基于VERICUT的整體葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真

劉學(xué)航+廖璘志

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造系 四川宜賓 644003）

摘要：用VERICUT軟件創(chuàng)建G996HSB型五軸聯(lián)動高速加工中心模型仿真加工整體葉輪。應(yīng)用VERICUT的組件樹功能建立運(yùn)動學(xué)模型，機(jī)床仿真模塊構(gòu)建五軸加工中心仿真模型，通過設(shè)置毛坯，指定刀位軌跡文件，配置相應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了整體葉輪加工過程的仿真。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；Vericut；整體葉輪；五軸聯(lián)動；仿真

1 引言

整體葉輪是典型的五軸加工零件，常用于航空、汽車、能源等多種領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是曲面復(fù)雜且相鄰葉片間氣流通道狹小，葉輪葉片較薄，且葉片為非可擴(kuò)展扭曲直紋面，葉片之間的表面干涉狀況明顯。由于其刀軸矢量變化頻繁，在試切加工中極易出現(xiàn)撞刀、干涉現(xiàn)象。因此，在實(shí)際加工前采取仿真的方法對加工程序進(jìn)行檢驗(yàn)是十分必要的。VERICUT是專用的數(shù)控加工仿真軟件，可以同時(shí)進(jìn)行刀具軌跡和機(jī)床運(yùn)動仿真，模擬零件裝夾與加工過程中機(jī)床的真實(shí)運(yùn)動情況，以避免機(jī)床部件與夾具和零件的碰撞。本文利用VERICUT軟件實(shí)現(xiàn)整體葉輪的五軸數(shù)控加工仿真。

2 五軸加工中心仿真環(huán)境的建立

建立五軸加工中心仿真環(huán)境是在計(jì)算機(jī)上建立虛擬的五軸加工中心本體、控制系統(tǒng)和刀具庫等，通過添加毛坯，調(diào)用NC程序，就可以在計(jì)算機(jī)上看到和機(jī)床加工一樣的效果，因此建立五軸加工中心仿真環(huán)境是進(jìn)行整體葉輪銑削仿真的基礎(chǔ)。整體葉輪采用G996HSB型五軸聯(lián)動高速加工中心來加工，G996HSB加工中心技術(shù)參數(shù)如表1所示。

下面介紹在Vericut中建立仿真系統(tǒng)的過程。

2.1 建立機(jī)床部件的三維模型

只有準(zhǔn)確地構(gòu)造機(jī)床各部件的CAD模型，才能夠真實(shí)地模擬機(jī)床各部件的運(yùn)動狀況，以檢測機(jī)床、刀具和工件在加工過程中的空間位置情況，防止干涉。為簡化建模過程，以每個(gè)運(yùn)動單元為一個(gè)模塊，只建立運(yùn)動單元外形模型，建模不考慮機(jī)床各軸及主軸內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)，底座及不運(yùn)動部件簡化為整體建模，但其基準(zhǔn)和控制尺寸與G996HSB五軸加工中心一致。使用UG/CAD模塊建立機(jī)床運(yùn)動部件和固定部件的三維實(shí)體模型，并轉(zhuǎn)換成Vericut軟件可以識別的STL格式。

2.2 構(gòu)建機(jī)床的部件樹

根據(jù)G996HSB五軸加工中心的實(shí)際運(yùn)動結(jié)構(gòu)，首先找到兩大傳動鏈。主軸帶著刀具通過立柱沿著Z向運(yùn)動，該運(yùn)動組件和實(shí)現(xiàn)X向運(yùn)動的組建相連，沿X向運(yùn)動的組件又和沿Y方向運(yùn)動的組件相連，形成整個(gè)刀具傳動鏈。毛坯裝夾在實(shí)現(xiàn)C向轉(zhuǎn)動的組件上，該組件又和在實(shí)現(xiàn)A向旋轉(zhuǎn)的組件相連，共同構(gòu)成毛坯傳動鏈。在項(xiàng)目樹中依次定義機(jī)床的組成部分，添加順序?yàn)锽ase→Y→X→Z→Spindle→Tool，Base→A→C，從而得到機(jī)床組件樹，如圖1所示。

2.3 添加機(jī)床幾何模型

添加各部件的STL模型時(shí)應(yīng)注意將添加模型選擇為模型文件，找到相應(yīng)STL格式文件。逐個(gè)導(dǎo)入后完成虛擬機(jī)床的裝配，得到虛擬機(jī)床模型，如圖2所示。

2.4 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

選取“配置/機(jī)床設(shè)定”，在彈出的對話框中設(shè)置機(jī)床干涉檢查設(shè)置、機(jī)床初始位置、機(jī)床行程設(shè)置和運(yùn)動軸分配等機(jī)床參數(shù)。

2.5 配置機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

G996HSB五軸加工中心配置的數(shù)控系統(tǒng)為SINUMERIK840D，選取“配置/控制/打開控制文件”，在控制系統(tǒng)庫目錄下選擇sin840d.ctl。但Vericut提供的控制系統(tǒng)是最基本的配置，需要根據(jù)機(jī)床的控制系統(tǒng)功能和指令格式，對準(zhǔn)備功能G代碼、輔助功能M代碼、寄存器地址和狀態(tài)指令等進(jìn)行設(shè)置。

2.6 創(chuàng)建刀具庫

在Vericut中利用刀具管理模塊，可建立適用于所加工工件的刀具庫。刀具建模包括刀柄和刀片兩部分，刀柄的形狀先用UG軟件建模，并將其轉(zhuǎn)換成STL格式，便于使用時(shí)調(diào)入和調(diào)整位置。刀片在VERICUT中設(shè)置，選擇相應(yīng)刀片型號，輸入刀片尺寸即可。

2.7 進(jìn)行刀具軌跡仿真

在項(xiàng)目樹中點(diǎn)擊“數(shù)控程序”選擇數(shù)控程序類型為“G-代碼數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊“添加數(shù)控程序文件”即可添加用于仿真G代碼刀具軌跡文件。

3 整體葉輪的加工仿真

整體葉輪的加工仿真操作步驟如下：

（1）在Vericut環(huán)境下，調(diào)用已構(gòu)建好的G996HSB五軸加工中心模型。

（2）調(diào)用機(jī)床文件、CNC控制文件和刀具庫文件。

（3）引入整體葉輪毛坯。將毛坯的STL模型文件引入部件樹。

（4）設(shè)置工件坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)置在整體葉輪毛坯上表面的中心。

（5）調(diào)入NC程序，并定義刀具列表以建立G代碼中所指定的刀具號和主刀具庫文件中的刀具號的映射關(guān)系。

（6）檢查數(shù)控程序的正確性，設(shè)置碰撞、超程、干涉等識別顏色，選取工具條上的“單步仿真”或“連續(xù)仿真”鍵，開始加工仿真。仿真過程中，機(jī)床的運(yùn)動狀態(tài)與實(shí)際加工中機(jī)床運(yùn)動狀態(tài)相同，可以隨時(shí)變換角度觀察仿真情況，對機(jī)床、刀具以及夾具之間的干涉情況進(jìn)行檢驗(yàn)。整體葉輪的加工仿真，如圖3所示。

（7）仿真結(jié)果分析。選取“分析/自動-比較”工具，檢查零件有無過切、欠切等情況。若切削模型不理想，只需調(diào)整和更換NC程序，繼續(xù)零件的加工仿真，直至切削模型與設(shè)計(jì)原型一致。

4 結(jié)語

本文基于VERICUT軟件構(gòu)建了G996HSB五軸加工中心的仿真環(huán)境，這種基于完整的數(shù)控加工工藝系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行的整體葉輪NC加工仿真，比用CAD/CAM軟件單純的刀位文件仿真更真實(shí)，更接近實(shí)際加工情況，解決了實(shí)際加工過程中的過切、欠切，以及刀具、工件與機(jī)床部件和夾具的碰撞問題，降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率。