基于VERICUT的數(shù)控鉆銑加工仿真研究

崔娜 ，王貴和，于天彪

（1.鐵嶺師范高等專科學(xué)校，遼寧 鐵嶺 112001；2.遼東學(xué)院，遼寧 丹東 118003；3.東北大學(xué)，沈陽 110004）

1 引言

21 世紀(jì)被稱為計算機時代。產(chǎn)品的市場競爭日趨激烈，客戶對產(chǎn)品多樣化和個性化的要求越加迫切，市場競爭的核心是產(chǎn)品創(chuàng)新，產(chǎn)品創(chuàng)新主要體現(xiàn)在對客戶的響應(yīng)速度和品質(zhì)上。隨著計算機技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代制造技術(shù)逐漸向集成化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的物理樣機的產(chǎn)品研發(fā)已經(jīng)越來越無法滿足多變的、持續(xù)發(fā)展的市場需求，數(shù)控鉆銑將銑與鉆的功能融為一體，實現(xiàn)鉆、擴、鉸孔和銑削加工，是我國數(shù)控機床發(fā)展的趨勢，研究數(shù)控鉆銑復(fù)合加工對提高我國制造業(yè)水平具有重要意義［1-2］。本文以某機床責(zé)任有限公司的ZXK5140B為研究對象，對數(shù)控鉆銑床相關(guān)技術(shù)進行研究。

2 機床模型的構(gòu)建

VERICUT7.0 帶有建模功能，但其所能創(chuàng)建的內(nèi)部實體模型相對比較簡單，可以進行簡單的仿真，為此，首先基于Pro/E 建立模型，以*.stl 文件格式導(dǎo)入到VERICUT軟件中，VERICUT 將實際機床實體按照運動邏輯關(guān)系進行分解，并為各部件構(gòu)筑相對較為簡單的數(shù)學(xué)模型，然后按照它們之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系進行裝配，實現(xiàn)工作臺的移動和各旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動等［3-4］。

圖1 機床結(jié)構(gòu)拓補關(guān)系

根據(jù)機床各部件間的運動邏輯關(guān)系，建立機床各運動軸組件的拓補結(jié)構(gòu)，按照拓補關(guān)系添加相應(yīng)的機床組件。模型主要分為六大部分：即底座和立柱不動部分；Y 向運動部分；X 向運動部分；Z 向運動部分；機床夾具部分；毛坯工件部分。其拓補結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

VERICUT7.0 提供了多種類型的組件，可以描述加工中的三維實體模型，包括機床基礎(chǔ)件、X/Y/Z 軸、主軸、毛坯、夾具和切削刀具等組件［5-7］。組件定義了實體模型的功能，通過增加模型到組件，使組件具有三維尺寸及形狀?；谏鲜鰴C床的拓撲結(jié)構(gòu)，遵循機床各運動部件間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和運動依附關(guān)系，構(gòu)建了機床的組件樹，如圖2 所示。

圖2 機床組件樹結(jié)構(gòu)及模型

圖3 鉆銑床模型

由圖中可以得出，各組件間的依附關(guān)系和機床的拓撲結(jié)構(gòu)一致，各組件的坐標(biāo)軸方向即為各運動軸的運動方向。X 軸依附于Y軸運動，夾具與工件依附于X 軸運動，刀具與主軸依附于Z軸運動，而刀具與主軸做旋轉(zhuǎn)運動。基于所構(gòu)建的機床組件樹，將機床零部件模型讀入組件樹中，構(gòu)成機床的仿真幾何模型。在實際加工過程中，底座、立柱、Z 向進給電機為不動組件，因此將其添加到base 組件樹中去，其它各組件的添加可遵循機床各運動部件間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和運動依附關(guān)系進行，所構(gòu)建機床模型如圖3 所示。

3 仿真參數(shù)的設(shè)定

利用UGNX6的數(shù)控加工功能可以實現(xiàn)2～5 軸的銑削加工，根據(jù)加工零件的結(jié)構(gòu)特征和加工精度的要求選擇合適的加工方法，并在UGNX6的數(shù)控模塊強大的仿真環(huán)境中觀察生成刀具的路徑及其整個加工過程［5］。

為了對刀以及VERICUT 仿真方便，將工件坐標(biāo)系設(shè)置在毛坯的邊緣以簡化數(shù)控加工程序，UGNX6 輸出的程序需要與VERICUT中的程序相吻合。將各部件導(dǎo)出坐標(biāo)均設(shè)置在主軸前段中心處以便于定位，因此，在UGNX6 與VERICUT中坐標(biāo)系應(yīng)相差一個刀具長度的Z 向距離。實現(xiàn)正確的刀具切削仿真，需要建立合理的程序零點坐標(biāo)，程序零點選在零件三個方向的邊緣交點，如圖4 所示。

圖4 程序零點坐標(biāo)

機床的運動主要包括X 向進給運動、Y向進給運動、Z 向進給運動和主軸回轉(zhuǎn)運動，機床各軸的運動方向可以由機床各部件的依附關(guān)系中的各軸方向進行調(diào)整，考慮到該數(shù)控系統(tǒng)能識別G 代碼程序，因此給機床配置fan160m 控制系統(tǒng)。

4 鉆銑加工過程仿真的實現(xiàn)

數(shù)控鉆銑床所能實現(xiàn)的主要功能包括三軸聯(lián)動銑削的加工及鉆床加工，分別對銑削加工和鉆削加工進行仿真。

4.1 銑削加工仿真的實現(xiàn)

銑削是鉆銑床的主要功能，其運動方式主要包括：主軸和刀具的回轉(zhuǎn)運動，X 軸進給運動、Y 軸進給運動和Z軸進給運動。以所建立的機床模型為基礎(chǔ)，在主件模型書中添加已建立的刀具模型，設(shè)定fan160m 數(shù)控系統(tǒng)，將UGNX6中輸出的數(shù)控程序代碼讀入組件樹中，實現(xiàn)銑削加工過程的仿真，如圖5 所示。

由仿真結(jié)果可以得出：（1）在銑削加工仿真過程中，各個進給運動沒有出現(xiàn)超程現(xiàn)象，說明機床仿真參數(shù)的設(shè)定和數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)選擇合理；（2）刀具與所設(shè)定的機床各部件沒有出現(xiàn)干涉報警提示信息，說明機床結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，數(shù)控程序代碼加載正確；（3）獲得理想的工件模型，說明所構(gòu)建的機床模型能夠完成三軸聯(lián)動的銑削運動。

圖5 銑削加工過程仿真

4.2 鉆削加工仿真的實現(xiàn)

鉆削加工以主軸和刀具的回轉(zhuǎn)運動、Z 軸進給運動為主，同時具有X 軸和Y 軸進給運動，將UGNX6中輸出的數(shù)控程序代碼讀入組件樹中，將VERICUT中機床模型復(fù)位，其仿真過程如圖6 所示。

圖6 鉆削加工過程仿真

由圖6 仿真結(jié)果可以得出：在鉆削加工仿真過程中，進給運動沒有出現(xiàn)超程現(xiàn)象，刀具與所設(shè)定的機床各部件沒有出現(xiàn)干涉報警提示信息，說明機床模型結(jié)構(gòu)和數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)選擇合理，數(shù)控程序代碼加載正確，可實現(xiàn)鉆削加工。

5 結(jié)論

針對數(shù)控鉆銑加工的特點，建立了機床模型，以*.stl文件格式導(dǎo)入到VERICUT中，建立符合實際機床結(jié)構(gòu)的組件樹，定義機床各導(dǎo)軌的運動方向，添加刀具庫并在UG中輸出的數(shù)控代碼程序，選擇與機床匹配的數(shù)控系統(tǒng)，進行機床的銑削和鉆削的加工仿真，仿真結(jié)果表明，所建立的機床模型是正確的。

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［4］楊軍，等.基于DEFORM 3D的鉆削力仿真研究［J］.工具技術(shù)，2007，41（4）：50-53.

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