基于Vericut的數(shù)控鋼軌精磨機(jī)的仿真分析

唐茂盛

摘 要：在數(shù)控機(jī)床研發(fā)階段引入加工仿真可以檢驗(yàn)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證加工程序、縮短開發(fā)周期、減少開發(fā)成本。通過分析數(shù)控鋼軌精磨機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動，基于仿形磨削原理，依靠Vericut軟件平臺，建立了鋼軌精磨機(jī)的仿真模型，進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，編制了具體的仿真程序，并進(jìn)行了仿真加工。結(jié)果表明該鋼軌精磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足功能要求。

關(guān)鍵詞：鋼軌精磨 仿真加工 Vericut

中圖分類號：TG580.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（c）-0044-02

隨著中國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)營對鋼軌提出了更高的要求，尤其是對焊縫處的平直度要求更加嚴(yán)格。一直以來國內(nèi)大多采用國外直接進(jìn)口打磨設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)加工，但始終存在成本高、培訓(xùn)周期長等缺陷。然而，目前許多科研機(jī)構(gòu)提出了一種基于數(shù)控插補(bǔ)原理進(jìn)行仿形磨削的加工方案，并逐漸開始運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐。為了驗(yàn)證這種方法的正確性，本文提出了利用Vericut軟件在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中對機(jī)床的加工過程進(jìn)行仿真，并對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 構(gòu)建機(jī)床仿真模型

根據(jù)機(jī)床的工作要求，抽象出各組件之間的運(yùn)動關(guān)系，并由此完成機(jī)床各運(yùn)動組件的定義，接下來就是對各組件進(jìn)行建模。結(jié)合實(shí)際情況，我們選擇在Vericut軟件中直接建模的方式完成對機(jī)床各運(yùn)動組件模型的搭建。

1.1 構(gòu)建機(jī)床模型

機(jī)床模型的建立包括床身，X、Y、Z、W線性模型及主軸的創(chuàng)建。分別單擊項(xiàng)目樹的床身、X線性、Y線性、Z線性、W線性及主軸完成添加，并選擇移動選項(xiàng)進(jìn)行空間位置移動，完整的機(jī)床模型如圖1所示。

1.2 構(gòu)建機(jī)床毛坯模型

選擇毛坯項(xiàng)，在彈出的對話框中選擇添加模型，再點(diǎn)擊創(chuàng)建掃描，然后在添加坐標(biāo)中輸入模型坐標(biāo)，并保存，毛坯的掃描建模過程如圖2所示。移動其空間位置，將毛坯移動到我們所設(shè)計(jì)好的位置上，移動坐標(biāo)為（0，-30，0）如圖2所示。

1.3 構(gòu)建機(jī)床夾具模型

對于夾具，我們也采取易于建模的方法。選擇夾具項(xiàng)，選擇添加模型，再點(diǎn)擊創(chuàng)建掃描，點(diǎn)擊添加輸入夾具模型第一部分的平面坐標(biāo)再通過移動其空間位置，將夾具移動到我們所設(shè)計(jì)的機(jī)床位置上，移動坐標(biāo)為（-30，-160，0）。同理，構(gòu)建夾具的第二部分模型，再移動其空間坐標(biāo)，移動坐標(biāo)為（30，-160，0）。

1.4 構(gòu)建機(jī)床刀具模型

Vericut軟件擁有功能十分強(qiáng)大的刀具設(shè)計(jì)模塊。在刀具管理器中，我們可以根據(jù)不同的需要添加不同類型的刀具，也可使用“Import DXF”功能將刀具圖導(dǎo)入來使用。這里我們選擇在銑削刀具模式下自定義生成所需要的磨削刀具，具體的參數(shù)定義見圖3。

最后確定刀具的裝夾點(diǎn)，為了更為方便的裝夾，我們這里選擇其中一端的刀柄末端作為裝夾點(diǎn)，其坐標(biāo)為（0，0，12），這時(shí)機(jī)床仿真模型的實(shí)體添加完畢，如圖4所示。

2 VERICUT的設(shè)置

機(jī)床的設(shè)置包括機(jī)干涉檢查、初始位置設(shè)置、行程設(shè)置等。

2.1 干涉檢查

機(jī)床設(shè)計(jì)完成后，必須對運(yùn)動部件進(jìn)行干涉檢查，否則，一旦發(fā)生事故，輕則機(jī)床毀壞，重則造成安全事故。在機(jī)床設(shè)置的碰撞檢測中，需要將忽略干涉的值修改為1.0。需要檢測的項(xiàng)目有床身與X線性、Y線性，Y線性與夾具、毛坯，X線性與夾具、毛坯，還有主軸與夾具、毛坯。完成這些定義后，如果運(yùn)動部件發(fā)生超過1.0 mm的干涉現(xiàn)象，機(jī)床就會有報(bào)警提示。

2.2 初始化位置設(shè)置

機(jī)床在建模的過程中，各運(yùn)動部件的位置都是對于機(jī)床坐標(biāo)來說的，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此，我們需要對機(jī)床的初始位置進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊工具欄，選擇設(shè)置中的位置設(shè)置選項(xiàng)，選擇機(jī)床臺面作為初始機(jī)床位置，并進(jìn)行添加，輸入機(jī)床的初始化位置坐標(biāo)（-100，-35，-75）。

2.3 機(jī)床行程設(shè)置

行程設(shè)置是定義機(jī)床各個(gè)運(yùn)動軸的行程極限。在機(jī)床運(yùn)行過程中，如果編程不當(dāng)或是其他原因?qū)е聶C(jī)床超行程運(yùn)動時(shí)，機(jī)床就會自動報(bào)警顯示。因此需要確定機(jī)床的有效加工范圍，避免加工中的“超程”。 設(shè)定Z組件行程為（400，-400），設(shè)定X組件行程為（400，-400），設(shè)定Y組件行程為（210，-210）。

2.4 操作系統(tǒng)設(shè)置

Vericut數(shù)據(jù)庫中自帶有大量世界主流的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，比如西門子數(shù)控系統(tǒng)、FANUC數(shù)控系統(tǒng)、三菱數(shù)控系統(tǒng)等，用戶可以根據(jù)需要直接調(diào)用。結(jié)合本次仿真具體情況，這里選擇軟件自帶的FANUC 0控制系統(tǒng)—— fan0m.ctl。

2.5 工件坐標(biāo)系的設(shè)置

所謂的工件坐標(biāo)系，即固定于工件上的笛卡爾坐標(biāo)系，是編程人員在編制程序時(shí)用來確定刀具和程序起點(diǎn)的，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)可由使用人員根據(jù)具體情況確定。這里我們選擇G54工件坐標(biāo)系，為了方便編程，將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)置于毛坯上，具體位置即毛坯軌頂左下部分邊緣線上的中點(diǎn)。

3 機(jī)床程序的編制

數(shù)控編程編寫的主要內(nèi)容包括：分析零件圖樣，制定工藝方案，數(shù)值計(jì)算，編寫零件加工程序等。

4 機(jī)床驗(yàn)證

檢查完數(shù)控程序的正確性，設(shè)置好干涉、超程、碰撞等識別顏色，即可仿真加工。本文中，仿真結(jié)果是通過動畫表現(xiàn)出來的，通過截圖可以看到仿真加工后的模型，如圖5所示。通過測量及比較等工具，顯示加工模型不存在過切、殘余材料等現(xiàn)象，仿真結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果完全吻合。

5 結(jié)語

鋼軌數(shù)控精磨機(jī)的加工仿真涵蓋了機(jī)床運(yùn)動學(xué)、加工刀具及加工工藝等多方面的知識。鋼軌數(shù)控精磨機(jī)在生產(chǎn)實(shí)踐中有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，有很好的應(yīng)有前景。Vericut是一種基于機(jī)床的幾何仿真，但無法根據(jù)刀具及加工材料對加工過程中的切削力、溫度、熱流、殘余應(yīng)力等進(jìn)行分析，隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，切削過程的微觀仿真技術(shù)也會越來越成熟。

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