基于模塊化裝配結構的精密拉刀數(shù)控成形磨床磨削仿真研究

張勝利，洪 軍，王中勝,2，劉萬普，屈佳敏

（1. 西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049；2. 西安飛機國際航空制造股份有限公司 數(shù)控加工中心，西安 710089；3. 陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司，寶雞 721009）

基于模塊化裝配結構的精密拉刀數(shù)控成形磨床磨削仿真研究

張勝利1，洪 軍1，王中勝1,2，劉萬普1，屈佳敏3

（1. 西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049；2. 西安飛機國際航空制造股份有限公司 數(shù)控加工中心，西安 710089；3. 陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司，寶雞 721009）

0 引言

在現(xiàn)代設計和制造中，虛擬仿真加工運用越發(fā)普遍。不管是新型機床的加工驗證（如徐彥偉等的螺旋傘齒輪銑床[1]）還是對新加工方案的實驗（如Chenhua SHE等提出的五軸后處理方法[2]）都首先采用仿真方法進行實際應用前的驗證。較之傳統(tǒng)試切法，計算機仿真加工通過計算機軟件對加工過程和機床運行狀態(tài)進行模擬，實時檢測加工過程中可能存在的過切、干涉、碰撞等錯誤，同時實現(xiàn)代碼的優(yōu)化。這樣可以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低風險和成本，提高編程效率和加工質(zhì)量。

虛擬仿真加工具有其不可替代的作用，而VERICUT作為機床控制模擬系統(tǒng)的嬌嬌者，為CAD/CAM產(chǎn)品市場和用戶提供了最佳的數(shù)控機床加工仿真工具[3]。本文運用該軟件進行拉刀磨削的仿真驗證研究?，F(xiàn)有仿真工作主要針對對象為車削和銑削，因為機床結構特殊、磨削原理和運動控制較復雜，磨削加工的仿真相對少且存在一定難度，因此有必要進行拉刀磨削的仿真驗證。同時拉刀的設計精度高，工藝要求嚴格，磨削方法較復雜，制造成本相應高，利用仿真軟件對拉刀磨床進行仿真加工驗證為拉刀的生產(chǎn)提供了可靠保障，有其重要意義和優(yōu)勢。

1 拉刀磨床模塊劃分及特征分析

仿真實驗要求構建的虛擬磨床不僅具有與實際機床類似的外觀，而且其結構和運動形式也要與實際機床相同。所以在虛擬機床構建前必須先對實際機床的結構和運動特性進行分析，本文從模塊劃分和運動軸配置兩方面進行。

1.1 模塊劃分

拉刀種類多樣，且各類拉刀需要磨削的部位不盡相同。為了滿足不用類型、不同加工部位以及不同尺寸規(guī)格的拉刀磨削用戶需求，在設計時對磨床進行模塊化數(shù)字設計。首先依據(jù)機床的結構和功能特性進行模塊劃分，然后對劃分好的模塊進行屬性定義形成系統(tǒng)的機床模塊庫，最后把系列化的各功能模塊進行配置搭建出滿足需求的產(chǎn)品。這樣配置出的基于模塊化結構的精密拉刀磨床采用面向對象的設計原理，能夠滿足多樣化的功能、規(guī)格需求，構建柔性、適應性大。本磨床模塊劃分結果如圖1所示。

圖1 磨床模塊劃分

1.2 運動軸配置

圖2 機床結構簡圖

本精密拉刀數(shù)控成形磨床的簡要結構如圖2所示。在實際加工過程中各磨削工序功率需求跨度大，選用的砂輪直徑大小迥異。如，為了避免齒間干涉，鏟背時選用的砂輪直徑較小，而在進行拉刀廓形磨削時，為了提高磨削效率采用的砂輪直徑較大相應的需要主軸電機功率也大。因此設計兩個砂輪主軸以滿足各磨削工藝要求。同時，拉刀磨削過程中砂輪廓形需要進行修整以保證精度，為了降低修整前后砂輪重復定位對精度的影響，設計兩軸向相互垂直的修整器。使用時選用砂輪轉動角度小的修整器，以達到重復定位誤差最小化的目的。這樣使得機床的軸數(shù)比較多，不僅需要X、Y、Z三個方向上的移動，還必須保證A、B、C轉軸的定位精確。同時，各砂輪修整器上須附一可控轉動軸。

在磨削拉刀過程中需要的各運動軸聯(lián)動關系如表1所示。

表1 軸聯(lián)動配置

綜上，B軸、C軸屬于輔助調(diào)整軸，只需實現(xiàn)準確定位。X軸、Y軸、Z軸以及定位軸A需要保證聯(lián)動。A軸需同時具有轉動軸和定位軸的功能。

2 虛擬磨床構建

各模塊在功能和結構上具有一定的獨立性，根據(jù)模塊劃分原則建立虛擬磨床各功能基礎部件。同時，為了實現(xiàn)各系列拉刀磨床的仿真驗證，在配置機床時根據(jù)劃分模塊及幾何和運動鏈關系進行全功能拉刀磨床搭建。其流程如圖3所示。

圖3 虛擬機床構建流程

在進行機床模型導入時需要對實際整機CAD模型進行必要的簡化、零件抽取、模塊劃分、布爾運算等并進行格式轉換以完成基礎部件的拆分重組。然后進行機床運動學分析，研究獲得各運動軸父子關系，進而構建機床運動結構樹，如圖4所示。

圖4 虛擬機床結構樹構建

虛擬機床結構樹構建完成后，需要對控制系統(tǒng)中有別于通用NC編碼模塊的指令進行配置。本機床采用SIEMENS 840D 數(shù)控系統(tǒng)，進行機床數(shù)控系統(tǒng)配置時需要根據(jù)西門子編程手冊對NC代碼中用到的某些指令進行聲明和定義。分別在vericut/configuration下的word format和word/address中進行相應操作。配置結果如圖5所示。在定義指令時，數(shù)控編碼的功能實現(xiàn)有兩種方式，一為宏指令庫的選取，另一為子程序的編制調(diào)用。兩方式各有優(yōu)缺，根據(jù)實際指令要求擇優(yōu)選用。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)指令配置

在建立砂輪庫和工件毛坯時，需特別注意砂輪在拉刀磨削過程中作為刀具使用，而在自身修整過程中則轉變?yōu)楣ぜ?。需要建立不同的setup來實現(xiàn)砂輪功能角色的變化。

通過以上各步驟建立的虛擬磨床效果如圖6所示。

圖6 虛擬磨床

3 仿真與驗證

該拉刀磨床能實現(xiàn)方拉刀、圓拉刀（包括螺旋圓拉刀）的前刃面、后角、廓形的磨削和齒背鏟磨以及砂輪的成形和修整。對各加工工序進行仿真驗證，以保證工藝及NC加工代碼的正確性。磨床各軸擺角角度以及廓形路徑的計算和編程比較復雜，為本系統(tǒng)驗證的重點。以下對它們的驗證方案和結果做詳細介紹。

3.1 主軸擺角驗證

由圖4的機床運動軸父子關系圖可知，C軸為B軸父項，在加工過程中C軸轉動會影響B(tài)軸的擺角。因此在處理拉刀前角、后角、齒背等需要B、C兩軸同時準確定位的工序時，拉刀參數(shù)、砂輪的空間軸向以及B、C兩軸擺角三者間的計算轉換關系非常重要，直接影響加工后拉刀的相關尺寸。

以拉刀前刃面磨削為例。該加工需要獲得精確的前角、刃傾角、齒距等幾何參數(shù)以及保證各齒磨削量均勻分布[4]。磨削后的工件尺寸可以由仿真軟件下Analysis/X-Caliper中的分析模塊測得。然后把測量結果同設計值進行比較，然后分析誤差，驗證結果。

圖7 方拉刀前刃面磨削

如圖7所示的方拉刀的設計尺寸由表2給出。令選用碟形砂輪，其外沿直徑為200mm，計算得C軸擺角為-12.26 ，B軸擺角為78.27 。刃磨前角后測得前刃面與水平面夾角為-12°，前刃面與拉刀前端面法向夾角為102°。簡單的幾何推導后可證得，仿真加工形成前角12°，刃傾角12°，同時測得各齒齒距、齒升量均同設計值一致。該結果證實了B、C主軸擺角計算正確。

表2 方拉刀參數(shù)

同理針對普通圓拉刀和螺旋圓拉刀前刃面磨削，給出設計參數(shù)如表3進行仿真加工，仿真效果分別如圖8和圖9所示。

圖8 圓拉刀前刃面磨削

圖9 螺旋拉刀前刃面磨削

表3 拉刀參數(shù)表

其他涉及磨床主軸擺動的加工工序所運用的擺角計算方法和原理相同，所以給出前角磨削的仿真即可驗證擺角計算的正確性。

3.2 復雜廓形驗證

對于復雜廓形拉刀，由于拉刀前角、齒升量、刃傾角等的存在，拉刀設計廓形同采用的砂輪廓形間存在較復雜的轉換關系。為了驗證加工程序所采用的轉換算法，對該部分進行仿真驗證。

3.2.1 砂輪廓形驗證

首先進行砂輪廓形加工仿真，如圖10所示。加工出的廓形需要同預期設計廓形進行對比。通過Append Component/Design添加設計模塊，然后在Add Model/Create Resolve/Import DXF中導入理論砂輪廓形并構建設計模型。砂輪毛坯加工完成后，使用Analysis/AUTO-DIFF把它同設計模型進行過切和欠切檢測，并可以根據(jù)檢測報告查看詳細結果如圖 11所示。

圖10 砂輪成形

圖11 欠切過切檢測設置及報告

3.2.2 拉刀廓形驗證

進行拉刀廓形磨削時選用設計和修正兩種廓形的砂輪進行磨削。各砂輪廓形如圖12所示。這樣可得到修正前后拉刀廓形的對比結果，進而驗證NC代碼和修正算法的準確性。拉刀廓形磨削需要的相關參數(shù)如表4所示。并且為了突出廓形改變，取廓形路徑升角為5°。

圖12 砂輪廓形

表4 拉刀參數(shù)

廓形磨削仿真效果如圖13所示。因為只進行廓形驗證，該仿真簡化了加工模型，忽略拉刀的一些附屬結構。

為了得到拉刀磨削后的廓形，需要把加工后的cut stock導出，然后通過CAD軟件進行路徑方向投影。投影結果如圖14所示。經(jīng)過分析可知，未經(jīng)廓形修正導致的拉刀最大廓形誤差為3.38mm，經(jīng)廓形修正后廓形最大誤差為0.006mm。廓形最大高度為65.86mm，則它們相對最大高度的誤差分別為：

可見NC代碼中的廓形修正計算是必要的也是精確的，砂輪廓形修正后能夠滿足加工精度要求。

圖13 廓形磨削

圖14 砂輪磨削后投影廓形

3.2.3 齒背磨削驗證

圖15 拉刀鏟背

在后角磨削或鏟背時通常會留出一定寬度的刃帶以利于切削的卷曲和排出，同時在一定程度上提高刀刃的強度[5]。如果直接用拉刀設計廓形對應的砂輪進行后角磨削或鏟背，結果如圖15所示，可以測得刃帶分布不均勻，這對拉刀使用性能影響較大。為了得到均勻的刃帶，經(jīng)過分析計算，對砂輪廓形進行修正，修正后磨削效果如圖16所示，測知刃帶沿前刃均勻分布。說明齒背磨削采用的砂輪廓形修正算法正確，能夠保證刃帶均勻。

圖16 刃帶分布不均勻

圖17 刃帶分布均勻

4 結論

經(jīng)過以上各研究工作得到精密拉刀數(shù)控成形虛擬磨床，仿真驗證了拉刀前角、后角、廓形的磨削和鏟背以及砂輪的成形和修正過程。構建的仿真環(huán)境能滿足仿真要求。

此外，由以上實驗方案可知，對于磨床主軸擺角及各軸運動軌跡的正確性需要通過測量拉刀加工后的相關尺寸來進行驗證，拉刀廓形的驗證需要對加工后的拉刀進行投影然后對比理論廓形續(xù)而分析誤差，而對拉刀鏟背的驗證則可以通過觀測刃帶分布來判斷所采用砂輪的廓形是否合理。這些驗證方法在本文的驗證工作中起到了較好的效果。

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Grinding simulation research for precise formed broach cnc grinder based on modularized assembly structure

ZHANG Sheng-li1, HONG Jun1, WANG Zhong-sheng1,2, LIU Wan-pu1, QU Jia-min3

針對精密拉刀數(shù)控成形磨床功能結構、尺寸規(guī)格以及工藝需求多樣的特點，在對拉刀磨床進行模塊化裝配結構設計的基礎上，進行計算機虛擬仿真實驗，以驗證數(shù)控加工代碼及磨削工藝的合理性，同時取得拉刀磨削仿真驗證方法。復雜六軸四聯(lián)動磨床磨削運動復雜，控制要求高，通過分析其結構特征以及運動控制特性，構建出能處理多種類型拉刀的前角、后角、廓形、齒背以及砂輪的成形和修整的虛擬磨床。然后通過對仿真結果的分析，包括對仿真試件加工后的幾何尺寸測量、刃帶及投影廓形的比較等，獲得加工后各拉刀參數(shù)，讓其同設計指標比較，分析誤差來源尋找解決方法，最終完成仿真驗證實驗。仿真結果表明本文構建的仿真環(huán)境合理，驗證方案正確，能夠滿足模塊化裝配結構的拉刀磨床的仿真要求。

拉刀；數(shù)控磨削；仿真；驗證

張勝利（1986 -），男，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)與制造。

TH164

A

1009-0134(2011)5(上)-0001-06

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).01

2010-12-26

“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項資助項目（2009ZX04001-132）；國家高技術研究發(fā)展計劃(863)基金資助項目（2009AA04Z147）；國家自然科學基金重點項目（50935006）