基于VERICUT的整體葉輪五軸數(shù)控加工仿真研究

張紹武

（天津市天特國際貿(mào)易有限公司，天津300202）

基于VERICUT的整體葉輪五軸數(shù)控加工仿真研究

張紹武

（天津市天特國際貿(mào)易有限公司，天津300202）

針對五軸數(shù)控加工及碰撞干涉問題，通過建立加工工藝系統(tǒng)模型，將應(yīng)用Siemens NX系統(tǒng)編制的加工程序?qū)隫ERICUT仿真軟件，在進(jìn)行加工之前，盡可能真實地在虛擬環(huán)境里模擬加工整個過程和加工的結(jié)果，對其整個加工過程進(jìn)行仿真，避免了實際加工碰撞干涉現(xiàn)象，消除了實際加工事故隱患。

碰撞干涉；加工仿真；五軸加工

1 引言

五軸聯(lián)動加工技術(shù)是數(shù)控加工中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)之一，國際上將其作為一個國家制造自動化水平的標(biāo)志。五軸聯(lián)動機(jī)床集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，實現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工，廣泛應(yīng)用在航空航天、船舶、精密機(jī)械等民用工業(yè)及國防工業(yè)中。

五軸聯(lián)動加工時的兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使刀具可以實現(xiàn)加工所需的空間方位，也使刀具的運(yùn)動更趨復(fù)雜，增加了工藝系統(tǒng)各組成部分之間發(fā)生碰撞干涉的可能性，使得五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床在實際應(yīng)用中尚不能完全發(fā)揮其優(yōu)勢[1]。五軸聯(lián)動加工碰撞干涉問題是數(shù)控加工編程技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一。

美國CGTech公司研制開發(fā)的VERICUT加工仿真軟件能實現(xiàn)程序驗證、程序優(yōu)化、機(jī)床加工仿真，能最大程度模擬實際加工過程[2]。VERICUT軟件提供非常完善的機(jī)床模型庫，也可以在CAD系統(tǒng)中構(gòu)建其他機(jī)床模型及工藝系統(tǒng)中的特殊幾何體模型（工件、刀具、夾具等），然后再導(dǎo)入到VERICUT系統(tǒng)中。

2 多軸數(shù)控加工及碰撞干涉問題

2.1 多軸數(shù)控加工及其優(yōu)越性

數(shù)控加工技術(shù)作為現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的基礎(chǔ)，使得機(jī)械制造過程發(fā)生了顯著變化?，F(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，無論在加工工藝、加工過程控制，還是工藝裝備等諸多方面均有顯著不同。

多軸數(shù)控加工是指四軸及以上的聯(lián)動數(shù)控加工，其中最有代表性的是五軸數(shù)控加工。工件在一次裝夾后，可以進(jìn)行銑、鏜、鉆等多工序加工，有效地避免了由于多次安裝造成的定位誤差，縮短生產(chǎn)周期，提高加工精度。另外，五軸數(shù)控加工與三軸加工相比，在加工過程中可對刀具方位進(jìn)行控制，使其始終保持最佳切削狀態(tài)，從而提高加工效率和質(zhì)量。

2.2 數(shù)控加工中的干涉現(xiàn)象

刀具干涉是指刀具刃部切入（啃切）被加工表面內(nèi)或刀桿（非刀刃部位）與相鄰加工表面及相鄰約束表面之間的碰撞。根據(jù)干涉現(xiàn)象在刀具上產(chǎn)生的位置不同，并考慮產(chǎn)生干涉的曲面微分幾何特性，刀具干涉的類型可分為啃切（局部）干涉和碰撞（全局）干涉兩大類。碰撞干涉是指刀桿、動力頭與加工表面以及其相鄰的約束表面，如機(jī)床、夾具及其他輔助件等之間的相互碰撞。多軸數(shù)控加工由于其運(yùn)動的復(fù)雜性，發(fā)生碰撞干涉的可能性更大。目前常用CAD/CAM系統(tǒng)只能檢測啃切干涉，而無法檢測碰撞干涉的發(fā)生。VERICUT軟件能對整個加工過程進(jìn)行仿真，并可檢測碰撞干涉，彌補(bǔ)了一般CAD/CAM系統(tǒng)的不足，對于檢測多軸數(shù)控加工干涉現(xiàn)象，避免加工事故的出現(xiàn)意義重大。

3 基于VERICUT軟件的干涉檢測

3.1 數(shù)控加工仿真技術(shù)

計算機(jī)仿真技術(shù)利用計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真系統(tǒng)的模型，并對模型進(jìn)行動態(tài)實驗的一門綜合性技術(shù)。

計算機(jī)技術(shù)的不斷改善和計算機(jī)圖形學(xué)的飛速發(fā)展，使得計算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械加工中得到了廣泛應(yīng)用。把計算機(jī)仿真技術(shù)引入到數(shù)控加工中，即形成了數(shù)控加工仿真技術(shù)[3]。它能對數(shù)控加工程序進(jìn)行過切、欠切，以及刀具與工件、刀具與夾具等之間的干涉的檢測，可以直觀、形象地模擬數(shù)控加工的全過程。

早期仿真的有效性在很大程度上取決于仿真者在仿真過程的各個環(huán)節(jié)所具有的經(jīng)驗，要求仿真者擁有更全面的知識，而這種要求阻礙了仿真技術(shù)的普遍應(yīng)用。20世紀(jì)80年代起，仿真領(lǐng)域普遍開始重視建模技術(shù)，并將圖形技術(shù)、人工智能技術(shù)、知識工程技術(shù)引入到仿真過程中。

3.2 VERICUT軟件及其干涉檢測功能

VERICUT軟件的基本思想就是在進(jìn)行真實的加工之前，盡可能真實地在虛擬環(huán)境里模擬加工整個過程和加工的結(jié)果，避免在實際加工中出現(xiàn)零件的過切、欠切，避免發(fā)生機(jī)床碰撞，保護(hù)機(jī)床和刀具，消除安全隱患，替代試切，并最大程度的優(yōu)化NC程序、延長刀具使用壽命，提高加工效率和加工質(zhì)量。從1988年起，VERICUT在全球已經(jīng)成為了數(shù)控虛擬加工行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具、重工業(yè)、教育培訓(xùn)等行業(yè)，滿足從兩軸到五軸的數(shù)控仿真加工。

3.2.1 MACHINE SIMULATION（機(jī)床仿真）模塊

VERICUT的MACHINE SIMULATION模塊支持建立CNC機(jī)床加工工藝系統(tǒng)的三維模型。該模塊主要用于檢查數(shù)控加工過程中的機(jī)床各部件之間的各類干涉，能夠模擬由控制系統(tǒng)驅(qū)動的虛擬加工零件的整個過程。模塊庫自帶多種常見的數(shù)控機(jī)床模型，可以直接調(diào)用或修改，以及自定義創(chuàng)建CNC機(jī)床模型。

3.2.2 MULTI-AXIS（多軸）模塊

該模塊主要用于多軸數(shù)控機(jī)床的模擬仿真加工驗證?；隍炞C模塊和機(jī)床仿真模塊，進(jìn)行相應(yīng)的干涉檢測，可提前預(yù)知事故的發(fā)生并制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

4 基于VERICUT的仿真加工葉輪

4.1 五軸數(shù)控加工葉輪

葉輪，特別是整體葉輪是透平機(jī)械中的核心部件，廣泛應(yīng)用于船舶、航空航天等領(lǐng)域。整體葉輪具有葉片較薄、扭曲角度偏大、葉片之間的間隔較小等特點(diǎn)，屬于典型難加工零件。五軸數(shù)控加工是實現(xiàn)葉輪高效、高質(zhì)量加工的重要手段，具有重要和不可替代的地位。

4.1.1 整體葉輪五軸加工工藝規(guī)劃

整體葉輪數(shù)控加工工藝規(guī)劃包含高效粗加工刀軌的規(guī)劃和高效精加工刀軌的規(guī)劃。粗加工階段主要是切除毛坯大部分材料，可從刀具尺寸、刀具所能承受的切削力以及機(jī)床性能方面綜合考慮，提高粗加工效率。精加工階段，葉片精加工高效刀軌規(guī)劃的關(guān)鍵在于如何控制相鄰刀具軌跡的殘留高度，以及如何使刀軌限制在以葉片上下邊界為約束的曲面內(nèi)，即如何將裁剪后曲面非規(guī)范化的參數(shù)域重新映射到一個規(guī)范化的參數(shù)域上去，避免按照原始參數(shù)域規(guī)劃精加工刀軌出現(xiàn)空行程而降低效率。

4.1.2 數(shù)控編程

某開式整體直紋面葉輪材料為鋁合金，直徑88 mm、高81.61 mm，共含12片葉片。在五軸數(shù)控加工之前，在車床上加工成形出回轉(zhuǎn)面，如圖1所示。

應(yīng)用Siemens NX系統(tǒng)編制五軸加工程序，加工采用直徑為8 mm和4 mm的球頭銑刀，分別進(jìn)行粗加工和精加工，如圖2所示。加工機(jī)床為Hermle C42，控制系統(tǒng)為Heidenhain iTNC530。整體葉輪加工程序的生成過程如圖3、圖4所示。

4.2 葉輪加工仿真

VERICUT仿真加工過程中，通過加工坐標(biāo)系的設(shè)定來確定主軸端面到編程零點(diǎn)的距離，其原理與實際對刀相同。

在VERICUT環(huán)境中，首先選擇菜單欄下方的“分析”—“測量”—“距離/角度”選項，點(diǎn)擊“模型原點(diǎn)”測量類型，通過依次選擇主軸模型和工件模型獲得X/Y/Z方向的坐標(biāo)偏移值。當(dāng)主軸部件的坐標(biāo)系位于主軸端面且WCS與MCS重合時，可以獲得對刀數(shù)據(jù)值，其他位置測量值需換算到相對位置。然后，點(diǎn)擊“G代碼偏置”，選擇“配置G代碼偏置”，將偏置名設(shè)置為“程序零點(diǎn)”、寄存器設(shè)置為“54”。點(diǎn)擊“添加”按鈕，“選擇從/到定位”的“從”選項欄框，“名字”選項欄框選擇“Tool”；在“到”選項欄框，“名字”選項欄框選擇“MCS”，通過VERICUT軟件自帶的手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）功能檢測機(jī)床原點(diǎn)和加工零點(diǎn)是否保持重合一致，以驗證對刀操作設(shè)置的正確性。

Hermle C42五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床在Heidenhain iTNC530控制系統(tǒng)環(huán)境中，通過導(dǎo)入經(jīng)后置處理生成的葉輪加工程序來驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動，仿真加工過程。仿真加工過程如圖5、圖6所示。

當(dāng)仿真加工檢測出刀位存在干涉發(fā)生時，可以根據(jù)VERICUT提示欄信息，制定相應(yīng)改進(jìn)措施，如通過合理的抬刀、調(diào)整刀軸矢量等相關(guān)切削參數(shù)或更改裝夾方案來消除隱患。

圖1 整體葉輪模型

圖2 刀具參數(shù)設(shè)置

圖3 葉輪葉片粗加工

5 結(jié)論

VERICUT軟件的基本思想就是在進(jìn)行加工之前，盡可能真實地在虛擬環(huán)境里模擬加工整個過程和加工的結(jié)果?；赩ERICUT軟件可以節(jié)省加工程序校對時間，真實地模擬機(jī)床加工全過程，避免在實際加工中出現(xiàn)過切、欠切以及機(jī)床加工系統(tǒng)各部分的碰撞干涉，保護(hù)機(jī)床和刀具，消除安全隱患，替代試切，有效地避免了由于多次安裝造成的定位誤差，縮短生產(chǎn)周期、提高加工精度和效率，重視建模技術(shù)使五軸聯(lián)動機(jī)床集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，實現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工對實際生產(chǎn)具有重要意義。

圖5 葉輪仿真加工（粗加工）

圖6 葉輪仿真加工（精加工）

[1] 宋放之.數(shù)控機(jī)床多軸加工技術(shù)實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2] 楊勝群.VERICUT數(shù)控加工仿真技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

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Simulation Study on 5-axis NC Machining of Integral Impeller Based on VERICUT

ZHANG Shao-wu
（Tianjin Tiante International Trading Co, Ltd., Tianjin 300202, China）

In order to solve the problem of 5-axis NC machining and collision interference, a machining system model is established to introduce simulation software VERICUT by machining program written with Siemens NX system. Before machining, the whole machining process and result is simulated in virtual environment as realistic as possible. The above simulation avoids collision and interference and eliminates hidden dangers in actual machining.

collision interference; machining simulation; 5-axis machining

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.05.011

2014-05-15

2014-06-10

張紹武（1964—），男，工程師，主要從事設(shè)備的設(shè)計、加工、安裝和調(diào)試工作。