南昌航空大學(xué) 黃 政 陳為國(guó)

隨著制造技術(shù)水平的不斷提高，加工零件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品精度的要求也越來越高[1]。如何有效地驗(yàn)證數(shù)控加工程序的正確性和合理性，避免切削過程中的過切、欠切、碰撞和超行程等問題顯得越來越重要。

針對(duì)這些問題，筆者嘗試采用仿真軟件建立一個(gè)虛擬的加工環(huán)境，對(duì)加工過程進(jìn)行仿真和校驗(yàn)，從而提前發(fā)現(xiàn)實(shí)際加工中存在的問題，然后對(duì)其進(jìn)行修改，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。在不消耗材料，不占用機(jī)床的情況下，采用構(gòu)建的虛擬機(jī)床對(duì)其進(jìn)行仿真加工，從而得到合理、優(yōu)化的數(shù)控程序，進(jìn)而縮短零件的加工時(shí)間，降低加工成本，提高加工效率[2]。為此，本文以XKA714銑床為對(duì)象，采用UG和VERICUT構(gòu)建機(jī)床模型，然后對(duì)零件進(jìn)行仿真加工，并對(duì)其加工進(jìn)行優(yōu)化。

1 VERICUT的仿真加工過程

采用VERICUT進(jìn)行仿真加工，其過程一般包括機(jī)床環(huán)境的構(gòu)建、定義控制系統(tǒng)、構(gòu)建刀具庫(kù)、對(duì)工件和毛坯及夾具進(jìn)行建模、參數(shù)設(shè)置、導(dǎo)入數(shù)控程序、仿真加工和仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化。

采用VERICUT進(jìn)行仿真加工，其過程如圖1所示，其中重點(diǎn)是機(jī)床模型的建立和數(shù)控程序的生成及優(yōu)化。在仿真過程中必須保證在三維編程軟件中所用的刀具與VERICUT中的刀具完全一致，加工坐標(biāo)系要相同，以確保生成的數(shù)控程序能正常加工。

圖1 VERICUT仿真加工流程Fig.1 VERICUT simulation process

2 建立XKA714銑床模型

在VERICUT中構(gòu)建機(jī)床的過程就是將數(shù)控機(jī)床實(shí)體按照運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系進(jìn)行分解，并為各部件建立幾何模型，然后按照他們之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行“裝配”。

基于UG和VERICUT構(gòu)建XKA714銑床步驟[3-4]：

(1)建立機(jī)床模型。在進(jìn)行機(jī)床模型構(gòu)建時(shí)要弄清楚機(jī)床的傳動(dòng)鏈，通過對(duì)機(jī)床的分析可知該機(jī)床的傳動(dòng)鏈如圖2所示。按照該傳動(dòng)鏈建立組件樹，如圖3所示。然后利用UG進(jìn)行部件幾何模型的建立，將其導(dǎo)入到組件樹中，按照其在機(jī)床上的位置關(guān)系進(jìn)行定位，完成機(jī)床模型的構(gòu)建。

圖2 XKA714銑床傳動(dòng)鏈圖Fig.2 Milling machine transmission chain of XKA714

圖3 機(jī)床組件樹Fig.3 Component tree of machine

(2)定義控制系統(tǒng)。機(jī)床模型構(gòu)建好后，需要對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行定義。VERICUT自身有73種數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)文件，需要時(shí)可以直接調(diào)用，如果沒有適用的控制系統(tǒng)，可以自行定制。本文選用軟件自帶的“fan 21im.ctl”文件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。對(duì)比FANUC 0i MC和FANUC 21im操作說明書，發(fā)現(xiàn)其中有部分編程指令存在差異，對(duì)他們進(jìn)行修改，以保證FANUC 0i MC系統(tǒng)的功能要求。

(3)夾具、毛坯和工件的建模。進(jìn)行夾具建模主要是為了在加工過程中進(jìn)行夾具與機(jī)床上的其他部件之間的干涉和碰撞檢查。本文在UG中對(duì)夾具、毛坯和工件進(jìn)行建模，再以STL格式導(dǎo)入到VERICUT中。

(4)建立刀具庫(kù)。在VERICUT中可建立銑削刀具、車削刀具和螺紋刀具等。對(duì)于較為復(fù)雜的刀具部件(如刀柄等)，還可以從外部導(dǎo)入。本文直接在VERICUT中進(jìn)行刀具的創(chuàng)建。

(5)機(jī)床參數(shù)設(shè)置。機(jī)床構(gòu)建好后，需要對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如機(jī)床干涉檢查、機(jī)床初始化位置、機(jī)床行程置、工件編程原點(diǎn)和機(jī)床原點(diǎn)等設(shè)置。

圖4所示為構(gòu)建的XKA714機(jī)床幾何模型。

圖4 XKA714機(jī)床幾何模型Fig.4 Virtual model of XKA714

3 虛擬仿真加工與優(yōu)化

本文加工的零件為數(shù)控大賽中的旋鈕零件，其三維模型如圖5所示。對(duì)該模型進(jìn)行工藝分析，其加工方案如表1所示。利用UG/Post Builder建立XKA714專用后置處理器(本文未與討論)，生成數(shù)控加工程序。

3.1 仿真加工與過切、欠切檢查

調(diào)入經(jīng)過后處理生成的數(shù)控程序，對(duì)零件進(jìn)行仿真加工，仿真加工過程如圖6所示，加工完成的工件如圖7所示。

圖5 零件三維模型Fig.5 3D model of part

表1 加工方案

圖6 零件仿真加工過程Fig.6 Process simulation of part

圖7 仿真加工后的工件Fig.7 Simulation of workpieces

在仿真加工過程中，可以清晰、動(dòng)態(tài)地觀察到刀具的走刀路徑。利用VERICUT的AUTO-DIFF模塊，進(jìn)行過切與欠切的檢查。將仿真加工的模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較，將其中的過切部分和欠切部分用已選定的顏色顯示出來。此處，將仿真公差設(shè)定為0.1mm，經(jīng)過多次仿真和修改，確認(rèn)不存在過切和欠切現(xiàn)象，圖8所示為生成的比較報(bào)告。欠切與過切檢查表明加工結(jié)果可達(dá)到所需的精度要求。通過仿真加工驗(yàn)證可減少零件的試切次數(shù)。

3.2 數(shù)控程序的優(yōu)化

VERICUT優(yōu)化是模擬實(shí)際切削條件，根據(jù)每部分切削材料量的不同和當(dāng)前所使用的刀具，計(jì)算每步程序的切削量，再和切削參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值或刀具廠商推薦的刀具切削參數(shù)進(jìn)行比較。經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)余量大時(shí)，VERICUT降低進(jìn)給速度；余量小時(shí)，提高進(jìn)給速度，進(jìn)而修改程序，插入新的進(jìn)給速度，為每種切削條件指定最佳進(jìn)給率，最終創(chuàng)建出安全、高效的數(shù)控程序[5]。優(yōu)化后的程序進(jìn)給率得到提高，其加工路徑均與原來的路徑相同，可為一系列預(yù)先設(shè)定好的加工條件輸入理想的進(jìn)給率。

圖8 自動(dòng)比較的最終檢查報(bào)告Fig.8 Final inspection report of Automatical compare

利用VERICUT提供的OptiPath模塊，對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)選用的機(jī)床數(shù)據(jù)和對(duì)零件的工藝分析，對(duì)優(yōu)化刀具庫(kù)中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[6]，以R3的刀具為例設(shè)置完成的刀具優(yōu)化庫(kù)如圖9所示。

圖9 刀具優(yōu)化庫(kù)設(shè)置Fig.9 Set cutter to optimize library

仿真結(jié)束后VERICUT會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生1個(gè)優(yōu)化刀具軌跡庫(kù)，優(yōu)化前后的數(shù)控程序可以通過主菜單中的“優(yōu)化→比較文件”命令進(jìn)行查看，圖10所示是粗加工程序，左側(cè)為優(yōu)化前的程序，右側(cè)為優(yōu)化后的程序。

對(duì)比優(yōu)化前后的數(shù)控程序，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前程序中的進(jìn)給速度是固定不變的，優(yōu)化后的進(jìn)給速度是不斷變化的。而且，優(yōu)化后的數(shù)控程序變長(zhǎng)了，由原來的一行代碼變?yōu)閹仔写a。這是因?yàn)閮?yōu)化刀具軌跡模塊在讀入數(shù)控程序時(shí)將刀具軌跡的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)劃分為若干細(xì)小的刀具運(yùn)動(dòng)，它根據(jù)每段程序的材料去除量，自動(dòng)為其配置最佳的進(jìn)給速度，但并沒有改變?cè)毒哕壽E路徑[7-8]。

圖10 部分加工程序優(yōu)化前后對(duì)比Fig.10 Part of program comparison before and after optimization

優(yōu)化完后可以在VERICUT日志中查看到優(yōu)化前后的加工時(shí)間對(duì)比，每道工步的加工時(shí)間變化如表2所示，其中△=(T1-T2)/T1。

由表2可見，基于VERICUT對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行優(yōu)化，可縮短加工時(shí)間，優(yōu)化數(shù)控程序。不僅可降低試切次數(shù)和成本，提高加工安全性，而且可提高零件的加工精度和表面質(zhì)量，使數(shù)控程序更加合理。

4 實(shí)際加工驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文構(gòu)建的仿真系統(tǒng)的實(shí)用性，將經(jīng)過仿真系統(tǒng)檢驗(yàn)和優(yōu)化后的數(shù)控程序用CF卡傳到XKA714數(shù)控銑床上進(jìn)行在線加工，加工材料為L(zhǎng)Y12。加工完成后的工件如圖11所示，通過對(duì)虛擬加工和實(shí)際加工的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)實(shí)際加工中沒有發(fā)現(xiàn)任何碰撞、干涉現(xiàn)象。證明在實(shí)際加工前，利用VERICUT進(jìn)行虛擬仿真加工，檢驗(yàn)數(shù)控程序和進(jìn)行干涉、碰撞等檢查的有效性。

(2)觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)際加工過程中其加工進(jìn)給率隨加工條件不斷變化。程序未優(yōu)化前零件加工時(shí)間為164.07min，優(yōu)化后程序的加工時(shí)間為111.2min，加工效率提高了32.22%。從而驗(yàn)證了利用VERICUT進(jìn)行程序優(yōu)化的正確性。

(3)檢查實(shí)際加工的零件尺寸和精度，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的加工精度的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用UG和VERICUT相結(jié)合的方法，對(duì)旋鈕零件進(jìn)行仿真加工，驗(yàn)證了該方法的合理性和有效性。使用該方法對(duì)加工過程進(jìn)行模擬，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化。通過優(yōu)化使得數(shù)控程序更合理，加工時(shí)間縮短。不僅降低了試切成本，而且提高了加工的安全性，使得刀具壽命得到延長(zhǎng)，零件的加工精度和表面質(zhì)量得到改善。同時(shí)，該方法使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期得到縮短，提高了機(jī)床的利用率和生產(chǎn)效率，進(jìn)而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 工件優(yōu)化前后的加工時(shí)間變化

圖11 實(shí)際加工的工件Fig.11 Actual processing of workpiece

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