曹旭妍

摘要：車(chē)銑復(fù)合機(jī)床能夠完成一次裝夾下的所有加工工序，避免了多次換裝引起的加工誤差，加工質(zhì)量好，加工效率高。然而由于該類(lèi)機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工中主軸運(yùn)動(dòng)形式多樣，在復(fù)雜零件的首件加工中往往存在干涉、碰撞等潛在風(fēng)險(xiǎn)，給機(jī)床的高效使用和安全帶來(lái)較大危險(xiǎn)。文中基于VERICUT虛擬仿真平臺(tái)，構(gòu)建車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，并對(duì)一液壓殼體零件和五軸葉輪零件進(jìn)行仿真加工，檢驗(yàn)NC程序中存在的錯(cuò)誤，預(yù)判加工中可能存在的危險(xiǎn)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工藝的提前改進(jìn)，提高了車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的加工效率，同時(shí)保障了實(shí)際加工中機(jī)床的使用安全。

Abstract： The turn-milling compound machine tool can complete all the machining process under one clamping， because of avoiding the processing error caused by many times of changing， the processing quality is good and processing efficiency is high. However， due to the complex structure of this type of machine tool and the diverse spindle movement forms in processing， interference， collision and other potential risks often exist in the first processing of complex parts， which bring greater risks to the efficient use and safety to machine tool. The virtual simulation machining system of turn-milling compound machine tool was built based on VERICUT Virtual simulation platform in this paper. Simulation machining of hydraulic shell part and five - axis impeller part were carried out， and errors in NC programs were checked. Possible hazardous conditions in processing were anticipated， to realize the advance improvement of the processing technology. Through the application of virtual simulation machining， the machining efficiency of turn- milling compound machine tool is improved， and the safety of machine tool is guaranteed at the same time.

關(guān)鍵詞：車(chē)銑復(fù)合;VERICUT;虛擬仿真

Key words： turn-milling compound;VERICUT;virtual simulation

0? 引言

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，零件的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，加工精度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床已無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜零件尤其是五軸類(lèi)零件的加工要求，因此車(chē)銑復(fù)合機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。車(chē)銑復(fù)合機(jī)床集成了車(chē)、銑、鉆、鏜、鉸、滾齒、插齒等加工方式，涵蓋了大部分常見(jiàn)的機(jī)加功能，能夠在一次裝夾下完成幾乎所有的加工特征，極大地縮短了零件的制造流程和加工時(shí)間，降低了復(fù)雜工件的制造難度，提升了零件的加工精度，因此該類(lèi)機(jī)床在航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。然而，正因?yàn)樵擃?lèi)機(jī)床加工功能較為全面，機(jī)床結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，加工過(guò)程中刀軸空間位姿多變，NC程序比較復(fù)雜，因而NC的正確性直接制約了機(jī)床的高效應(yīng)用和使用安全。傳統(tǒng)加工中，對(duì)NC程序的正確性檢驗(yàn)大多靠人工以及首件試切來(lái)進(jìn)行的，這些方式不僅效率低下，同時(shí)還會(huì)造成較大的人力、物力損失[2]。基于此，文章采用虛擬仿真加工的方式，通過(guò)建立機(jī)床虛擬仿真加工系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)中完成零件的仿真加工，檢驗(yàn)NC的正確性，預(yù)判機(jī)床加工過(guò)程中可能存在的干涉、碰撞等危險(xiǎn)情況，確保機(jī)床使用安全。

1? 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析

文中研究對(duì)象為一臺(tái)立式車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床，該機(jī)床工作臺(tái)水平布置，具備回轉(zhuǎn)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)削、銑削模式下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)床共有5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，包括X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸，B、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，不僅能夠進(jìn)行車(chē)銑復(fù)合加工，還能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B、C的五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)。車(chē)削模式下，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)為車(chē)削主軸，實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn);銑削模式下，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)為銑削C軸，實(shí)現(xiàn)復(fù)合插補(bǔ)功能。銑削主軸配置在傾斜旋轉(zhuǎn)軸上，隨著旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，銑削主軸可以從水平到垂直方向切換，實(shí)現(xiàn)車(chē)削、銑削模式的轉(zhuǎn)換。

2? 虛擬仿真加工系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 機(jī)床幾何建模

為保證虛擬仿真加工系統(tǒng)能真實(shí)可靠的反應(yīng)實(shí)際加工問(wèn)題，機(jī)床虛擬模型的構(gòu)建需與實(shí)際機(jī)床完全一致，不僅要求機(jī)床幾何尺寸的統(tǒng)一，同時(shí)還要求機(jī)床運(yùn)動(dòng)邏輯與實(shí)際機(jī)床一致。VERICUT中建立機(jī)床虛擬仿真加工系統(tǒng)，首先需建立正確的幾何模型[3]。機(jī)床幾何模型的準(zhǔn)確構(gòu)建首先需完成實(shí)際機(jī)床的尺寸測(cè)量，根據(jù)機(jī)床手冊(cè)以及實(shí)際測(cè)量，確定機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)尺寸、空間距離，然后基于三維軟件UG建立機(jī)床模型。完整的機(jī)床模型不僅包含機(jī)床的幾何實(shí)體，還需要賦予機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸間正確的邏輯關(guān)系。VERICUT中，運(yùn)動(dòng)邏輯是通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)樹(shù)來(lái)體現(xiàn)的，根據(jù)機(jī)床中的兩條運(yùn)動(dòng)鏈：床身—Y軸—C軸—工件;床身—Z軸—X軸—B軸—刀具，建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)樹(shù)，如圖2所示。

根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，將建立的模型按照不同運(yùn)動(dòng)部件保存為STL格式文件，導(dǎo)入VERICUT結(jié)構(gòu)樹(shù)中相應(yīng)位置即可完成機(jī)床幾何模型的構(gòu)建，如圖3所示為機(jī)床幾何模型。

2.2 建立刀具庫(kù)

刀具可以在三維軟件中建立，然后導(dǎo)入VERICUT中，也可通過(guò)VERICUT中提供的刀具管理器直接建立。刀具由刀柄和刀片組成，銑削類(lèi)刀具為回轉(zhuǎn)體，可直接在VERICUT中建立。而車(chē)削刀具由于存在較為復(fù)雜的刀桿結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)三維軟件UG建立刀桿模型，導(dǎo)入VERICTU中即可。如圖4所示為建立的刀具庫(kù)，刀具建立完成后，還需設(shè)置刀具安裝點(diǎn)、刀具驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，保證刀具在調(diào)用時(shí)，處于正確的位置。

2.3 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

虛擬仿真加工系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置主要包括：運(yùn)動(dòng)軸行程、機(jī)床零點(diǎn)、機(jī)床換刀點(diǎn)、干涉碰撞間隙、G代碼偏置等，設(shè)置好正確的參數(shù)，能夠保證虛擬仿真加工過(guò)程中當(dāng)出現(xiàn)行程超差、碰撞、干涉等危險(xiǎn)情況時(shí)，仿真系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，便于技術(shù)人員查找問(wèn)題所在，從而先于實(shí)際加工排除加工問(wèn)題，為實(shí)際加工提供參考，保證實(shí)際加工中機(jī)床的安全性。

2.4 控制系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)

構(gòu)建好虛擬仿真加工系統(tǒng)并完成參數(shù)設(shè)置后，需根據(jù)實(shí)際機(jī)床所使用的控制系統(tǒng)對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)定制。VERICUT中提供了常用的多種數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)需要可直接選用。然而由于車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的特殊結(jié)構(gòu)，機(jī)床廠家在進(jìn)行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，根據(jù)自身技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行了特殊功能代碼的定制，因此虛擬加工系統(tǒng)中所直接選取的控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足加工所需，需要根據(jù)實(shí)際機(jī)床對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[4]。機(jī)床所用控制系統(tǒng)為sin840d，其對(duì)車(chē)削模式、銑削模式下的加工參數(shù)進(jìn)行了特殊定制。立式車(chē)（DM_TURN（0））、數(shù)控銑 （DM_MILL）定義了車(chē)削模式、銑削模式的選擇;直徑加工（DIAMON）、半徑加工（DIAMOF）確定了車(chē)、銑不同加工模式下回轉(zhuǎn)加工的走刀數(shù)值。在G代碼設(shè)置中，根據(jù)機(jī)床的實(shí)際狀態(tài)，應(yīng)用宏命令定制特殊G代碼，完成控制系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)，確保虛擬仿真系統(tǒng)與實(shí)際機(jī)床的一致性。

2.5 獲取NC程序

復(fù)雜零件尤其是五軸零件的NC程序很難通過(guò)人工編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，借助自動(dòng)化編程技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件的NC編寫(xiě)，滿(mǎn)足加工所需。通過(guò)在三維軟件UG中建立零件的三維模型，應(yīng)用加工模塊，進(jìn)行零件的前置工藝處理，生成加工中刀具的走刀路徑及刀軸信息，獲得刀軌文件APT。目前，刀軌文件并不能被大多數(shù)機(jī)床直接識(shí)別，需對(duì)其進(jìn)行后置處理將其轉(zhuǎn)化為NC程序[5]。UG軟件中后處理模塊自帶了三軸以?xún)?nèi)的后置處理器，但對(duì)四軸以上的多軸聯(lián)動(dòng)加工，并不能直接應(yīng)用，需進(jìn)行后置處理器的專(zhuān)門(mén)定制。根據(jù)文中所選液壓殼體和五軸葉輪零件的結(jié)構(gòu)特征，分別開(kāi)發(fā)用于3+2定軸加工的后置處理器“turn-mill 3+2post”和五軸后置處理器“turn-mill 5axis post”，對(duì)殼體及葉輪零件的前置工藝文件進(jìn)行后處理，生成加工所需的NC程序。

3? 仿真加工

建立完成樣件的毛坯模型，將其導(dǎo)入虛擬仿真加工系統(tǒng)中，載入NC程序后進(jìn)行仿真加工。如圖5所示，分別為液壓殼體零件和葉輪零件的仿真加工，通過(guò)仿真加工，可觀察加工過(guò)程中機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)機(jī)床刀軸位置和姿態(tài)，分析走刀軌跡是否正確;同時(shí)根據(jù)機(jī)床自動(dòng)監(jiān)控模塊提供的干涉、碰撞等錯(cuò)誤加工信息，查找定位到相關(guān)程序段，分析產(chǎn)生的原因，并據(jù)此進(jìn)行前置工藝的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)NC的正確性檢測(cè)和優(yōu)化，保證機(jī)床實(shí)際加工中的安全性，提高零件試制效率。

4? 結(jié)論

文章基于VERICUT仿真平臺(tái)構(gòu)建了車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，闡述了虛擬仿真加工系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并以液壓殼體零件和五軸葉輪零件為樣件進(jìn)行仿真加工，驗(yàn)證機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)以及3+2定軸加工功能，最大限度完成了機(jī)床所有加工功能的測(cè)試。通過(guò)仿真加工，能夠有效預(yù)判實(shí)際加工中可能存在的干涉、碰撞等問(wèn)題，指導(dǎo)技術(shù)人員對(duì)工藝處理過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，減少首件試切環(huán)節(jié)所耗費(fèi)的人力、物力，有效提高零件加工效率和質(zhì)量，同時(shí)對(duì)保證機(jī)床使用安全具有重要意義。

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