基于VERICUT的五軸臥式機(jī)床建模與加工仿真

李 棟，鄧永紅

(1.聊城大學(xué)東昌學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 聊城 252000；2.四川普什寧江機(jī)床有限公司 研發(fā)院，成都 611831)

0 引言

在復(fù)雜曲面和形狀的零部件加工制造方面，零件是否存在過(guò)切、欠切以及加工運(yùn)動(dòng)中是否發(fā)生碰撞等問(wèn)題很難通過(guò)人工來(lái)判斷。因此必須借助于有效的手段對(duì)相應(yīng)的零部件進(jìn)行模擬，以獲知整個(gè)加工過(guò)程的狀態(tài)。

薛茂超構(gòu)建了XK713型三軸立式數(shù)控銑床模型并進(jìn)行了仿真[1]，張振濤、徐剛、陳康瑋等人構(gòu)建了五軸立式機(jī)床模型并進(jìn)行了加工仿真研究[2-5]，目前，國(guó)內(nèi)基本上都是針對(duì)立式機(jī)床建模，還未出現(xiàn)針對(duì)臥式機(jī)床的建模與仿真加工。

本文主要以VERICUT8.0為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)針對(duì)西門(mén)子840D為控制系統(tǒng)的五軸臥式加工中心，提供一種加工效率高、可靠性高的加工仿真應(yīng)用平臺(tái)。并以S型試件實(shí)際加工驗(yàn)證仿真模型的正確性。

1 西門(mén)子840D五軸臥式機(jī)床模型的建立

1．1 西門(mén)子840D五軸臥式機(jī)床介紹

本文采用的數(shù)控機(jī)床是由四川普什寧江機(jī)床有限公司開(kāi)發(fā)的五軸精密臥式加工中心，該機(jī)床由X、Y、Z、A、B五個(gè)運(yùn)動(dòng)控制軸構(gòu)成，屬五軸五聯(lián)動(dòng)臥式雙轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心，配西門(mén)子840Dsl控制系統(tǒng)。其主要參數(shù)如下：

工作臺(tái)面直徑：1000mm；

主軸最高轉(zhuǎn)速：12000r/min；

X/Y/Z軸的行程：1300/1000/1100mm；

A/B軸行程：0°～+90°/0°～360°；

主軸中心線至臺(tái)面尺寸范圍：-200～800mm；

主軸端面至托盤(pán)工作臺(tái)中心尺寸范圍：200～1300mm。

1．2 在VERICUT中建立五軸臥式機(jī)床結(jié)構(gòu)模型

嚴(yán)格按照機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件尺寸數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的三維模型，然后按照機(jī)床回零時(shí)各部件的位置關(guān)系進(jìn)行裝配，并將WCS坐標(biāo)系設(shè)置于B軸上臺(tái)面的回轉(zhuǎn)中心，且嚴(yán)格與實(shí)際機(jī)床坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)。建立的模型如圖1所示。

圖1 UG CAD中五軸臥式機(jī)床模型

依次選取各部件，將其分別導(dǎo)出為VEROCUT軟件能識(shí)別的文件格式(.stl)[6]。

本文選取的五軸臥式機(jī)床的傳動(dòng)關(guān)系鏈為：床身-X軸-Y軸-主軸-刀具；床身-Z軸-A軸-B軸-夾具-毛坯(零件)。根據(jù)機(jī)床傳動(dòng)關(guān)系鏈在VERICUT中創(chuàng)建機(jī)床的結(jié)構(gòu)樹(shù)[7]。機(jī)床的基點(diǎn)坐標(biāo)系即為UG CAD模塊中的WCS坐標(biāo)系。在各個(gè)組件下添加對(duì)應(yīng)模型文件，VERICUT中的模型添加結(jié)果如圖2所示。

圖2 VERICUT中機(jī)床模型

完成機(jī)床結(jié)構(gòu)模型后，選中結(jié)構(gòu)樹(shù)中的控制，對(duì)機(jī)床添加控制系統(tǒng)，在VERICUT庫(kù)中找到sin840D并選取添加上。

1．3 對(duì)VERICUT中的機(jī)床模型進(jìn)行配置

機(jī)床結(jié)構(gòu)模型與控制系統(tǒng)建立完成后，是否符合機(jī)床實(shí)際運(yùn)行情況，還需要進(jìn)行相應(yīng)的配置。

首先驗(yàn)證機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸是否與實(shí)際機(jī)床運(yùn)行情況相匹配。調(diào)出項(xiàng)目目錄下的手工數(shù)據(jù)輸入，手工數(shù)據(jù)輸入相當(dāng)于CNC系統(tǒng)中的MDI模式。依次輸入以下程序?qū)Ω鬟\(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行檢查。

對(duì)各軸運(yùn)行情況檢查的相關(guān)程序：

X-300//檢查X軸運(yùn)行情況；

Y-300//檢查Y軸運(yùn)行情況；

Z-300//檢查Z軸運(yùn)行情況；

A45//檢查A軸運(yùn)行情況；

B45//檢查B軸運(yùn)行情況。

觀察以上程序執(zhí)行后模型的運(yùn)動(dòng)狀況，X、Y、Z軸運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際機(jī)床運(yùn)行狀況相匹配，A軸旋轉(zhuǎn)中心偏離且旋轉(zhuǎn)方向相反，B軸旋轉(zhuǎn)方向相反，如圖3所示。故需要再次對(duì)機(jī)床模型進(jìn)行調(diào)整[8]。

圖3 模型中A軸運(yùn)行情況

重新調(diào)整機(jī)床模型的方法是首先查看組件A軸的組件坐標(biāo)系，在模型窗口空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選取顯示所有軸，勾選組件，即可看到A軸組件坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 組件A軸坐標(biāo)系位置

組件A軸是以組件A軸坐標(biāo)系為基準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)組件A軸坐標(biāo)系與機(jī)床基點(diǎn)坐標(biāo)系重合，需將其調(diào)整到實(shí)際機(jī)床的A軸回轉(zhuǎn)中心。在配置組件A菜單欄處，選取移動(dòng)，點(diǎn)選相對(duì)于上一級(jí)組件，在位置欄輸入移動(dòng)坐標(biāo)數(shù)值，如圖5所示。坐標(biāo)數(shù)值為組件A坐標(biāo)系到實(shí)際機(jī)床A軸回轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)值，可直接在UG CAD模塊中機(jī)床裝配模型中測(cè)量獲得。由于A軸是繞X方向旋轉(zhuǎn)，故組件A坐標(biāo)系可忽略X方向，只需調(diào)整Y、Z方向坐標(biāo)。此處存在X方向反向，即需在組件A移動(dòng)完成后，繼續(xù)在配置組件A欄下選取旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，將X方向反向即可。

圖5 組件A移動(dòng)參數(shù)設(shè)置

組件A坐標(biāo)系移動(dòng)到A軸回轉(zhuǎn)中心后，發(fā)現(xiàn)其模型以及附屬于組件A上的所有組件皆偏移了原位。對(duì)A軸模型及其相應(yīng)附屬組件調(diào)整回原位，設(shè)置參數(shù)如圖6所示。

圖6 A軸模型移回原位參數(shù)設(shè)置

采用同樣的方式，對(duì)附屬于組件A下面的組件調(diào)整為原位，并再次進(jìn)行手工數(shù)據(jù)輸入檢查各運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)行情況是否與實(shí)際機(jī)床相匹配。

完成機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸與實(shí)際機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)匹配之后，進(jìn)一步驗(yàn)證刀具調(diào)出的位置是否在主軸端面，在驗(yàn)證調(diào)刀之前需裝入刀具，在項(xiàng)目樹(shù)下選中加工刀具，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，可在軟件庫(kù)內(nèi)面選取一個(gè)刀具裝入。調(diào)刀方式同樣進(jìn)入手工數(shù)據(jù)輸入菜單，輸入程序：T1M6，刀具若未裝在主軸端面，采用調(diào)整組件A軸坐標(biāo)系方式對(duì)主軸坐標(biāo)系調(diào)整到主軸端面即可。

對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的行程、碰撞檢測(cè)進(jìn)行設(shè)定，在機(jī)床/控制系統(tǒng)菜單下選取機(jī)床設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可。

經(jīng)過(guò)以上步驟即可完成西門(mén)子840D五軸臥式加工中心在VERICUT中的建模。

2 VERICUT的仿真加工

本文利用VERICUT所建的模型對(duì)零件進(jìn)行仿真加工，選取S型試件進(jìn)行加工仿真。S型試件為近年來(lái)作為五軸機(jī)床加工性能評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)件，其形狀為一個(gè)空間扭曲曲面構(gòu)成的等厚度S形狀緣條[9]。

進(jìn)行仿真加工時(shí)，同樣首先采用UG CAD模塊對(duì)S型試件、S型試件毛坯進(jìn)行三維建模，并將其導(dǎo)出為.stl文件，然后在VERICUT項(xiàng)目樹(shù)下Stock、Design分別導(dǎo)入毛坯、零件[10]。

然后對(duì)需要加工的零件進(jìn)行分析，以判斷各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸是否滿足行程，分析可在UG CAD模塊下進(jìn)行，利用UG分析工具獲取零件曲面斜率等信息，通過(guò)分析得知S型試件的曲面斜率(以垂直零件底平面的矢量為基準(zhǔn))在-14.397～+11.943之間。而本機(jī)床A軸的行程為0～+90°，顯然此行程不能滿足該零件的加工，故需要將零件至少傾斜14.397°。本文將Stock組件坐標(biāo)系傾斜45°。

進(jìn)一步設(shè)置加工坐標(biāo)系。加工坐標(biāo)系設(shè)置根據(jù)UG CAM模塊中編程的坐標(biāo)系MCS來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。VERICUT中設(shè)置的具體方法是選中項(xiàng)目樹(shù)下的坐標(biāo)系統(tǒng)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選取添加新的坐標(biāo)系，鼠標(biāo)移動(dòng)至下面的配置坐標(biāo)系統(tǒng)的位置處，此時(shí)位置欄顏色由白色變?yōu)辄S色，此時(shí)點(diǎn)選右側(cè)零件視圖中的零件與MCS相應(yīng)的位置，可將其命名為G54。進(jìn)行G-代碼偏置設(shè)置。該設(shè)置尤為關(guān)鍵，否則刀具難以對(duì)正工件坐標(biāo)系零件，此處“選擇從/到定位”的有關(guān)設(shè)置參數(shù)選取是依據(jù)模型的刀尖坐標(biāo)系位置而定，本文的刀尖坐標(biāo)系附著于組件TOOL上，故本文具體設(shè)置參數(shù)如圖7所示。

添加數(shù)控程序。在項(xiàng)目樹(shù)下數(shù)控程序處導(dǎo)入數(shù)控程序，程序由UG CAM編寫(xiě)并經(jīng)后處理得到的NC代碼程序。該程序采用矢量編程方法生成，以便在此進(jìn)一步驗(yàn)證西門(mén)子840D的矢量編程方法與加工性能。

配置加工刀具。對(duì)調(diào)刀時(shí)添加的加工刀具進(jìn)行配置，配置刀具參數(shù)根據(jù)UG CAM編程所設(shè)置的刀具參數(shù)一致。即為粗加工選取D20R0.8立銑刀，精加工選取D20R1銑刀。

圖7 G-代碼偏置設(shè)置

S型試件刀軸矢量部分程序：

N00010 TRAFOOF

N00020 G54G90G40G642

N00030 T1M6D1

N00050 TRAORI

N00060 COMPCAD

N00070 AROT X 45

N00080 G0 X30 Y40 Z60 A0 B0 S6000 M3

N00090 CUT3DC

N00100 G1 X131.88184 Y69.9257 Z40.03385

A3=.081623 B3=.009823 C3=.996615 F400.

N00110 X134.65961 Y62.58598 Z40.05285

A3=0.09917 B3=0.02657 C3=0.994715

......

N66310 M5

N66320 TRAFOOF

N66330 M30

經(jīng)過(guò)以上相關(guān)配置，即可進(jìn)行加工仿真操作。其加工仿真過(guò)程如圖8所示。在整個(gè)仿真加工過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)刀具出現(xiàn)干涉情況、各運(yùn)動(dòng)軸未超出其行程，仿真加工結(jié)束后的毛坯基本與零件重合，并對(duì)仿真加工后的毛坯進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量，其尺寸符合零件尺寸。至此，零件仿真加工驗(yàn)證了加工程序、加工方案的正確性，可進(jìn)一步用于實(shí)際機(jī)床加工驗(yàn)證。

圖8 仿真加工過(guò)程

3 實(shí)際加工驗(yàn)證

實(shí)際加工選取加工坯料材料為航空鋁合金7075-T7451，并做45°斜面工裝用于裝夾零件，加工切削參數(shù)：切削速度V=377m/min；主軸轉(zhuǎn)速n=6000r/min；進(jìn)給量F=400mm/min；切深ae=35mm/次；切厚aP=0.1mm。實(shí)際機(jī)床加工如圖9所示。

圖9 實(shí)際機(jī)床的加工

整個(gè)加工過(guò)程，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的顫振。加工完成后對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，按照S型試件測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)零件上點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)點(diǎn)位值均在允許的誤差范圍內(nèi)。從而驗(yàn)證了VERICUT所建模型以及仿真加工的正確性。

4 結(jié)論

本文基于VERICUT的西門(mén)子840D五軸臥式機(jī)床加工建模與仿真，經(jīng)實(shí)際加工試驗(yàn)驗(yàn)證其建模的正確性、模型可靠性高、應(yīng)用范圍廣，能夠較好的滿足實(shí)際加工中各種復(fù)雜空間曲面加工的更高要求，提高了使用五軸數(shù)控機(jī)床安全和效率。

(1)采用VERICUT作為仿真平臺(tái)，建立西門(mén)子840D五軸臥式機(jī)床模型，實(shí)現(xiàn)了預(yù)知使用該機(jī)床加工零件的情況與檢驗(yàn)加工程序的正確性。

(2)通過(guò)采用的矢量編程程序，實(shí)現(xiàn)了西門(mén)子840D矢量編程功能的應(yīng)用，驗(yàn)證了VERICUT支持西門(mén)子840D矢量編程功能，提高了CAM編程與后處理的靈活性。

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