崔娜 ，王貴和，于天彪

（1.鐵嶺師范高等專科學(xué)校，遼寧 鐵嶺 112001；2.遼東學(xué)院，遼寧 丹東 118003；3.東北大學(xué)，沈陽 110004）

1 引言

21 世紀(jì)被稱為計算機(jī)時代。產(chǎn)品的市場競爭日趨激烈，客戶對產(chǎn)品多樣化和個性化的要求越加迫切，市場競爭的核心是產(chǎn)品創(chuàng)新，產(chǎn)品創(chuàng)新主要體現(xiàn)在對客戶的響應(yīng)速度和品質(zhì)上。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代制造技術(shù)逐漸向集成化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的物理樣機(jī)的產(chǎn)品研發(fā)已經(jīng)越來越無法滿足多變的、持續(xù)發(fā)展的市場需求，數(shù)控鉆銑將銑與鉆的功能融為一體，實(shí)現(xiàn)鉆、擴(kuò)、鉸孔和銑削加工，是我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢，研究數(shù)控鉆銑復(fù)合加工對提高我國制造業(yè)水平具有重要意義［1-2］。本文以某機(jī)床責(zé)任有限公司的ZXK5140B為研究對象，對數(shù)控鉆銑床相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。

2 機(jī)床模型的構(gòu)建

VERICUT7.0 帶有建模功能，但其所能創(chuàng)建的內(nèi)部實(shí)體模型相對比較簡單，可以進(jìn)行簡單的仿真，為此，首先基于Pro/E 建立模型，以*.stl 文件格式導(dǎo)入到VERICUT軟件中，VERICUT 將實(shí)際機(jī)床實(shí)體按照運(yùn)動邏輯關(guān)系進(jìn)行分解，并為各部件構(gòu)筑相對較為簡單的數(shù)學(xué)模型，然后按照它們之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)工作臺的移動和各旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動等［3-4］。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)拓補(bǔ)關(guān)系

根據(jù)機(jī)床各部件間的運(yùn)動邏輯關(guān)系，建立機(jī)床各運(yùn)動軸組件的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，按照拓補(bǔ)關(guān)系添加相應(yīng)的機(jī)床組件。模型主要分為六大部分：即底座和立柱不動部分；Y 向運(yùn)動部分；X 向運(yùn)動部分；Z 向運(yùn)動部分；機(jī)床夾具部分；毛坯工件部分。其拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

VERICUT7.0 提供了多種類型的組件，可以描述加工中的三維實(shí)體模型，包括機(jī)床基礎(chǔ)件、X/Y/Z 軸、主軸、毛坯、夾具和切削刀具等組件［5-7］。組件定義了實(shí)體模型的功能，通過增加模型到組件，使組件具有三維尺寸及形狀?；谏鲜鰴C(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，遵循機(jī)床各運(yùn)動部件間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和運(yùn)動依附關(guān)系，構(gòu)建了機(jī)床的組件樹，如圖2 所示。

圖2 機(jī)床組件樹結(jié)構(gòu)及模型

圖3 鉆銑床模型

由圖中可以得出，各組件間的依附關(guān)系和機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致，各組件的坐標(biāo)軸方向即為各運(yùn)動軸的運(yùn)動方向。X 軸依附于Y軸運(yùn)動，夾具與工件依附于X 軸運(yùn)動，刀具與主軸依附于Z軸運(yùn)動，而刀具與主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。基于所構(gòu)建的機(jī)床組件樹，將機(jī)床零部件模型讀入組件樹中，構(gòu)成機(jī)床的仿真幾何模型。在實(shí)際加工過程中，底座、立柱、Z 向進(jìn)給電機(jī)為不動組件，因此將其添加到base 組件樹中去，其它各組件的添加可遵循機(jī)床各運(yùn)動部件間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和運(yùn)動依附關(guān)系進(jìn)行，所構(gòu)建機(jī)床模型如圖3 所示。

3 仿真參數(shù)的設(shè)定

利用UGNX6的數(shù)控加工功能可以實(shí)現(xiàn)2～5 軸的銑削加工，根據(jù)加工零件的結(jié)構(gòu)特征和加工精度的要求選擇合適的加工方法，并在UGNX6的數(shù)控模塊強(qiáng)大的仿真環(huán)境中觀察生成刀具的路徑及其整個加工過程［5］。

為了對刀以及VERICUT 仿真方便，將工件坐標(biāo)系設(shè)置在毛坯的邊緣以簡化數(shù)控加工程序，UGNX6 輸出的程序需要與VERICUT中的程序相吻合。將各部件導(dǎo)出坐標(biāo)均設(shè)置在主軸前段中心處以便于定位，因此，在UGNX6 與VERICUT中坐標(biāo)系應(yīng)相差一個刀具長度的Z 向距離。實(shí)現(xiàn)正確的刀具切削仿真，需要建立合理的程序零點(diǎn)坐標(biāo)，程序零點(diǎn)選在零件三個方向的邊緣交點(diǎn)，如圖4 所示。

圖4 程序零點(diǎn)坐標(biāo)

機(jī)床的運(yùn)動主要包括X 向進(jìn)給運(yùn)動、Y向進(jìn)給運(yùn)動、Z 向進(jìn)給運(yùn)動和主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動，機(jī)床各軸的運(yùn)動方向可以由機(jī)床各部件的依附關(guān)系中的各軸方向進(jìn)行調(diào)整，考慮到該數(shù)控系統(tǒng)能識別G 代碼程序，因此給機(jī)床配置fan160m 控制系統(tǒng)。

4 鉆銑加工過程仿真的實(shí)現(xiàn)

數(shù)控鉆銑床所能實(shí)現(xiàn)的主要功能包括三軸聯(lián)動銑削的加工及鉆床加工，分別對銑削加工和鉆削加工進(jìn)行仿真。

4.1 銑削加工仿真的實(shí)現(xiàn)

銑削是鉆銑床的主要功能，其運(yùn)動方式主要包括：主軸和刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，X 軸進(jìn)給運(yùn)動、Y 軸進(jìn)給運(yùn)動和Z軸進(jìn)給運(yùn)動。以所建立的機(jī)床模型為基礎(chǔ)，在主件模型書中添加已建立的刀具模型，設(shè)定fan160m 數(shù)控系統(tǒng)，將UGNX6中輸出的數(shù)控程序代碼讀入組件樹中，實(shí)現(xiàn)銑削加工過程的仿真，如圖5 所示。

由仿真結(jié)果可以得出：（1）在銑削加工仿真過程中，各個進(jìn)給運(yùn)動沒有出現(xiàn)超程現(xiàn)象，說明機(jī)床仿真參數(shù)的設(shè)定和數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)選擇合理；（2）刀具與所設(shè)定的機(jī)床各部件沒有出現(xiàn)干涉報警提示信息，說明機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，數(shù)控程序代碼加載正確；（3）獲得理想的工件模型，說明所構(gòu)建的機(jī)床模型能夠完成三軸聯(lián)動的銑削運(yùn)動。

圖5 銑削加工過程仿真

4.2 鉆削加工仿真的實(shí)現(xiàn)

鉆削加工以主軸和刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動、Z 軸進(jìn)給運(yùn)動為主，同時具有X 軸和Y 軸進(jìn)給運(yùn)動，將UGNX6中輸出的數(shù)控程序代碼讀入組件樹中，將VERICUT中機(jī)床模型復(fù)位，其仿真過程如圖6 所示。

圖6 鉆削加工過程仿真

由圖6 仿真結(jié)果可以得出：在鉆削加工仿真過程中，進(jìn)給運(yùn)動沒有出現(xiàn)超程現(xiàn)象，刀具與所設(shè)定的機(jī)床各部件沒有出現(xiàn)干涉報警提示信息，說明機(jī)床模型結(jié)構(gòu)和數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)選擇合理，數(shù)控程序代碼加載正確，可實(shí)現(xiàn)鉆削加工。

5 結(jié)論

針對數(shù)控鉆銑加工的特點(diǎn)，建立了機(jī)床模型，以*.stl文件格式導(dǎo)入到VERICUT中，建立符合實(shí)際機(jī)床結(jié)構(gòu)的組件樹，定義機(jī)床各導(dǎo)軌的運(yùn)動方向，添加刀具庫并在UG中輸出的數(shù)控代碼程序，選擇與機(jī)床匹配的數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)床的銑削和鉆削的加工仿真，仿真結(jié)果表明，所建立的機(jī)床模型是正確的。

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