NX自動(dòng)編程及仿真在動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架加工的應(yīng)用

王海 許金國 劉佛貴 楊奉義

摘 要：NX自動(dòng)編程是用計(jì)算輔助軟件，根據(jù)要加工的零件數(shù)據(jù)和加工工藝，通過不同的加工策略，通過NX軟件計(jì)算刀具和零件表面的位置關(guān)系，最終生成可供機(jī)床使用的刀路軌跡文件，供數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。數(shù)控仿真是模擬實(shí)際加工的應(yīng)用軟件，雖然不能代表實(shí)際加工，但她能最接近的反應(yīng)實(shí)際加工中可能發(fā)生的問題，提前預(yù)防機(jī)床，刀具和零件的損壞，降低安全事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：NX編程；數(shù)控仿真；轉(zhuǎn)向架加工

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.121

0 引言

目前傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床加工的程序通過手工編制，需將每路徑和加工位置、參數(shù)及刀具參數(shù)手動(dòng)輸入，編程效率低且容易出錯(cuò)；在現(xiàn)場(chǎng)加工程序調(diào)試作業(yè)時(shí)間長，容易發(fā)生碰撞、存在造成加工報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)；另方面隨著動(dòng)車零件新品種越來越多，而為了從這些設(shè)備投資中取得回報(bào)和提高設(shè)備利用率，零部件加工品質(zhì)。NX自動(dòng)編程和仿真研發(fā)，可解決各類加工機(jī)床加工側(cè)程序通過手工編制，不能進(jìn)行離線編程和調(diào)試作業(yè)存在風(fēng)險(xiǎn)的問題，實(shí)現(xiàn)類加工機(jī)床加工離線編程、模擬仿真、自動(dòng)程序輸出，可大幅提高編程效率及程序的可靠性和加工產(chǎn)品品質(zhì)。

1 NX自動(dòng)編程

Siemens PLM Software 數(shù)字化制造解決方案 NX CAM 正在為世界上頂尖的制造者們所采用。他們通過使用數(shù)字化制造解決方案來優(yōu)化他們的制造過程，幫助他們實(shí)現(xiàn)了制造夢(mèng)想，維護(hù)了他們?cè)诟髯灶I(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。NX CAM 幫助制造企業(yè)加速其產(chǎn)品上市時(shí)間、降低產(chǎn)品成本、 提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 簡潔的數(shù)控編程流程

NX CAM中從模型準(zhǔn)備到創(chuàng)建刀軌再到后處理及工藝文檔輸出的整個(gè)過程非常簡潔。編程所需的刀具、幾何、切削參數(shù)等都采用組的形式，便于刀軌間的共享和管理。所有的編程工作，包括創(chuàng)建、編輯、顯示、驗(yàn)證檢查等，都可集中在操作導(dǎo)航器（Operation Navigator）上完成。

1.2 同步建模技術(shù)快速制作工藝模型

相較于傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術(shù)，NX最新的同步建模技術(shù)可以快速修改幾何模型，如刪除孔位、替換面、延伸面、修改R大小、移動(dòng)區(qū)域等等，而不論該模型是否含有特征參數(shù)。用戶往往需要在NC編程根據(jù)工藝需要修改工件設(shè)計(jì)模型，如去除或簡化一些不必要的形狀特征、創(chuàng)建毛坯體等等。有了同步建模技術(shù)，無論讀入的是PROE或CATIA，甚至IGES、STEP格式，都可以快速完成工藝模型的修改。

1.3 豐富的加工策略

（1）點(diǎn)位加工。NX CAM支持鉆孔、絞孔、鏜孔、攻絲等點(diǎn)位加工方法，其中鉆孔方法中也支持?jǐn)嘞縻@、啄木鉆等循環(huán)操作。

（2）平面銑。平面銑適用機(jī)械零件或臺(tái)階狀工件，可用作粗加工或精加工。NX CAM的平面銑幾何定義靈活，可選面、邊、曲線。此外，平面銑編程中實(shí)體不是必需的，用戶甚至讀入AUTOCAD圖紙即可進(jìn)行編程。利用平面銑進(jìn)行側(cè)壁光刀時(shí)，可靈活延伸/縮短邊界。不同的邊界甚至同一邊界內(nèi)部不同的分段可以設(shè)定不同的余量。平面銑可選擇接觸點(diǎn)輸出，現(xiàn)場(chǎng)加工根據(jù)所用刀具的尺寸進(jìn)行刀補(bǔ)。平面銑支持成型刀定義。

（3）型腔銑。型腔銑可采用層切算法完成任意側(cè)面形狀工件的粗加工，用戶指定工件體后，NX CAM可以動(dòng)辨認(rèn)切削區(qū)間。層切深度可以根據(jù)工件表面陡緩程度而變化，以保證為后續(xù)加工預(yù)留均勻的余量。

（4）二次開粗。二次開粗是在上一次粗加工結(jié)果的基礎(chǔ)上利用較小刀具或較小切深繼續(xù)清理剩余殘料。NX CAM的二次開粗可通過參考刀軌、參考刀具自動(dòng)計(jì)算剩余毛坯體，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生刀軌，還可以通過色帶云圖分析殘料的分布情況。

（5）拐角加工。在粗加工及二次開粗完成后，還可以通過拐角加工方法繼續(xù)清理角位上多余的材料。用戶指定參考刀具，NX CAM會(huì)計(jì)算在同樣的切深和其它參數(shù)條件下，參考刀具（較大）加工后會(huì)剩余多少材料，然后用現(xiàn)在的刀具（較?。┙俏惶幃a(chǎn)生刀軌。

（6）等高加工。等高加工用于半精加工或精加工，是利用刀具貼著工件側(cè)壁一層一層由上而下切削的一種方法。考慮刀具的震動(dòng)及加工表面的質(zhì)量，NX CAM的等高加工可以通過陡峭角定義把加工區(qū)域分為陡峭和平緩部分分別處理。另外，等高加工還可以根據(jù)工件表面的的法向變化對(duì)切深進(jìn)行優(yōu)化，以保證切削過程負(fù)載平穩(wěn)以及加工完成后公件表面余量均勻。等高加工還可以通過參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)加工側(cè)壁的同時(shí)在平坦區(qū)域也產(chǎn)生類似平面銑式樣的刀軌，這樣在一條刀軌里可以實(shí)現(xiàn)工件所有面的加工，而不需要分成幾條刀軌來完成。

（7）輪廓銑。輪廓銑是NX CAM中的曲面精加工方法。它通過投影的方法在曲面上產(chǎn)生精加工刀軌。用戶加工區(qū)域的不同形狀選擇不同的投影驅(qū)動(dòng)方法，如點(diǎn)/曲線驅(qū)動(dòng)、邊界驅(qū)動(dòng)、徑向驅(qū)動(dòng)、螺旋驅(qū)動(dòng)、區(qū)域驅(qū)動(dòng)、曲面驅(qū)動(dòng)、流線驅(qū)動(dòng)等。是用流線驅(qū)動(dòng)的方法產(chǎn)生的精加工刀軌，刀軌沿著加工區(qū)域的外圍輪廓走向，既保證的加工過程的連續(xù)高效，又確保工件表面的質(zhì)量，同時(shí)也降低了刀具的磨損。在輪廓銑里也可以根據(jù)工件表面曲率變化優(yōu)化刀軌步矩，從而保證切削過程負(fù)載平穩(wěn)以及加工完成后公件表面毛刺均勻。另外，NX CAM的輪廓銑還可以根據(jù)加工前工件的余量情況分多層切削。

（8）定位加工。在NX CAM中，刀軸的定義非常簡單，用戶可以通過定義主加工坐標(biāo)系和局部加工坐標(biāo)系的方法來完成定位加工編程。其中局部坐標(biāo)系的ZM+方向就是定位加工的刀軸方向。坐標(biāo)系定義好后，用戶就可以用三軸編程的方法來完成五軸定位加工編程，后處理時(shí)可以按局部坐標(biāo)系輸出刀軌點(diǎn)。這樣的程序可讀性強(qiáng)，便于現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)比檢查或編輯修改。

2 NX后處理和數(shù)控仿真

NX CAM中通過通過加工模板存儲(chǔ)常用的編程方法和參數(shù)，通過刀具庫、材料庫、切削參數(shù)庫、機(jī)床庫對(duì)編程資源進(jìn)行管理。從而提高編程效率，減少重復(fù)勞動(dòng)，沉淀企業(yè)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，利于企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，減少錯(cuò)誤。其中這些模板和數(shù)據(jù)庫都可以很方便地進(jìn)行定制和管理。

2.1 強(qiáng)大的后處理

NX CAM的后處理支持銑、車、線切割等加工方式，支持包括非正交結(jié)構(gòu)在內(nèi)的各種類型的3～5軸機(jī)床，支持Fanuc、Heidenhain、Siemens等控制系統(tǒng)。Siemens官方網(wǎng)站提供了以上各種類型的經(jīng)過測(cè)試的后處理給用戶下載。此外，NX CAM還提供了自有的后處理構(gòu)建器-Post Builder供用戶創(chuàng)建/編輯后處理，該后處理構(gòu)建器采用圖形化界面，用戶不需要熟悉任何編程或腳本語言，通過選項(xiàng)點(diǎn)取的方式就可以完成包括五軸機(jī)床在內(nèi)的后處理創(chuàng)建，創(chuàng)建過程中Post Builder通過動(dòng)態(tài)圖直觀顯示機(jī)床軸結(jié)構(gòu)。Post Builder也提供了對(duì)應(yīng)常見的機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的后處理模板，從而大大減少了創(chuàng)建后處理的工作量。

2.2 真實(shí)準(zhǔn)確的程序驗(yàn)證及機(jī)床仿真

NX CAM提供了ISV加工仿真模塊支持3～5軸銑床、車床、車銑復(fù)合設(shè)備以及Fanuc、Heidenhain、Siemens等控制系統(tǒng)。NX CAM的ISV仿真采用CSE引擎驅(qū)動(dòng)，直接用后處理之后的NC代碼進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般CAM系統(tǒng)利用后處理前的內(nèi)部刀軌進(jìn)行仿真的方法。如果客戶采用Siemens 840D控制系統(tǒng)，還可以選用準(zhǔn)確度更高的VNCK方案，VNCK采用和實(shí)際機(jī)床控制器內(nèi)核相同的仿真驅(qū)動(dòng)內(nèi)核，以確保仿真的結(jié)果和實(shí)際機(jī)床的運(yùn)行結(jié)果完全一致。在NX CAM的ISV方案中，無論CSE還是VNCK引擎，都可以結(jié)合Real NC或HMI界面，組成虛擬機(jī)床，代替真實(shí)機(jī)床進(jìn)行程序驗(yàn)證和仿真試切，杜絕編程錯(cuò)誤，提高機(jī)床設(shè)備利用率，并且可代替機(jī)床進(jìn)行加工操作培訓(xùn)。

3 機(jī)床仿真的必要性

數(shù)控加工是一個(gè)自動(dòng)過程 ，需要工藝人員事先確定加工過程的工藝流程。在制訂流程的過程中 ，工藝人員不僅需要考慮各種加工工藝因素 ，同時(shí)還要考慮到干涉問題。由于零件形狀是空間三維形狀 ，機(jī)床是幾軸聯(lián)動(dòng) ，在加工過程中 ，加工參數(shù)的選擇是否合理、零件與機(jī)床干涉否、是否存在過切等現(xiàn)象既相互關(guān)聯(lián)又各自遵循自己的變化規(guī)律。因此工藝人員難于以現(xiàn)有的分析計(jì)算手段 ，優(yōu)化工藝流程。所以必須要給技術(shù)人員提供一套能分析、計(jì)算的可視化環(huán)境 ，能制定、優(yōu)化工藝流程的輔助手段 ，以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量 ，縮短制造周期的目的。為此迫切需要應(yīng)用相對(duì)成熟的仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的數(shù)控加工過程進(jìn)行真實(shí)加工前的觀察 ，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和盡快解決問題 ，避免造成不必要的損失。

應(yīng)用UGNX機(jī)床仿真系統(tǒng)進(jìn)行一般的機(jī)床加工仿真，需要首先建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，軟件提供部分控制文件庫供使用者調(diào)用或修改以滿足定制要求，然后利用建模模塊建立機(jī)床的幾何模型，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)定機(jī)床初始位置形成相應(yīng)的控制文件、機(jī)床文件和工作文件。其次，通過UGCAM系統(tǒng)定義夾具和毛坯，調(diào)入走到軌跡，定義刀具形狀和文件，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)即可進(jìn)行刀具軌跡的仿真，按照機(jī)床模型添加機(jī)床實(shí)體，夾具和毛坯實(shí)體，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，即可同時(shí)進(jìn)行刀具軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真，在提高生產(chǎn)效率的情況下，大大搞高了實(shí)際生產(chǎn)的安全系數(shù)，滿足了現(xiàn)代化自動(dòng)化加工的需求。

4 動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架加工

1.1用NX建立工藝數(shù)據(jù)，工藝人員根據(jù)產(chǎn)品要求的加工公差，以及所選用的機(jī)床進(jìn)行加工坐標(biāo)系的建立，選擇合適的加工策略，根據(jù)加工區(qū)域的零件特征，選擇合適的刀具，完成NX的自動(dòng)編程。

5 結(jié)論

通過NX在轉(zhuǎn)向架的實(shí)際運(yùn)用，NX通過前期的建模和技術(shù)分析，工藝制定，自動(dòng)編程，在保證加工質(zhì)量的前提下，大大縮短了加工前的準(zhǔn)備時(shí)間，通過加工前的仿真技術(shù)，優(yōu)化刀具長度和刀具夾頭，提前規(guī)避加工中的風(fēng)險(xiǎn)，減少了碰撞，節(jié)省了成本，提高了動(dòng)車組加工的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

用NX軟件來進(jìn)行數(shù)控加工程序的編制比采用手工編制程序準(zhǔn)確率高、工作效率也高，加上仿真技術(shù)的應(yīng)用，簡化了項(xiàng)目流程，增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)加工的可控性，更能直接有效的完成動(dòng)車組的加工任務(wù)。

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