李 芳，劉 凱，王 昊，趙東標(biāo)

(1.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，南京 211156;2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

0 引言

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜曲面零部件的生產(chǎn)制造以及航空航天、汽車、輪船和模具等行業(yè)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)和重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-3］。由于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中刀具路徑復(fù)雜，需要三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，NC 代碼的數(shù)據(jù)繁多，出錯(cuò)幾率大，而且靠人工檢查程序的正確性幾乎不可能，因此使用數(shù)控仿真來(lái)模擬五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工很有必要［4-6］。VERICUT 軟件是美國(guó)CGTECH 公司開(kāi)發(fā)的一款數(shù)控加工仿真及優(yōu)化軟件，可以同時(shí)進(jìn)行刀具軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)的仿真，能真實(shí)地模擬實(shí)際加工過(guò)程中刀具切削零件和機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)情況，并能進(jìn)行碰撞的檢測(cè)，是數(shù)控加工仿真軟件領(lǐng)域的佼佼者［7］。本文采用VERICUT 軟件進(jìn)行雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控微型銑床的數(shù)控加工仿真。

1 五軸數(shù)控微型銑床模型的建立

雙轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸機(jī)床是五軸數(shù)控機(jī)床中比較常見(jiàn)的一種，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在工件運(yùn)動(dòng)鏈一側(cè)，總體剛性較高，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)行程范圍較大，工藝性能好［8］。本文采用的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控微型銑床如圖1 所示，其中，直線導(dǎo)軌和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的各個(gè)軸均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并帶有光電開(kāi)關(guān)對(duì)行程進(jìn)行限位，精密滾珠絲杠螺距為1mm;兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)形式，傳動(dòng)比為1:60。各軸運(yùn)動(dòng)范圍XYZ100mm ×100mm×100mm，A 軸－60° ～110°，C 軸－ 180° ～180°。該五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控平臺(tái)控制系統(tǒng)采用“PC +可編程運(yùn)動(dòng)控制器”結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式控制系統(tǒng):以通用PC 機(jī)為硬件平臺(tái)，MPC08SP 運(yùn)動(dòng)控制卡為控制核心，雙CPU 并行通信，其特點(diǎn)是靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計(jì)算機(jī)的所有資源。

圖1 雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控微型銑床

在使用VERICUT 軟件進(jìn)行數(shù)控仿真加工時(shí)，不僅可以直接選取軟件自帶的各種常見(jiàn)機(jī)床模型，同時(shí)也可以通過(guò)三維造型軟件先建好機(jī)床模型，再將機(jī)床模型文件導(dǎo)出為VERICUT 軟件可以識(shí)別的文件格式，最后導(dǎo)入到VERICUT 中。本文采用后一種方法進(jìn)行仿真加工驗(yàn)證，詳細(xì)步驟如下:

(1)在UG 軟件中建立微型銑床三維實(shí)體模型，建模過(guò)程中，各個(gè)部件的基準(zhǔn)及控制尺寸與實(shí)物部件嚴(yán)格一致。

(2)對(duì)UG 軟件中的銑床三維模型，以每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元為一個(gè)模塊導(dǎo)出為VERICUT 軟件可以識(shí)別的stl 格式，分別是:Base 文件、Y 軸文件、X 軸文件、Z 軸文件、Spindle 文件、Tool 文件、A 軸文件、C 軸文件［9-10］。

(3)在VERICUT 軟件中，根據(jù)五軸微型銑床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在Component Tree 中，按照Base→Y→X →Z→Spindle→Tool，Base→A→C→fixture→stock 的順序定義機(jī)床各組成部分，構(gòu)建機(jī)床組件樹(shù)，如圖2 所示。

圖2 機(jī)床部件樹(shù)

(4)先選中Base(0，0，0)，在下方的添加模型文件中，選取(2)中相應(yīng)的stl 格式文件(即Base 文件)添加進(jìn)來(lái)。按照同樣的方法，依次為項(xiàng)目樹(shù)中的各組件配置機(jī)床實(shí)體模型，完成機(jī)床各部件的裝配。

(5)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)定義完成后，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行初始化的設(shè)置，打開(kāi)“配置→機(jī)床設(shè)定”對(duì)話框，完成機(jī)床起始位置、行程等初始化設(shè)置。

經(jīng)過(guò)以上配置，在VERICUT 軟件中建立了如圖3 所示的五軸數(shù)控銑床仿真模型。

圖3 銑床仿真模型

2 在VERICUT 中的加工仿真

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工過(guò)程中，應(yīng)該防止刀軸矢量頻繁變化導(dǎo)致的撞刀、干涉現(xiàn)象，下面在VERICUT軟件中對(duì)數(shù)控加工進(jìn)行檢驗(yàn)。

選取如圖4 所示的人臉模型在UG 軟件中進(jìn)行CAM 加工，毛坯選用30mm×40 mm×37 mm 的亞克力方料。粗加工采用型腔銑，刀具4mm 立銑刀，刀刃長(zhǎng)大于20mm，步距恒定為1mm，全局每刀深度為1mm，加工余量為0.5mm;精加工采用可變輪廓銑，刀具3mm 球銑刀，刀刃長(zhǎng)大于10mm，采用表面積驅(qū)動(dòng)方法(驅(qū)動(dòng)曲面為一平面截得球面的一部分)，加工余量為0。

圖4 人臉的UG 模型

將加工坐標(biāo)系的零點(diǎn)設(shè)在毛坯上表面的正中心。機(jī)床本身第四根軸(A 軸)與第五根軸(C 軸)在Z 向的偏移為28mm，加上毛坯厚度37mm，根據(jù)二者之和對(duì)后處理構(gòu)造器(post-builder)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。然后經(jīng)后處理構(gòu)造器導(dǎo)出五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序。

在VERICUT 軟件中細(xì)化配置，完成加工前的準(zhǔn)備工作，具體如下:

(1)根據(jù)機(jī)床的雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)式的結(jié)構(gòu)布局以及各軸之間的運(yùn)動(dòng)依附關(guān)系，選擇機(jī)床文件庫(kù)中的“fan0m.ctl”文件，作為機(jī)床的控制系統(tǒng)。

(2)對(duì)照毛坯尺寸，給機(jī)床項(xiàng)目樹(shù)的“stock”組件添加與亞克力毛坯尺寸大小一致的方塊，并調(diào)整毛坯的位置，使其處于工作臺(tái)上表面的正中心。

(3)在VERICUT 軟件中建立刀具庫(kù)，依照零件在CAM 后處理加工中對(duì)應(yīng)的刀具尺寸參數(shù)及刀具號(hào)，對(duì)刀具進(jìn)行設(shè)置。

(4)加載數(shù)控加工程序，并設(shè)置加工坐標(biāo)系和機(jī)床零位，重置模型，進(jìn)行仿真加工。

在VERICUT 環(huán)境下仿真加工過(guò)程及結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示。通過(guò)虛擬加工，可以檢查加工程序是否合理以及是否會(huì)發(fā)生刀具干涉現(xiàn)象，從而對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析修正，直到加工程序最終滿足實(shí)際要求。

圖5 仿真加工過(guò)程

圖6 仿真加工結(jié)果

3 實(shí)際加工驗(yàn)證

人臉加工程序在VERICUT 中的仿真加工結(jié)果達(dá)到了人臉模型的精度要求，下面在銑床平臺(tái)上進(jìn)行人臉的實(shí)例加工。在本課題編寫(xiě)的數(shù)控系統(tǒng)中，將已通過(guò)仿真驗(yàn)證的人臉加工程序讀入系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)例加工。最終人臉加工結(jié)果如圖7 所示。將實(shí)例加工結(jié)果與VERICUT 軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際加工結(jié)果與人臉模型在細(xì)節(jié)上完全一致，達(dá)到了五軸加工的精度要求。

圖7 五軸聯(lián)動(dòng)加工樣件

4 結(jié)束語(yǔ)

基于VERICUT 的數(shù)控加工仿真技術(shù)可以形象直觀地模擬數(shù)控加工的全過(guò)程，進(jìn)行數(shù)控程序的檢驗(yàn)，分析零件的可加工性和工序的合理性，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文采用VERICUT 軟件進(jìn)行了典型零件的五軸加工仿真，并且通過(guò)實(shí)際加工對(duì)該虛擬仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。今后，可以在該數(shù)控微型銑床虛擬平臺(tái)上進(jìn)一步開(kāi)展五軸數(shù)控加工技術(shù)的研究。

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