基于VERICUT平臺(tái)的五軸微加工系統(tǒng)數(shù)控加工程序仿真

董莉彤，張向輝

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130000）

基于VERICUT平臺(tái)的五軸微加工系統(tǒng)數(shù)控加工程序仿真

董莉彤，張向輝

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130000）

為驗(yàn)證由針對(duì)自主研制的五軸微加工系統(tǒng)編寫的數(shù)控加工程序后置處理模塊生成的數(shù)控加工程序的正確性，本文分析了自主研制的五軸微加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，得出了五軸微加工系統(tǒng)的各進(jìn)給軸間的拓?fù)潢P(guān)系，通過(guò)VERICUT虛擬加工仿真平臺(tái)建立了五軸微加工系統(tǒng)的加工仿真模型。以一典型橢球面結(jié)構(gòu)的零件為例，在微加工系統(tǒng)的加工仿真模型中對(duì)其加工過(guò)程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)控加程序以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性。

五軸微加工系統(tǒng)；VERICUT；微加技術(shù)；數(shù)控加工

1 引言

隨著精密三維微小零件（特征尺寸在微米級(jí)到毫米級(jí)）在航空航天、國(guó)防工業(yè)、微電子工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及生物工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，致使制造裝備的微小化成為現(xiàn)代裝備的發(fā)展的主要方向之一。由于現(xiàn)有研制的微小型加工系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)多為基于半開放式的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)開發(fā)的，其數(shù)控加工程序無(wú)法由通用CAM軟件通過(guò)后置處理模塊來(lái)生成，同時(shí)為預(yù)防加工過(guò)程中出現(xiàn)撞車，保護(hù)微加工系統(tǒng)的精度，對(duì)運(yùn)動(dòng)程序的正確性要進(jìn)行驗(yàn)證。

本文通過(guò)對(duì)自主搭建的五軸高速微加工系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出微加工系統(tǒng)的各進(jìn)給軸間的拓?fù)潢P(guān)系，在VERICUT中，建立了微加工系統(tǒng)的加工仿真模型。最后以一典型結(jié)構(gòu)的零件加工仿真為例，驗(yàn)證了數(shù)控加程序以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性。

2 微加工系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

所分析的五軸微加工系統(tǒng)實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。微加工系統(tǒng)采用龍門式結(jié)構(gòu)，總體尺寸為：680mm×660mm×750mm，X軸和Y軸都采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其中Y軸采用雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，Z軸為帶抱閘精密滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，為保證旋轉(zhuǎn)軸有足夠的保持力矩，B、C軸為高精度諧波減速機(jī)。進(jìn)給系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。加工時(shí)，工件裝夾在C軸工作臺(tái)上，可繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具安裝在固定在Z軸滑臺(tái)的電主軸上，可沿X，Y，Z三方向移動(dòng)，五個(gè)進(jìn)給軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，合成刀具相對(duì)工件以傾斜姿態(tài)進(jìn)行切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖1 五軸微加工系統(tǒng)

表1 進(jìn)給系統(tǒng)主要參數(shù)

由微加工系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)分析，可以得到微加工系統(tǒng)的各進(jìn)給軸的拓?fù)潢P(guān)系，如圖2所示。

圖2 微加工系統(tǒng)各進(jìn)給軸拓?fù)潢P(guān)系

3 微加工系統(tǒng)加工仿真模型建立

通過(guò)UG繪制微加工系統(tǒng)的各進(jìn)給軸部件三維結(jié)構(gòu)，并通過(guò)微加工系統(tǒng)的三維裝配模型。在VERICUT中建立機(jī)床模型時(shí)，機(jī)床模型的裝配坐標(biāo)系決定各進(jìn)給軸間的裝配關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)方向，所以為保證各進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系的正確性，所選用的裝配坐標(biāo)系基點(diǎn)為微加工系統(tǒng)B，C進(jìn)給軸軸線的正交交點(diǎn)，如圖3-(a)所示。同時(shí)由于UG中裝配模型的工作坐標(biāo)系與VERICUT中的機(jī)床模型裝配坐標(biāo)系重合，為便于機(jī)床模型裝配，將UG中的微加工系統(tǒng)的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)調(diào)整到B，C進(jìn)給軸軸線的正交交點(diǎn)如圖3(b)所示。

圖3 微加工系統(tǒng)模型裝配工作坐標(biāo)系調(diào)整，(a)B、C進(jìn)給軸軸線的正交交點(diǎn)；(b)調(diào)整后微加工系統(tǒng)模型裝配工作坐標(biāo)系

然后從軟件中再導(dǎo)出各進(jìn)給軸部件的“.STL”格式文件，各進(jìn)給軸部件如圖4所示。圖4(1)到(8)依次為機(jī)床基體模型，Y軸模型，X模型，Z軸模型，電主軸裝配模型，B軸模型，C軸模型以及毛坯結(jié)構(gòu)圖。圖5(a)為機(jī)床組件樹圖，圖5(b)和(c)分別為微加工系統(tǒng)的機(jī)床切削模型和刀具庫(kù)模型圖。

圖4 機(jī)床切削模型各進(jìn)給軸部件3維模型

圖5 VERICUT中微加工系統(tǒng)加工仿真模型

在VERICUT中為微加工系統(tǒng)加工仿真模型添加的數(shù)控系統(tǒng)由VERICUT軟件中已有數(shù)控系統(tǒng)文件修改而來(lái)，通過(guò)編制宏來(lái)實(shí)現(xiàn)原數(shù)控系統(tǒng)文件不支持的一些UMAC運(yùn)動(dòng)命令。為加工模型添加的刀具以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件干涉和進(jìn)給軸過(guò)行程監(jiān)測(cè)設(shè)置分別如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)部件干涉監(jiān)測(cè)設(shè)置與進(jìn)給軸過(guò)行程監(jiān)測(cè)設(shè)置

4 數(shù)控加工程序的仿真驗(yàn)證

本文以一個(gè)典型零件為例，對(duì)自動(dòng)編制的數(shù)控加工程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證。所選零件的結(jié)構(gòu)及加工工藝過(guò)程如圖7所示。其中，圖7-(a)為所選零件結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)為外凸的橢圓球曲面。通常根據(jù)加工精度，將整個(gè)零件的加工分為3個(gè)工序，分別為毛坯粗加工，橢球面粗加工，橢球面精加工。在整個(gè)加工過(guò)程中，毛坯粗加工和橢球面粗加工采用固定軸銑削方式進(jìn)行加工，橢球面精加工采用可采用變軸銑削方式進(jìn)行加工，圖7(b)中(1)、(2)和(3)分別顯示了三個(gè)加工工序的加工刀路軌跡，(4)、(5)和(6)分別是為相應(yīng)的加工效果圖。

圖7 零件結(jié)構(gòu)與加工工藝過(guò)程，(a) 零件輪廓結(jié)構(gòu)模擬圖；(b)設(shè)計(jì)加工工藝過(guò)程

加工程序通過(guò)使用MATLAB編制后置處理模塊對(duì)UG中生成的APT文件進(jìn)行后置處理生成，針對(duì)上述典型橢球曲面結(jié)構(gòu)零件，結(jié)合上述的設(shè)計(jì)加工工藝過(guò)程，以毛坯粗加工、橢球面粗加工和橢球面精加工三道先后工序，通過(guò)MATLAB軟件編制的后置處理模塊顯示的刀路軌跡如圖8(a)-(c)所示。由于UMAC的指令緩存區(qū)最多可容納2000條運(yùn)動(dòng)控制指令，在保證UMAC運(yùn)動(dòng)程序緩存區(qū)沒有溢出的前提下，將橢球面粗加工程序劃分為10個(gè)程序文件，在橢球面粗加工體現(xiàn)為，粗加工后的橢球面分為多個(gè)不同顏色的層。橢球面粗加加工后，殘余加工余量主要遺留在橢球曲面的頂部，表現(xiàn)為微小的階梯型凸臺(tái)，經(jīng)可變軸銑削精加工后加工表面殘余切削用量得到明顯去除。同時(shí)在仿真過(guò)程中運(yùn)動(dòng)部件沒有出現(xiàn)干涉，各進(jìn)給軸沒有出現(xiàn)過(guò)行程，仿真各工序加工過(guò)程及加工結(jié)果如圖8(d)-(f)所示。

圖8 橢球面加工各工序刀路軌跡(a)-(c)及對(duì)應(yīng)的加工仿真結(jié)果(d)-(f)：(a)和(d)為毛坯粗加工；(b)和(e)為橢球面粗加工；(c)和(f)為橢球面精加工

5 .結(jié)論

本文首先對(duì)自主搭建的五軸微加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到微加工系統(tǒng)各進(jìn)給軸之間的拓?fù)潢P(guān)系。根據(jù)此拓?fù)潢P(guān)系在VERICUT中建立微加工系統(tǒng)的加工仿真模型。針對(duì)橢球面結(jié)構(gòu)零件的加工仿真驗(yàn)證了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，以及相關(guān)數(shù)控程序自動(dòng)編制程序的正確性。

[1]匡和碧，孫衛(wèi)和.基于VERICUT軟件的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床仿真技術(shù)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化.2006(08)：92-95.

[2]張惠林，軒繼花，姜士湖.基于VERICUT的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真[J].現(xiàn)代制造工程.2006(07)：125-127.

[3]陳波.基于UG與VERICUT的虛擬機(jī)床技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué)，2005.

[4李云龍，曹巖.數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)VERICUT[M].西安交通大學(xué)出版社，2005.

[5]徐偉.數(shù)控機(jī)床仿真實(shí)訓(xùn)[M].電子工業(yè)出版社，2004.

TG659 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）01-0214-03