馮娟，楊承濤

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089;2.西安工程大學(xué)，陜西西安710048)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)已由傳統(tǒng)的人工操作向柔性制造單元(FMS)、數(shù)控機(jī)床、立體倉庫、工業(yè)機(jī)器人、無人小車和計算機(jī)集成制造(CIM)組成的自動化工廠和自動化車間方向發(fā)展。作為自動化工廠最重要的硬件系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床在工業(yè)化國家的大、中型企業(yè)中的普及率已達(dá)90%以上。目前我國數(shù)控機(jī)床的普及率也已達(dá)30%以上，而且還有不斷上升的趨勢。

數(shù)控機(jī)床的特點是加工精度高、自動化程度高、加工穩(wěn)定性好和柔性化程度高，但是其高昂的購置成本和維修費(fèi)用，使得企業(yè)承受較大的資金壓力。為此，如何提高數(shù)控機(jī)床的利用率，減少機(jī)床的故障和停機(jī)時間，尤其是對中、小批量或單件生產(chǎn)的航空、航天企業(yè)具有十分重要的意義。在此背景下，虛擬制造和仿真技術(shù)已成為機(jī)械制造業(yè)著力開發(fā)的重點課題之一。作者擬針對國內(nèi)某企業(yè)開發(fā)的數(shù)控鏜銑床的仿真建模及其應(yīng)用進(jìn)行簡要的介紹，供國內(nèi)從事該領(lǐng)域開發(fā)和應(yīng)用的單位參考。

1 數(shù)控鏜銑床的仿真建模

幾何建模的方法可分為線架造型、表面造型和實體造型法3種類型。由于實體造型比較直觀、生動、真實感強(qiáng)，為此在進(jìn)行數(shù)控鏜銑床的仿真建模時采用三維實體造型法，即對該企業(yè)的三坐標(biāo)和五坐標(biāo)數(shù)控鏜銑床用CATIA軟件建立機(jī)床部件模塊，然后以STL格式輸入到VERICUT軟件系統(tǒng)中進(jìn)行組裝。

在建立的部件模型基礎(chǔ)上，根據(jù)其裝配約束關(guān)系(即幾何約束關(guān)系、數(shù)控鏜銑床的組裝運(yùn)動約束關(guān)系和排斥約束關(guān)系)設(shè)定了運(yùn)動模塊之間的相對位置參數(shù)，給定機(jī)床坐標(biāo)系和機(jī)床部件坐標(biāo)系和其間的關(guān)系，最后按照機(jī)床的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)對部件進(jìn)行裝配，成為完整的數(shù)控機(jī)床。圖1所示為組裝的機(jī)床示意圖。

圖1 組裝后的機(jī)床

當(dāng)數(shù)控鏜銑床的仿真建模完成后，還須建立其運(yùn)動模塊的運(yùn)動模型，即明確相互間的運(yùn)動關(guān)系，并對所仿真的機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如行程范圍、補(bǔ)償方式、機(jī)床原點以及機(jī)床軸心距的補(bǔ)償和刀具的補(bǔ)償?shù)?，其中轉(zhuǎn)動中心到主軸端面的距離和轉(zhuǎn)動中心到主軸線的偏移距離兩個參數(shù)尤為重要，其正確性將會影響到仿真結(jié)果的真實性。

2 仿真建模的應(yīng)用研究

根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)的需要，對仿真建模的機(jī)床進(jìn)行了調(diào)試驗證、工裝夾具的建模、仿真加工和數(shù)控加工程序優(yōu)化等方面的應(yīng)用研究。

2.1 虛擬數(shù)控鏜銑床的調(diào)試驗證

其調(diào)試驗證方法分為手動交互式(MDI)和試件檢驗法兩種。

手動交互式(MDI)。即人工輸入坐標(biāo)指令，檢驗其軸向坐標(biāo)的極限位置和角度坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)置是否正確，是一種較為簡單的檢驗方法。

試件檢驗法。編制標(biāo)準(zhǔn)試驗樣件的加工程序，進(jìn)行仿真加工，對加工后的試件進(jìn)行尺寸分析比較，以判定所建立的數(shù)控鏜銑床的模型是否正確。

圖2 檢驗機(jī)床精度的那氏試件

其檢驗的信息為:x、y的聯(lián)動;x、z的聯(lián)動;y、z的聯(lián)動，G02、G03圓弧插補(bǔ)，B/A、C/A、C角度坐標(biāo)的聯(lián)動，G43 刀具長度的補(bǔ)償。

圖2所示為檢驗機(jī)床精度的那氏試件。

2.2 建立工裝夾具模型

進(jìn)行虛擬仿真加工時，工件的裝夾夾具是一個不容忽視的環(huán)節(jié)之一。為此，采用CATIA軟件進(jìn)行了工裝夾具的造型與仿真，以模擬零件加工時的實際情況。圖3所示為所建立的工裝實體模型示例。

圖3 工裝夾具實體模型示意圖

2.3 仿真加工

虛擬數(shù)控鏜銑床仿真加工的流程圖如圖4所示。

仿真加工時首先進(jìn)行工藝建模，通過CAD/CAM系統(tǒng)，將要加工的零件信息轉(zhuǎn)換成STL 格式輸入到仿真加工系統(tǒng)。在完成數(shù)控編程、后置處理生成NC代碼后，建立仿真加工文件，設(shè)置加工坐標(biāo)，建立加工程序、刀具坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，然后設(shè)置加工控制參數(shù)及加工狀態(tài)監(jiān)視參數(shù)，最后啟動仿真加工，進(jìn)行碰撞干涉檢查、工件尺寸及加工質(zhì)量的分析，查找錯誤并加以改進(jìn)。

圖4 虛擬數(shù)控鏜銑床仿真加工的流程圖

通常仿真加工時可能出現(xiàn)的錯誤大體有下述幾點:

(1)軌跡錯誤

通過對虛擬加工生成的幾何體進(jìn)行觀察，就可能查找出明顯的軌跡錯誤，例如啃刀、未抬刀等。要全面地發(fā)現(xiàn)軌跡錯誤，可以利用VERICUT軟件的AUTO-DIFF模塊。

(2)干涉碰撞錯誤

碰撞和干涉檢驗主要檢驗刀具和主軸相對于非加工部件，如夾具、工件的非加工部位、加工工作臺的干涉現(xiàn)象，也可用來檢驗由用戶指定的物體之間的干涉現(xiàn)象。

(3)程序執(zhí)行錯誤

在實際工作中，作者也發(fā)現(xiàn)有時NC代碼本身沒有錯誤，可是在實際執(zhí)行過程中依然出現(xiàn)問題，造成零件尺寸超差，甚至報廢。

這種錯誤比較隱蔽，利用CAM軟件的內(nèi)部校驗和采用NC 外部校驗軟件檢查APT 刀位文件也檢查不出來錯誤，只有利用虛擬數(shù)控機(jī)床仿真才能發(fā)現(xiàn)問題。

2.4 數(shù)控加工程序優(yōu)化

VERICUT軟件具有加工優(yōu)化模塊(OPITPATH)，它是在知識庫基礎(chǔ)上建立的優(yōu)化模塊，可使加工過程智能化，使加工過程處于優(yōu)化狀態(tài)。其知識庫包括加工產(chǎn)品類型、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)、金屬切削數(shù)據(jù)庫等知識，可在加工時根據(jù)加工條件的變化自動調(diào)整進(jìn)給量和自動選擇優(yōu)化的加工路徑。其優(yōu)化方式包括粗加工工序優(yōu)化、半精加工和精加工過程的優(yōu)化以及高速切削加工時的優(yōu)化，現(xiàn)簡介如下:

(1)粗加工優(yōu)化

零件粗加工的目的是盡快去掉多余的材料，在不斷變化的切削條件下，保證刀具以最大安全速度去除多余材料，同時，通過速度優(yōu)化，能夠保證機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)，保護(hù)機(jī)床。優(yōu)化路徑模塊在驗證刀具路徑的同時使用已知信息(每個部分的切削材料量)，從而確定刀具路徑上每個部分應(yīng)切削的材料量并為其指定最佳進(jìn)給率。進(jìn)給率是根據(jù)NC程序員和/或機(jī)床操作員提供的信息確定的。優(yōu)化模塊可保證隨時修正進(jìn)給率以保持衡定的體積切削率。

(2)半精加工和精加工優(yōu)化

當(dāng)?shù)毒咩娗薪?jīng)過粗加工后留下的材料或經(jīng)過近似成品的工件成型面上時，切削抗力會變化很大。在此，優(yōu)化時需要考慮刀具在何處切入材料，從而調(diào)節(jié)進(jìn)給率以維持穩(wěn)定的切削抗力。這有助于延長刀具壽命，并得到更高質(zhì)量的表面光潔度，尤其是在用球形銑刀進(jìn)行斜切加工表面時非常關(guān)鍵。

(3)高速切削加工時的優(yōu)化

在高速機(jī)床上加工時，刀具切入材料的方式至關(guān)重要。進(jìn)給率太低會產(chǎn)生磕碰聲、振動和工件硬化，這將導(dǎo)致表面光潔度降低、刀具過早損壞。切削抗力過高會造成切削壓力過大及不良的切削條件，從而引起刀具、主軸、夾具或機(jī)床的損壞。調(diào)節(jié)進(jìn)給率以保持穩(wěn)定的切削抗力或體積切削率，這將有助于減少上述問題的出現(xiàn)，刀具制造商推薦使用此方法解決“切屑變薄”的問題。當(dāng)進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速很高時，在只需切削少量材料的地方，用球形頭端銑刀以大的進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速精加工，優(yōu)化效果非常好。也可優(yōu)化主軸轉(zhuǎn)速從而在刀具的最大接觸直徑上保持衡定的表面速度，持續(xù)的表面速度優(yōu)化有助于提高表面光潔度。

3 特點及經(jīng)濟(jì)效益

(1)有效縮短了產(chǎn)品的研制周期

由于最初新產(chǎn)品的研制都是由數(shù)控編程人員做工藝技術(shù)準(zhǔn)備以及由數(shù)控操作人員進(jìn)行試切加工，這一部分非常耗時。利用VEIRCUT軟件的虛擬數(shù)控機(jī)床仿真加工，減少了工人試切加工的時間，同時，不占用實際的機(jī)床。一次試切合格率從50%提高到90%，研制周期縮短了50%。

(2)有效減少廢品率和超差率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量

航空產(chǎn)業(yè)是高投入、高風(fēng)險產(chǎn)業(yè)，大型、超大型零件材料成本、加工成本巨大使企業(yè)承受不起大量的試驗加工失敗。而對新機(jī)研制過程中的廢品和超差品的原因分析顯示:30%由工人操作失誤造成，60%由數(shù)控加工程序錯誤造成，10%由其他外部原因造成。利用VEIRCUT軟件的虛擬數(shù)控機(jī)床仿真加工，首先提高了數(shù)控加工程序的正確性;加上該軟件有強(qiáng)大的操作學(xué)習(xí)功能，工人先利用軟件熟悉了機(jī)床之后，能夠有效減少操作失誤。

(3)及時發(fā)現(xiàn)可能存在的干涉碰撞，減少數(shù)控機(jī)床事故

數(shù)控加工中的碰撞干涉是十分危險的，尤其是高速加工以及機(jī)夾式刀具加工。在機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，任何的碰撞將造成機(jī)床、刀具或工裝的損壞，或產(chǎn)品的報廢甚至人身傷亡，損失是難以估量的。為此構(gòu)建虛擬數(shù)控銑床模型，實現(xiàn)銑床仿真加工，可以及時發(fā)現(xiàn)可能存在的干涉碰撞，減少數(shù)控機(jī)床事故。

(4)提高生產(chǎn)效率

按照加工的模式和機(jī)床的特點，采用不同的優(yōu)化模式，根據(jù)瞬時需要切削的材料量的不同，利用優(yōu)化路徑模塊可以自動計算并在需要的地方插入改進(jìn)后的進(jìn)給率。無需改變軌跡，優(yōu)化模塊即可為新的刀具路徑更新進(jìn)給率，對加工程序的進(jìn)給率進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化。

仿真切削優(yōu)化提高了加工程序的合理性，保證了設(shè)備的安全，降低了工人的勞動強(qiáng)度，縮短了研制周期，提高了生產(chǎn)效率。

(5)完成不同系統(tǒng)之間加工程序的轉(zhuǎn)化

不同系統(tǒng)間加工程序轉(zhuǎn)換是在數(shù)控技術(shù)發(fā)展階段難以避免的問題，對于多品種混線生產(chǎn)的某公司來言，在科研生產(chǎn)緊密交叉進(jìn)行時更是如此。舊的或不兼容的G-GODE程序(也稱為NC程序)需要被循環(huán)利用或修正后在各類機(jī)床上運(yùn)行，系統(tǒng)的不兼容性會給實際加工帶來一定的困難。

利用仿真加工進(jìn)行不同系統(tǒng)間程序轉(zhuǎn)換具有更廣泛的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確地配置控制系統(tǒng)是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。通過仿真加工可以將后置NC程序(G代碼程序或通用程序)轉(zhuǎn)換成ASCII 標(biāo)準(zhǔn)APT或其他二進(jìn)制刀位文件格式，再通過后置處理生成相應(yīng)的機(jī)床G代碼程序。仿真加工系統(tǒng)轉(zhuǎn)換還可以對原有的插補(bǔ)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如將圓弧插補(bǔ)轉(zhuǎn)換為直線插補(bǔ)等，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)功能。

4 結(jié)束語

對多品種、中小批量生產(chǎn)企業(yè)，尤其是航空、航天、儀器儀表等高精企業(yè)而言，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用已日益廣泛和普及。為了縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高價值昂貴的數(shù)控機(jī)床的利用率，提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少故障、縮短輔助時間和有利于員工的繼續(xù)教育和培訓(xùn)而開發(fā)了虛擬制造和數(shù)控仿真加工。文中所介紹的數(shù)控鏜銑床的仿真建模、工裝建模、仿真加工和數(shù)控加工程序的優(yōu)化等已在企業(yè)生產(chǎn)實際中應(yīng)用并已獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效果。作者希望文中的內(nèi)容對國內(nèi)的虛擬制造及數(shù)控加工技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用有所裨益。

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