五軸數(shù)控加工模擬制造技術(shù)

王 宇 王 雷 劉明雪 王佳音

(1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司高速動(dòng)車(chē)組制造中心，130062，長(zhǎng)春；2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司工程技術(shù)部，130062，長(zhǎng)春//第一作者，工程師)

隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，列車(chē)功能變得多樣化，零部件結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化。如何準(zhǔn)確便捷地完成各種零部件加工試制是工程技術(shù)人員需要解決的難題。虛擬制造技術(shù)的發(fā)展為解決這一難題提供了一個(gè)重要突破口。然而，其中的五軸數(shù)控加工模擬制造技術(shù)卻至今沒(méi)有形成一個(gè)完整的技術(shù)體系，嚴(yán)重制約了行業(yè)進(jìn)步和發(fā)展。文本介紹完整的五軸數(shù)控加工模擬制造技術(shù)體系，并分別介紹該體系的各大技術(shù)要素。

1 技術(shù)體系

五軸數(shù)控加工模擬制造技術(shù)是以三維零部件設(shè)計(jì)階段的完成為起點(diǎn)、以生成安全可靠的數(shù)控加工程序?yàn)榻K點(diǎn)的工藝準(zhǔn)備過(guò)程。該過(guò)程由自動(dòng)編程、加工仿真和后處理等技術(shù)構(gòu)成。

五軸數(shù)控加工模擬制造流程(見(jiàn)圖1)是整個(gè)工藝準(zhǔn)備過(guò)程的總綱領(lǐng)，生成任何一種部件的數(shù)控程序都要按這個(gè)流程來(lái)進(jìn)行。

圖1 五軸數(shù)控加工模擬制造流程

2 自動(dòng)編程技術(shù)

自動(dòng)編程是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助制造功能，自動(dòng)生成零部件加工軌跡和刀軸運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程。自動(dòng)編程的過(guò)程包括模型導(dǎo)入、刀路生成和刀路優(yōu)化。

2.1 模型導(dǎo)入

由于當(dāng)前三維模型軟件種類(lèi)較多，因此，三維模型的文件格式也不盡相同，在導(dǎo)入時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)模型幾何要素失真的情況。經(jīng)研究統(tǒng)計(jì)，stp文件格式最為可靠，因此，可將三維模型統(tǒng)一保存為stp格式后，再導(dǎo)入至NX軟件中。

2.2 刀路生成

構(gòu)造一個(gè)曲面型驅(qū)動(dòng)面將加工區(qū)域包圍，驅(qū)動(dòng)面上分布若干刀位點(diǎn)(見(jiàn)圖2)，刀位點(diǎn)的數(shù)量可由工程技術(shù)人員自行設(shè)定。

圖2 驅(qū)動(dòng)面刀位點(diǎn)及投影矢量

確定一個(gè)投影矢量，驅(qū)動(dòng)面上的各刀位點(diǎn)均按照這個(gè)矢量投影到三維模型上產(chǎn)生刀路點(diǎn)，連接各刀路點(diǎn)形成刀路(見(jiàn)圖3)。選擇一種刀軸(從刀尖指向刀柄的矢量)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確保刀具在整個(gè)切削過(guò)程中是安全可靠的。

圖3 刀路和刀具

經(jīng)過(guò)以上設(shè)置，所生成的刀路都做切削運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際加工中必然還要有非切削運(yùn)動(dòng)來(lái)保證刀具逐漸逼近和離開(kāi)工件。

刀具逼近工件的基本過(guò)程如下(見(jiàn)圖4)：刀具從出發(fā)點(diǎn)快速移動(dòng)至起點(diǎn)；再?gòu)钠瘘c(diǎn)快速移動(dòng)至進(jìn)刀點(diǎn)；最后從進(jìn)刀點(diǎn)以進(jìn)給速度慢速移動(dòng)至切削起點(diǎn)。

圖4 刀具的逼近和離開(kāi)

刀具離開(kāi)工件的基本過(guò)程如下(見(jiàn)圖4)：刀具從切削終點(diǎn)以進(jìn)給速度慢速移動(dòng)至退刀點(diǎn)；再?gòu)耐说饵c(diǎn)快速移動(dòng)至返回點(diǎn)；最后從返回點(diǎn)快速移動(dòng)至回零點(diǎn)。

這樣，刀路中的切削運(yùn)動(dòng)和非切削運(yùn)動(dòng)均已定義完畢，執(zhí)行刀路計(jì)算命令后即可生成刀路。

2.3 刀路優(yōu)化

初步生成的刀路往往并不理想，需要結(jié)合加工工藝方法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化刀路的最終目的是保證零部件的尺寸精度、表面粗糙度、加工效率和加工安全性。最常見(jiàn)的刀路優(yōu)化方法是選用合適的切削參數(shù)及足夠的安全距離。

切削參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度。主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度可參考相關(guān)刀具使用手冊(cè)來(lái)進(jìn)行選用，切削深度則要綜合考慮加工質(zhì)量和加工效率。

為確認(rèn)非切削移動(dòng)是否安全，保證刀具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不與工裝、母材相干涉，一般的方法是將出發(fā)點(diǎn)、起點(diǎn)、返回點(diǎn)及回零點(diǎn)設(shè)置到足夠高，并將進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)設(shè)置到遠(yuǎn)離工件的一定距離。

3 加工仿真技術(shù)

加工仿真是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助仿真功能，在導(dǎo)入機(jī)床、工裝、刀具和工件等參數(shù)后，模擬切削的全過(guò)程(見(jiàn)圖5)。加工仿真的作用是檢驗(yàn)刀具在切削過(guò)程中主軸的運(yùn)動(dòng)方向和幅度是否安全，刀具與工裝是否干涉，刀具與工件是否過(guò)切。

圖5 加工過(guò)程的仿真模擬界面

3.1 導(dǎo)入機(jī)床模型

將已經(jīng)生成刀路的模型直接切換至仿真功能界面，選擇并導(dǎo)入NX軟件自帶的機(jī)床模型或?qū)胱晕以O(shè)計(jì)的機(jī)床模型。機(jī)床模型力求符合實(shí)際生產(chǎn)中所用的機(jī)床。

機(jī)床坐標(biāo)系、機(jī)床第四軸和第五軸類(lèi)型、機(jī)床公制/英制類(lèi)型等必須與實(shí)際生產(chǎn)所用的機(jī)床一致。機(jī)床行程也盡量與實(shí)際生產(chǎn)所用的機(jī)床一致，至少要保證能夠完全容納下所加工部件。

3.2 導(dǎo)入工裝模型

導(dǎo)入工裝模型的方法與導(dǎo)入機(jī)床類(lèi)似。工裝導(dǎo)入后，按照實(shí)際生產(chǎn)情況將工裝與機(jī)床裝配在一起。如果工裝是自動(dòng)化工裝還需將控制系統(tǒng)導(dǎo)入，以達(dá)到最佳模擬效果。

3.3 機(jī)床加工仿真

在進(jìn)行加工模擬前還需將工件模型按照實(shí)際加工情況與工裝裝配在一起；工裝上的夾緊機(jī)構(gòu)需按照工作狀態(tài)與工件進(jìn)行裝配；加工所用刀具的參數(shù)設(shè)置需確保工藝系統(tǒng)中的機(jī)床、工裝、刀具和工件均符合實(shí)際加工狀態(tài)。

選擇自動(dòng)編程后的刀路文件，右鍵選擇“仿真”功能鍵，此時(shí)機(jī)床主軸會(huì)帶著刀具沿著加工路徑進(jìn)行切削。模擬過(guò)程可以中斷，模擬速度可以調(diào)節(jié)。工程技術(shù)人員既可以對(duì)一個(gè)程序進(jìn)行模擬，也可以將多個(gè)程序合并起來(lái)一起模擬。整個(gè)加工過(guò)程全部可視化，可以觀察加工的每一個(gè)細(xì)節(jié)，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)加工中的問(wèn)題，并形成視頻文件供一線操作人員學(xué)習(xí)(見(jiàn)圖6)。

圖6 模擬加工過(guò)程視頻界面

3.4 刀路再優(yōu)化

模擬加工時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)機(jī)床主軸擺角幅度過(guò)大，刀具與工裝或工件干涉等問(wèn)題，則需要再次對(duì)刀路進(jìn)行完善。完善方法與本文2.3中介紹的基本相同，但此時(shí)需要在加工安全性方面給予更多的考慮。

刀路再優(yōu)化后還需再次進(jìn)行加工模擬，直到加工過(guò)程安全合理，方可結(jié)束加工仿真過(guò)程。

4 后處理技術(shù)

后處理技術(shù)即加工刀路與實(shí)際生產(chǎn)中所用機(jī)床的接口技術(shù)。由于不同型號(hào)品牌的數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)不同，行程范圍不同，所支持的編程系統(tǒng)也不盡相同，這就要求有一個(gè)能夠?qū)X軟件生成的加工刀路轉(zhuǎn)換成機(jī)床可識(shí)別數(shù)控代碼的編譯軟件，這個(gè)編譯軟件的設(shè)計(jì)技術(shù)就是后處理技術(shù)。后處理一但設(shè)計(jì)完成后，后續(xù)將不需要再進(jìn)行修改，直接調(diào)用即可。后處理的設(shè)計(jì)過(guò)程一般包括設(shè)置機(jī)床參數(shù)、設(shè)置程序段模式、完善后處理等步驟。

4.1 設(shè)置機(jī)床參數(shù)

首先打開(kāi)后處理編輯器，其中NX軟件的后處理編輯器在“開(kāi)始”菜單中可以找到，該編輯器是NX軟件在整體安裝過(guò)程中自動(dòng)安裝的。進(jìn)入后處理編輯器后需要給后處理過(guò)程起名，以方便后續(xù)調(diào)用。選擇公制/英制單位、五軸機(jī)床類(lèi)型、編程系統(tǒng)庫(kù)(Siemens/Fanuc等)，按“確定”后進(jìn)入后處理機(jī)床參數(shù)設(shè)計(jì)階段。機(jī)床參數(shù)主要需設(shè)置一般參數(shù)、第四第五軸參數(shù)和需要顯示的機(jī)床參數(shù)。

4.1.1 一般參數(shù)

一般參數(shù)是機(jī)床X、Y、Z方向的3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)參數(shù)，需根據(jù)具體機(jī)床的特點(diǎn)，設(shè)置X、Y、Z方向的3個(gè)線性軸行程距離、線性運(yùn)動(dòng)精度和移刀最大進(jìn)給速度。

4.1.2 第四軸

不同型號(hào)機(jī)床的第四軸不盡相同，可查找機(jī)床安裝手冊(cè)確定，這里假設(shè)第四軸為C軸。此外，還需設(shè)置第四軸的旋轉(zhuǎn)范圍、旋轉(zhuǎn)精度和最大旋轉(zhuǎn)速度。

4.1.3 第五軸

不同型號(hào)機(jī)床的第五軸不盡相同，可查找機(jī)床安裝手冊(cè)確定，這里假設(shè)第五軸為A軸。此外，還需設(shè)置第五軸的旋轉(zhuǎn)范圍、旋轉(zhuǎn)精度和最大旋轉(zhuǎn)速度。機(jī)床在做五軸運(yùn)動(dòng)時(shí)都需要啟動(dòng)刀尖跟蹤功能，而刀尖跟蹤的基礎(chǔ)是機(jī)床的控制系統(tǒng)。目前較為先進(jìn)的機(jī)床一般都有RTCP(rotational tool center point)功能，樞軸距離(第四軸端面到第五軸軸線的距離)設(shè)置為0即可；如果沒(méi)有RTCP功能，樞軸距離就需要根據(jù)機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行輸入。

4.1.4 機(jī)床顯示

機(jī)床各參數(shù)設(shè)定好以后，需按下“顯示機(jī)床”按鈕，檢查機(jī)床X、Y、Z的3個(gè)線性方向，以及第四軸和第五軸的方向是否與實(shí)際所用機(jī)床的機(jī)床坐標(biāo)系一致，第四軸和第五軸的轉(zhuǎn)角范圍是否滿足機(jī)床的行程限制(見(jiàn)圖7)。

4.2 設(shè)置程序段模式

程序段模式的設(shè)置是后處理設(shè)置的核心任務(wù)，設(shè)置不妥將無(wú)法有效驅(qū)動(dòng)機(jī)床。程序段模式設(shè)定由程序起始序列、操作起始序列、刀軌、操作結(jié)束序列和程序結(jié)束序列等構(gòu)成(見(jiàn)圖8)。

圖7 機(jī)床顯示界面

圖8 程序段模式界面

4.2.1 程序起始序列

程序起始序列是程序的開(kāi)頭部分，是完成任何加工路徑前都要執(zhí)行的指令。該序列需根據(jù)具體機(jī)床編程系統(tǒng)來(lái)設(shè)置，一般都會(huì)設(shè)置刀具號(hào)、刀補(bǔ)、工件坐標(biāo)系、安全起始高度等指令。

4.2.2 操作起始序列

操作起始序列是每一個(gè)加工路徑非切削移動(dòng)部分都要執(zhí)行的程序段模式，完全再現(xiàn)了刀具逼近工件的基本過(guò)程。如無(wú)特殊需要，一般可采用后處理編輯器默認(rèn)的設(shè)置，但是需在刀軌開(kāi)始前設(shè)置機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)指令。如果機(jī)床具有刀庫(kù)，還需設(shè)定自動(dòng)換刀指令。

4.2.3 刀軌

刀軌是每一個(gè)加工路徑切削移動(dòng)部分都要執(zhí)行的程序段模式，包括機(jī)床控制、運(yùn)動(dòng)和現(xiàn)成循環(huán)3個(gè)模式。

機(jī)床控制主要是指進(jìn)給速度、切削液的開(kāi)閉、刀具補(bǔ)償開(kāi)閉等指令的設(shè)置，所設(shè)置的指令必須符合所用機(jī)床的控制系統(tǒng)。

運(yùn)動(dòng)主要是指線性運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、快速移動(dòng)等程序段的設(shè)定，這些程序段提供了將加工刀路翻譯成數(shù)控代碼的格式。例如，五軸加工的線性運(yùn)動(dòng)可設(shè)置成：G01 X Y Z A C F。

現(xiàn)成循環(huán)是編程系統(tǒng)所固有的循環(huán)加工指令，包括標(biāo)準(zhǔn)鉆、深孔鉆、斷屑鉆、鏜、攻絲等指令。由于不同機(jī)床的循環(huán)指令不盡相同，因此，需要根據(jù)具體機(jī)床重新設(shè)定。

4.2.4 操作結(jié)束序列

操作結(jié)束序列是每一個(gè)加工路徑非切削移動(dòng)部分都要執(zhí)行的程序段模式，完全再現(xiàn)了刀具離開(kāi)工件的基本過(guò)程。如無(wú)特殊需要，一般可采用后處理編輯器默認(rèn)的設(shè)置。

4.2.5 程序結(jié)束序列

程序結(jié)束序列是程序的結(jié)尾部分，是完成任何加工路徑后都要執(zhí)行的指令。該序列需根據(jù)具體機(jī)床的編程系統(tǒng)來(lái)設(shè)置，一般都會(huì)設(shè)置安全結(jié)束高度、切削液關(guān)閉、主軸停轉(zhuǎn)和程序結(jié)束等指令。

4.3 完善后處理

一般后處理初次設(shè)定后并不完善，需要進(jìn)行檢驗(yàn)和修改。檢驗(yàn)方式是調(diào)用后處理軟件，將刀路轉(zhuǎn)化成數(shù)控程序。通過(guò)檢查數(shù)控程序是否合理、機(jī)床是否能夠有效執(zhí)行數(shù)控程序，來(lái)檢驗(yàn)后處理設(shè)計(jì)是否完善。如果不完善，則需要根據(jù)具體問(wèn)題更改對(duì)應(yīng)的后處理設(shè)置，直至后處理軟件能夠生成令人滿意的數(shù)控加工程序?yàn)橹埂?/p>

后處理一旦設(shè)置好后，要保存到指定的文件夾中，后續(xù)生成數(shù)控程序時(shí)，直接調(diào)用這個(gè)后處理設(shè)置進(jìn)行程序轉(zhuǎn)化即可。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自動(dòng)編程技術(shù)、加工仿真技術(shù)和后處理技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，建立了一個(gè)五軸數(shù)控加工模擬制造技術(shù)體系。該體系可以完成各類(lèi)復(fù)雜零件的加工制造，縮短工藝試制準(zhǔn)備周期，降低加工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)一線操作人員作業(yè)，并為五軸數(shù)控加工標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善提供了技術(shù)基礎(chǔ)。