法[2]）都首先采用仿真方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用前的驗(yàn)證。較之傳統(tǒng)試切法，計(jì)算機(jī)仿真加工通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)加工過程和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，實(shí)時(shí)檢測(cè)加工過程中可能存在的過切、干涉、碰撞等錯(cuò)誤，同時(shí)實(shí)現(xiàn)代碼的優(yōu)化。這樣可以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高編程效率和加工質(zhì)量。

虛擬仿真加工具有其不可替代的作用，而VERICUT作為機(jī)床控制模擬系統(tǒng)的嬌嬌者，為CAD/CAM產(chǎn)品市場(chǎng)和用戶提供了最佳的數(shù)控機(jī)床加工仿真工具[3]。本文運(yùn)用該軟件進(jìn)行拉刀磨削的仿真驗(yàn)證研究?，F(xiàn)有仿真工作主要針對(duì)對(duì)象為車削和銑削，因?yàn)闄C(jī)床結(jié)構(gòu)特殊、磨削原理和運(yùn)動(dòng)控制較復(fù)雜，磨削加工的仿真相對(duì)少且存在一定難度，因此有必要進(jìn)行拉刀磨削的仿真驗(yàn)證。同時(shí)拉刀的設(shè)計(jì)精度高，工藝要求嚴(yán)格，磨削方法較復(fù)雜，制造成本相應(yīng)高，利用仿真軟件對(duì)拉刀磨床進(jìn)行仿真加工驗(yàn)證為拉刀的生產(chǎn)提供了可靠保障，有其重要意義和優(yōu)勢(shì)。

1 拉刀磨床模塊劃分及特征分析

仿真實(shí)驗(yàn)要求構(gòu)建的虛擬磨床不僅具有與實(shí)際機(jī)床類似的外觀，而且其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式也要與實(shí)際機(jī)床相同。所以在虛擬機(jī)床構(gòu)建前必須先對(duì)實(shí)際機(jī)床的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，本文從模塊劃分和運(yùn)動(dòng)軸配置兩方面進(jìn)行。

1.1 模塊劃分

拉刀種類多樣，且各類拉刀需要磨削的部位不盡相同。為了滿足不用類型、不同加工部位以及不同尺寸規(guī)格的拉刀磨削用戶需求，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)磨床進(jìn)行模塊化數(shù)字設(shè)計(jì)。首先依據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行模塊劃分，然后對(duì)劃分好的模塊進(jìn)行屬性定義形成系統(tǒng)的機(jī)床模塊庫，最后把系列化的各功能模塊進(jìn)行配置搭建出滿足需求的產(chǎn)品。這樣配置出的基于模塊化結(jié)構(gòu)的精密拉刀磨床采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原理，能夠滿足多樣化的功能、規(guī)格需求，構(gòu)建柔性、適應(yīng)性大。本磨床模塊劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 磨床模塊劃分

1.2 運(yùn)動(dòng)軸配置

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本精密拉刀數(shù)控成形磨床的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖2所示。在實(shí)際加工過程中各磨削工序功率需求跨度大，選用的砂輪直徑大小迥異。如，為了避免齒間干涉，鏟背時(shí)選用的砂輪直徑較小，而在進(jìn)行拉刀廓形磨削時(shí)，為了提高磨削效率采用的砂輪直徑較大相應(yīng)的需要主軸電機(jī)功率也大。因此設(shè)計(jì)兩個(gè)砂輪主軸以滿足各磨削工藝要求。同時(shí)，拉刀磨削過程中砂輪廓形需要進(jìn)行修整以保證精度，為了降低修整前后砂輪重復(fù)定位對(duì)精度的影響，設(shè)計(jì)兩軸向相互垂直的修整器。使用時(shí)選用砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度小的修整器，以達(dá)到重復(fù)定位誤差最小化的目的。這樣使得機(jī)床的軸數(shù)比較多，不僅需要X、Y、Z三個(gè)方向上的移動(dòng)，還必須保證A、B、C轉(zhuǎn)軸的定位精確。同時(shí)，各砂輪修整器上須附一可控轉(zhuǎn)動(dòng)軸。

在磨削拉刀過程中需要的各運(yùn)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)關(guān)系如表1所示。

表1 軸聯(lián)動(dòng)配置

綜上，B軸、C軸屬于輔助調(diào)整軸，只需實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。X軸、Y軸、Z軸以及定位軸A需要保證聯(lián)動(dòng)。A軸需同時(shí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸和定位軸的功能。

2 虛擬磨床構(gòu)建

各模塊在功能和結(jié)構(gòu)上具有一定的獨(dú)立性，根據(jù)模塊劃分原則建立虛擬磨床各功能基礎(chǔ)部件。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)各系列拉刀磨床的仿真驗(yàn)證，在配置機(jī)床時(shí)根據(jù)劃分模塊及幾何和運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)系進(jìn)行全功能拉刀磨床搭建。其流程如圖3所示。

圖3 虛擬機(jī)床構(gòu)建流程

在進(jìn)行機(jī)床模型導(dǎo)入時(shí)需要對(duì)實(shí)際整機(jī)CAD模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化、零件抽取、模塊劃分、布爾運(yùn)算等并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換以完成基礎(chǔ)部件的拆分重組。然后進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究獲得各運(yùn)動(dòng)軸父子關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)建機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)樹，如圖4所示。

圖4 虛擬機(jī)床結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建

虛擬機(jī)床結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建完成后，需要對(duì)控制系統(tǒng)中有別于通用NC編碼模塊的指令進(jìn)行配置。本機(jī)床采用SIEMENS 840D 數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配置時(shí)需要根據(jù)西門子編程手冊(cè)對(duì)NC代碼中用到的某些指令進(jìn)行聲明和定義。分別在vericut/configuration下的word format和word/address中進(jìn)行相應(yīng)操作。配置結(jié)果如圖5所示。在定義指令時(shí)，數(shù)控編碼的功能實(shí)現(xiàn)有兩種方式，一為宏指令庫的選取，另一為子程序的編制調(diào)用。兩方式各有優(yōu)缺，根據(jù)實(shí)際指令要求擇優(yōu)選用。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)指令配置

在建立砂輪庫和工件毛坯時(shí)，需特別注意砂輪在拉刀磨削過程中作為刀具使用，而在自身修整過程中則轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ?。需要建立不同的setup來實(shí)現(xiàn)砂輪功能角色的變化。

通過以上各步驟建立的虛擬磨床效果如圖6所示。

圖6 虛擬磨床

3 仿真與驗(yàn)證

該拉刀磨床能實(shí)現(xiàn)方拉刀、圓拉刀（包括螺旋圓拉刀）的前刃面、后角、廓形的磨削和齒背鏟磨以及砂輪的成形和修整。對(duì)各加工工序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以保證工藝及NC加工代碼的正確性。磨床各軸擺角角度以及廓形路徑的計(jì)算和編程比較復(fù)雜，為本系統(tǒng)驗(yàn)證的重點(diǎn)。以下對(duì)它們的驗(yàn)證方案和結(jié)果做詳細(xì)介紹。

3.1 主軸擺角驗(yàn)證

由圖4的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸父子關(guān)系圖可知，C軸為B軸父項(xiàng)，在加工過程中C軸轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)影響B(tài)軸的擺角。因此在處理拉刀前角、后角、齒背等需要B、C兩軸同時(shí)準(zhǔn)確定位的工序時(shí)，拉刀參數(shù)、砂輪的空間軸向以及B、C兩軸擺角三者間的計(jì)算轉(zhuǎn)換關(guān)系非常重要，直接影響加工后拉刀的相關(guān)尺寸。

以拉刀前刃面磨削為例。該加工需要獲得精確的前角、刃傾角、齒距等幾何參數(shù)以及保證各齒磨削量均勻分布[4]。磨削后的工件尺寸可以由仿真軟件下Analysis/X-Caliper中的分析模塊測(cè)得。然后把測(cè)量結(jié)果同設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，然后分析誤差，驗(yàn)證結(jié)果。

圖7 方拉刀前刃面磨削

如圖7所示的方拉刀的設(shè)計(jì)尺寸由表2給出。令選用碟形砂輪，其外沿直徑為200mm，計(jì)算得C軸擺角為-12.26 ，B軸擺角為78.27 。刃磨前角后測(cè)得前刃面與水平面夾角為-12°，前刃面與拉刀前端面法向夾角為102°。簡(jiǎn)單的幾何推導(dǎo)后可證得，仿真加工形成前角12°，刃傾角12°，同時(shí)測(cè)得各齒齒距、齒升量均同設(shè)計(jì)值一致。該結(jié)果證實(shí)了B、C主軸擺角計(jì)算正確。

表2 方拉刀參數(shù)

同理針對(duì)普通圓拉刀和螺旋圓拉刀前刃面磨削，給出設(shè)計(jì)參數(shù)如表3進(jìn)行仿真加工，仿真效果分別如圖8和圖9所示。

圖8 圓拉刀前刃面磨削

圖9 螺旋拉刀前刃面磨削

表3 拉刀參數(shù)表

其他涉及磨床主軸擺動(dòng)的加工工序所運(yùn)用的擺角計(jì)算方法和原理相同，所以給出前角磨削的仿真即可驗(yàn)證擺角計(jì)算的正確性。

3.2 復(fù)雜廓形驗(yàn)證

對(duì)于復(fù)雜廓形拉刀，由于拉刀前角、齒升量、刃傾角等的存在，拉刀設(shè)計(jì)廓形同采用的砂輪廓形間存在較復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系。為了驗(yàn)證加工程序所采用的轉(zhuǎn)換算法，對(duì)該部分進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.2.1 砂輪廓形驗(yàn)證

首先進(jìn)行砂輪廓形加工仿真，如圖10所示。加工出的廓形需要同預(yù)期設(shè)計(jì)廓形進(jìn)行對(duì)比。通過Append Component/Design添加設(shè)計(jì)模塊，然后在Add Model/Create Resolve/Import DXF中導(dǎo)入理論砂輪廓形并構(gòu)建設(shè)計(jì)模型。砂輪毛坯加工完成后，使用Analysis/AUTO-DIFF把它同設(shè)計(jì)模型進(jìn)行過切和欠切檢測(cè)，并可以根據(jù)檢測(cè)報(bào)告查看詳細(xì)結(jié)果如圖 11所示。

圖10 砂輪成形

圖11 欠切過切檢測(cè)設(shè)置及報(bào)告

3.2.2 拉刀廓形驗(yàn)證

進(jìn)行拉刀廓形磨削時(shí)選用設(shè)計(jì)和修正兩種廓形的砂輪進(jìn)行磨削。各砂輪廓形如圖12所示。這樣可得到修正前后拉刀廓形的對(duì)比結(jié)果，進(jìn)而驗(yàn)證NC代碼和修正算法的準(zhǔn)確性。拉刀廓形磨削需要的相關(guān)參數(shù)如表4所示。并且為了突出廓形改變，取廓形路徑升角為5°。

圖12 砂輪廓形

表4 拉刀參數(shù)

廓形磨削仿真效果如圖13所示。因?yàn)橹贿M(jìn)行廓形驗(yàn)證，該仿真簡(jiǎn)化了加工模型，忽略拉刀的一些附屬結(jié)構(gòu)。

為了得到拉刀磨削后的廓形，需要把加工后的cut stock導(dǎo)出，然后通過CAD軟件進(jìn)行路徑方向投影。投影結(jié)果如圖14所示。經(jīng)過分析可知，未經(jīng)廓形修正導(dǎo)致的拉刀最大廓形誤差為3.38mm，經(jīng)廓形修正后廓形最大誤差為0.006mm。廓形最大高度為65.86mm，則它們相對(duì)最大高度的誤差分別為：

可見NC代碼中的廓形修正計(jì)算是必要的也是精確的，砂輪廓形修正后能夠滿足加工精度要求。

圖13 廓形磨削

圖14 砂輪磨削后投影廓形

3.2.3 齒背磨削驗(yàn)證

圖15 拉刀鏟背

在后角磨削或鏟背時(shí)通常會(huì)留出一定寬度的刃帶以利于切削的卷曲和排出，同時(shí)在一定程度上提高刀刃的強(qiáng)度[5]。如果直接用拉刀設(shè)計(jì)廓形對(duì)應(yīng)的砂輪進(jìn)行后角磨削或鏟背，結(jié)果如圖15所示，可以測(cè)得刃帶分布不均勻，這對(duì)拉刀使用性能影響較大。為了得到均勻的刃帶，經(jīng)過分析計(jì)算，對(duì)砂輪廓形進(jìn)行修正，修正后磨削效果如圖16所示，測(cè)知刃帶沿前刃均勻分布。說明齒背磨削采用的砂輪廓形修正算法正確，能夠保證刃帶均勻。

圖16 刃帶分布不均勻

圖17 刃帶分布均勻

4 結(jié)論

經(jīng)過以上各研究工作得到精密拉刀數(shù)控成形虛擬磨床，仿真驗(yàn)證了拉刀前角、后角、廓形的磨削和鏟背以及砂輪的成形和修正過程。構(gòu)建的仿真環(huán)境能滿足仿真要求。

此外，由以上實(shí)驗(yàn)方案可知，對(duì)于磨床主軸擺角及各軸運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性需要通過測(cè)量拉刀加工后的相關(guān)尺寸來進(jìn)行驗(yàn)證，拉刀廓形的驗(yàn)證需要對(duì)加工后的拉刀進(jìn)行投影然后對(duì)比理論廓形續(xù)而分析誤差，而對(duì)拉刀鏟背的驗(yàn)證則可以通過觀測(cè)刃帶分布來判斷所采用砂輪的廓形是否合理。這些驗(yàn)證方法在本文的驗(yàn)證工作中起到了較好的效果。

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Grinding simulation research for precise formed broach cnc grinder based on modularized assembly structure

ZHANG Sheng-li1, HONG Jun1, WANG Zhong-sheng1,2, LIU Wan-pu1, QU Jia-min3

針對(duì)精密拉刀數(shù)控成形磨床功能結(jié)構(gòu)、尺寸規(guī)格以及工藝需求多樣的特點(diǎn)，在對(duì)拉刀磨床進(jìn)行模塊化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)控加工代碼及磨削工藝的合理性，同時(shí)取得拉刀磨削仿真驗(yàn)證方法。復(fù)雜六軸四聯(lián)動(dòng)磨床磨削運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，控制要求高，通過分析其結(jié)構(gòu)特征以及運(yùn)動(dòng)控制特性，構(gòu)建出能處理多種類型拉刀的前角、后角、廓形、齒背以及砂輪的成形和修整的虛擬磨床。然后通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，包括對(duì)仿真試件加工后的幾何尺寸測(cè)量、刃帶及投影廓形的比較等，獲得加工后各拉刀參數(shù)，讓其同設(shè)計(jì)指標(biāo)比較，分析誤差來源尋找解決方法，最終完成仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明本文構(gòu)建的仿真環(huán)境合理，驗(yàn)證方案正確，能夠滿足模塊化裝配結(jié)構(gòu)的拉刀磨床的仿真要求。

拉刀；數(shù)控磨削；仿真；驗(yàn)證

張勝利（1986 -），男，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化產(chǎn)品開發(fā)與制造。

TH164

A

1009-0134(2011)5(上)-0001-06

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).01

2010-12-26

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2009ZX04001-132）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)基金資助項(xiàng)目（2009AA04Z147）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50935006）