王堃 王業(yè)偉 蹇悅

(上海航天精密機械研究所,上海 201600)

基于VERICUT的大型五軸龍門機床加工仿真技術(shù)研究

王堃 王業(yè)偉 蹇悅

(上海航天精密機械研究所,上海 201600)

本文以GMC50100u五軸龍門加工中心為對象,分析了大型五軸龍門機床的結(jié)構(gòu)及運動形式,并從仿真模型構(gòu)建、機床參數(shù)設(shè)置、控制系統(tǒng)定制等方面詳細(xì)講述了大型多軸復(fù)雜機床的仿真環(huán)境建立過程和步驟。并通過對偏心錐零件的試制,驗證了自建仿真環(huán)境的可靠性和建立方法的正確性。同時還介紹了Vericut軟件仿真環(huán)境下對數(shù)控程序的優(yōu)化應(yīng)用。

Vericut 仿真 五軸龍門機床

復(fù)雜零件在多軸軸聯(lián)動，尤其是五軸及以上聯(lián)動的數(shù)控機床加工中，由于附加的一些刀具旋轉(zhuǎn)或工件旋轉(zhuǎn)非常容易發(fā)生碰撞和干涉現(xiàn)象，這樣就可能造成工件、刀具甚至于機床的損壞。為了避免以上問題的產(chǎn)生，在加工前往往需要在零件坯料上進(jìn)行試加工，并通過對數(shù)控程序進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，確保加工程序的正確安全。但這樣的方式不但增加了勞動強度、降低了工作效率，造成了人力、時間、能源和物質(zhì)的浪費，且在試加工過程中亦存在質(zhì)量隱患。Vericut軟件可以同時進(jìn)行刀具軌跡和機床運動仿真。通過這仿真，可以有效免碰撞、干涉等現(xiàn)象，規(guī)避試切安全風(fēng)險，縮短產(chǎn)品加工周期。

本文以沈陽中捷機床廠GMC50100u大型龍門結(jié)構(gòu)形式的五軸五聯(lián)動加工中心為對象，講述復(fù)雜多軸數(shù)控設(shè)備在VERICUT軟件里仿真環(huán)境的建立和驗證方法。

圖1 機床運動軸組件依附關(guān)系

圖2 組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1 龍門五軸加工中心仿真環(huán)境建立

機床仿真環(huán)境的建立主要包括機床結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建和控制系統(tǒng)定制。

1.1 機床仿真模型構(gòu)建

1.1.1 機床結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)件依附關(guān)系梳理

VERICUT中機床模型以組件樹的形式存在，組件樹反映的是機床各部分之間的現(xiàn)對位置和運動依附關(guān)系。GMC50100u五軸龍門加工中心，由三個線性軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸組成，機床主要部件包括x橫梁、y滑塊、z滑塊、c轉(zhuǎn)頭、a擺頭、工作臺。根據(jù)GMC50100u機床實際結(jié)構(gòu)、運動關(guān)系，確定機床各部分間的相互依附關(guān)系，見圖1所示，圖中箭頭指向為下級子組件。

1.1.2 機床運動軸組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立

按照機床運動軸組件依附在vericut軟件界面下建立機床運動軸組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成機床模型組件樹。

圖3 機床各組件三維模型

圖4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)入

圖 5龍門機床仿真模型

如圖2所示，是構(gòu)建完成的GMC50100u龍門加工中心運動軸組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括運動仿真中始終處于靜止?fàn)顟B(tài)的BASE組件、運動的X/Y/Z/C/A軸及主軸SPINDLE組件。BASE組件是機床中與地面直接連接或一直保持固定靜止的模型組，包括龍門導(dǎo)軌架、固定工作臺、機床外殼等。在BASE組件下一層級建立各運動組件，從樹形結(jié)構(gòu)圖上可以清晰的看出，Y軸是構(gòu)建在X軸上的。當(dāng)X軸運動時，Y軸肯定跟隨X軸向著某一方向運動，但它此時在自己的Y方向并不發(fā)生位移。同理，Z/C/A軸及主軸SPINDLE均是如此。在BASE組件下第一層除了各運動軸組件還存在一類機床附屬結(jié)構(gòu)Attach組，包括夾具Fixture和工件Stock。

圖6a (粗加工)

圖6b (精加工)

圖6 c(完成后)

圖7

圖8偏心錐試件

1.1.3 機床建模

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立好之后，相應(yīng)地增加各機床組件模型實體，例如X/Y/Z/C/A軸、床身、主軸等。各組件模型的尺寸大小，坐標(biāo)位置關(guān)系理論上要與實際機床結(jié)構(gòu)相同，但XY軸的組件模型外形可以作相對簡化。由于機床模型復(fù)雜，而VERICUR軟件本身CAD功能有限，因此可先在專業(yè)CAD軟件里繪制三維模型，再導(dǎo)入至仿真軟件中進(jìn)行裝配。GMC50100u機床采用UG三維軟件構(gòu)建機床三維模型，然后結(jié)合polyworks軟件以組件為單位輸出PLY格式模型文件，再以組件為單位導(dǎo)入VERICUT，具體機床部分組件三維模型如圖3。

將各三維模型導(dǎo)入到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框架對應(yīng)的組件中(圖4)，最后可構(gòu)建出具有運動能力的仿真機床模型，用同樣的方法構(gòu)建并導(dǎo)入床身、工作臺等組件的三維模型就基本完成了這臺GMC50100u龍門加工中心機床模型的建立，如圖5。

1.2 機床參數(shù)設(shè)置

機床結(jié)構(gòu)設(shè)置完成后，可對機床進(jìn)行初始設(shè)置。包括對初始位置、各軸的先后運動順序及行程范圍、加工時的干涉等情況進(jìn)行設(shè)置。在機床模型初始設(shè)置時，需通過“Near Miss”對話框多機床模型的各部件進(jìn)行運動過程中的碰撞檢查設(shè)置。碰撞檢查以機床模型中兩個組件為一組檢查對象，設(shè)置內(nèi)容包括需要進(jìn)行碰撞檢查的兩組件、干涉臨界值等。碰撞設(shè)置完成后，在程序運行過程中，當(dāng)出現(xiàn)機床部件間距離小于干涉臨界值時，系統(tǒng)判斷為碰撞產(chǎn)生進(jìn)行預(yù)警。

機床初始設(shè)置時還需對機床行程進(jìn)行設(shè)置，以精確的數(shù)據(jù)限制機床各運動軸運行的行程范圍。當(dāng)程序運行時出現(xiàn)超出行程情況，系統(tǒng)將以設(shè)定的預(yù)警顏色進(jìn)行報警。

1.3 控制系統(tǒng)定制

機床仿真環(huán)境的建立還必須給機床配置數(shù)字控制系統(tǒng)，使機床具有解讀數(shù)控代碼、插補運算等功能。GMC50100u龍門加工中心采用的是Fidia-C20系統(tǒng)，不屬于軟件自帶系統(tǒng)，我們在系統(tǒng)庫中調(diào)取了與Fidia-C20控制系統(tǒng)指令具有部分相近的Fidia-m30系統(tǒng)文件進(jìn)行開發(fā)定制，再將定制好的控制系統(tǒng)設(shè)定為默認(rèn)缺省值。

2 仿真環(huán)境驗證

2.1 數(shù)控加工過程仿真

在完成了機床仿真環(huán)境的構(gòu)建后，運用構(gòu)建的龍門加工中心模型及控制系統(tǒng)文件對偏心錐零件的數(shù)控程序進(jìn)行了仿真加工。圖6為仿真加工中的三個過程。

2.2 數(shù)控仿真優(yōu)化

通過VERICUT軟件中的優(yōu)化功能對偏心錐零件切削速度進(jìn)行優(yōu)化，有以下三步。

(1)優(yōu)化刀具庫的建立。VERICUT優(yōu)化刀具庫用于設(shè)置不同刀具在不同切削情形設(shè)置進(jìn)給速率和主軸轉(zhuǎn)速等優(yōu)化數(shù)據(jù)。

(2)調(diào)用優(yōu)化庫進(jìn)行程序優(yōu)化。通過調(diào)用前步建立好的設(shè)定優(yōu)化刀軌庫的優(yōu)化記錄，設(shè)定優(yōu)化方式，從而生成一個被優(yōu)化的數(shù)控程序文件。由圖7可以看出，優(yōu)化后生成的新程序文件名稱和后綴名都發(fā)生了改變。

(3)優(yōu)化后數(shù)控程序比較。經(jīng)過優(yōu)化，程序的走空刀時間明顯縮短，切深、進(jìn)給速度等切削參數(shù)明顯優(yōu)化，提高了零件表面質(zhì)量，整個加工時間減少了10%左右。

2.3 產(chǎn)品試制

在前期的技術(shù)研究和仿真試驗后，采取立式裝夾的方式按照自動生產(chǎn)并優(yōu)化的數(shù)控程序進(jìn)行了偏心錐試制，并成功的加工出了偏心錐，偏心錐實物如圖8所示。

3 結(jié)語

針對GMC50100u五軸龍門機床開展基于VERICUT的大型五軸龍門機床加工仿真技術(shù)研究，通過在VERICUT軟件環(huán)境下對五軸龍門機床仿真模型構(gòu)建、機床參數(shù)設(shè)置和控制系統(tǒng)定制，并通過對偏心錐零件的五軸聯(lián)動加工驗證了仿真環(huán)境的可靠性和環(huán)境建立方法的正確性，為龍門機床后續(xù)的多軸加工提供了技術(shù)支撐。

王堃,男,河南南陽人,1983年6月生,碩士研究生學(xué)歷,從事數(shù)控機加工工藝研究。