立式車銑復合機床虛擬仿真加工應用及研究

曹旭妍

摘要：車銑復合機床能夠完成一次裝夾下的所有加工工序，避免了多次換裝引起的加工誤差，加工質量好，加工效率高。然而由于該類機床結構復雜，加工中主軸運動形式多樣，在復雜零件的首件加工中往往存在干涉、碰撞等潛在風險，給機床的高效使用和安全帶來較大危險。文中基于VERICUT虛擬仿真平臺，構建車銑復合機床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，并對一液壓殼體零件和五軸葉輪零件進行仿真加工，檢驗NC程序中存在的錯誤，預判加工中可能存在的危險情況，進而實現(xiàn)對加工工藝的提前改進，提高了車銑復合機床的加工效率，同時保障了實際加工中機床的使用安全。

Abstract： The turn-milling compound machine tool can complete all the machining process under one clamping， because of avoiding the processing error caused by many times of changing， the processing quality is good and processing efficiency is high. However， due to the complex structure of this type of machine tool and the diverse spindle movement forms in processing， interference， collision and other potential risks often exist in the first processing of complex parts， which bring greater risks to the efficient use and safety to machine tool. The virtual simulation machining system of turn-milling compound machine tool was built based on VERICUT Virtual simulation platform in this paper. Simulation machining of hydraulic shell part and five - axis impeller part were carried out， and errors in NC programs were checked. Possible hazardous conditions in processing were anticipated， to realize the advance improvement of the processing technology. Through the application of virtual simulation machining， the machining efficiency of turn- milling compound machine tool is improved， and the safety of machine tool is guaranteed at the same time.

關鍵詞：車銑復合;VERICUT;虛擬仿真

Key words： turn-milling compound;VERICUT;virtual simulation

0? 引言

隨著制造技術的不斷發(fā)展，零件的結構越來越復雜，加工精度要求越來越高，傳統(tǒng)的數(shù)控機床已無法滿足復雜零件尤其是五軸類零件的加工要求，因此車銑復合機床應運而生。車銑復合機床集成了車、銑、鉆、鏜、鉸、滾齒、插齒等加工方式，涵蓋了大部分常見的機加功能，能夠在一次裝夾下完成幾乎所有的加工特征，極大地縮短了零件的制造流程和加工時間，降低了復雜工件的制造難度，提升了零件的加工精度，因此該類機床在航空、航天、汽車等領域的應用越來越廣泛[1]。然而，正因為該類機床加工功能較為全面，機床結構也更加復雜，加工過程中刀軸空間位姿多變，NC程序比較復雜，因而NC的正確性直接制約了機床的高效應用和使用安全。傳統(tǒng)加工中，對NC程序的正確性檢驗大多靠人工以及首件試切來進行的，這些方式不僅效率低下，同時還會造成較大的人力、物力損失[2]?；诖?，文章采用虛擬仿真加工的方式，通過建立機床虛擬仿真加工系統(tǒng)，在計算機中完成零件的仿真加工，檢驗NC的正確性，預判機床加工過程中可能存在的干涉、碰撞等危險情況，確保機床使用安全。

1? 機床結構分析

文中研究對象為一臺立式車銑復合加工機床，該機床工作臺水平布置，具備回轉功能，能夠實現(xiàn)車削、銑削模式下的回轉運動。機床結構如圖1所示，機床共有5個運動軸，包括X、Y、Z三個直線運動軸，B、C兩個旋轉軸，不僅能夠進行車銑復合加工，還能實現(xiàn)X、Y、Z、B、C的五軸聯(lián)動插補。車削模式下，回轉工作臺為車削主軸，實現(xiàn)高速旋轉;銑削模式下，回轉工作臺為銑削C軸，實現(xiàn)復合插補功能。銑削主軸配置在傾斜旋轉軸上，隨著旋轉軸的運動，銑削主軸可以從水平到垂直方向切換，實現(xiàn)車削、銑削模式的轉換。

2? 虛擬仿真加工系統(tǒng)構建

2.1 機床幾何建模

為保證虛擬仿真加工系統(tǒng)能真實可靠的反應實際加工問題，機床虛擬模型的構建需與實際機床完全一致，不僅要求機床幾何尺寸的統(tǒng)一，同時還要求機床運動邏輯與實際機床一致。VERICUT中建立機床虛擬仿真加工系統(tǒng)，首先需建立正確的幾何模型[3]。機床幾何模型的準確構建首先需完成實際機床的尺寸測量，根據(jù)機床手冊以及實際測量，確定機床各運動部件的結構尺寸、空間距離，然后基于三維軟件UG建立機床模型。完整的機床模型不僅包含機床的幾何實體，還需要賦予機床運動軸間正確的邏輯關系。VERICUT中，運動邏輯是通過機床結構樹來體現(xiàn)的，根據(jù)機床中的兩條運動鏈：床身—Y軸—C軸—工件;床身—Z軸—X軸—B軸—刀具，建立機床運動結構樹，如圖2所示。

根據(jù)機床運動結構，將建立的模型按照不同運動部件保存為STL格式文件，導入VERICUT結構樹中相應位置即可完成機床幾何模型的構建，如圖3所示為機床幾何模型。

2.2 建立刀具庫

刀具可以在三維軟件中建立，然后導入VERICUT中，也可通過VERICUT中提供的刀具管理器直接建立。刀具由刀柄和刀片組成，銑削類刀具為回轉體，可直接在VERICUT中建立。而車削刀具由于存在較為復雜的刀桿結構，因此通過三維軟件UG建立刀桿模型，導入VERICTU中即可。如圖4所示為建立的刀具庫，刀具建立完成后，還需設置刀具安裝點、刀具驅動點，保證刀具在調用時，處于正確的位置。

2.3 機床參數(shù)設置

虛擬仿真加工系統(tǒng)中的參數(shù)設置主要包括：運動軸行程、機床零點、機床換刀點、干涉碰撞間隙、G代碼偏置等，設置好正確的參數(shù)，能夠保證虛擬仿真加工過程中當出現(xiàn)行程超差、碰撞、干涉等危險情況時，仿真系統(tǒng)能夠及時準確進行報錯，便于技術人員查找問題所在，從而先于實際加工排除加工問題，為實際加工提供參考，保證實際加工中機床的安全性。

2.4 控制系統(tǒng)的二次開發(fā)

構建好虛擬仿真加工系統(tǒng)并完成參數(shù)設置后，需根據(jù)實際機床所使用的控制系統(tǒng)對仿真系統(tǒng)進行專門定制。VERICUT中提供了常用的多種數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)需要可直接選用。然而由于車銑復合機床的特殊結構，機床廠家在進行控制系統(tǒng)開發(fā)時，根據(jù)自身技術特點，進行了特殊功能代碼的定制，因此虛擬加工系統(tǒng)中所直接選取的控制系統(tǒng)不能滿足加工所需，需要根據(jù)實際機床對控制系統(tǒng)進行二次開發(fā)[4]。機床所用控制系統(tǒng)為sin840d，其對車削模式、銑削模式下的加工參數(shù)進行了特殊定制。立式車（DM_TURN（0））、數(shù)控銑 （DM_MILL）定義了車削模式、銑削模式的選擇;直徑加工（DIAMON）、半徑加工（DIAMOF）確定了車、銑不同加工模式下回轉加工的走刀數(shù)值。在G代碼設置中，根據(jù)機床的實際狀態(tài)，應用宏命令定制特殊G代碼，完成控制系統(tǒng)的二次開發(fā)，確保虛擬仿真系統(tǒng)與實際機床的一致性。

2.5 獲取NC程序

復雜零件尤其是五軸零件的NC程序很難通過人工編程來實現(xiàn)，借助自動化編程技術，能夠快速、準確的實現(xiàn)對復雜零件的NC編寫，滿足加工所需。通過在三維軟件UG中建立零件的三維模型，應用加工模塊，進行零件的前置工藝處理，生成加工中刀具的走刀路徑及刀軸信息，獲得刀軌文件APT。目前，刀軌文件并不能被大多數(shù)機床直接識別，需對其進行后置處理將其轉化為NC程序[5]。UG軟件中后處理模塊自帶了三軸以內(nèi)的后置處理器，但對四軸以上的多軸聯(lián)動加工，并不能直接應用，需進行后置處理器的專門定制。根據(jù)文中所選液壓殼體和五軸葉輪零件的結構特征，分別開發(fā)用于3+2定軸加工的后置處理器“turn-mill 3+2post”和五軸后置處理器“turn-mill 5axis post”，對殼體及葉輪零件的前置工藝文件進行后處理，生成加工所需的NC程序。

3? 仿真加工

建立完成樣件的毛坯模型，將其導入虛擬仿真加工系統(tǒng)中，載入NC程序后進行仿真加工。如圖5所示，分別為液壓殼體零件和葉輪零件的仿真加工，通過仿真加工，可觀察加工過程中機床各運動軸的狀態(tài)，監(jiān)測機床刀軸位置和姿態(tài)，分析走刀軌跡是否正確;同時根據(jù)機床自動監(jiān)控模塊提供的干涉、碰撞等錯誤加工信息，查找定位到相關程序段，分析產(chǎn)生的原因，并據(jù)此進行前置工藝的改進，實現(xiàn)NC的正確性檢測和優(yōu)化，保證機床實際加工中的安全性，提高零件試制效率。

4? 結論

文章基于VERICUT仿真平臺構建了車銑復合機床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，闡述了虛擬仿真加工系統(tǒng)構建過程中的關鍵技術問題，并以液壓殼體零件和五軸葉輪零件為樣件進行仿真加工，驗證機床五軸聯(lián)動以及3+2定軸加工功能，最大限度完成了機床所有加工功能的測試。通過仿真加工，能夠有效預判實際加工中可能存在的干涉、碰撞等問題，指導技術人員對工藝處理過程進行優(yōu)化，減少首件試切環(huán)節(jié)所耗費的人力、物力，有效提高零件加工效率和質量，同時對保證機床使用安全具有重要意義。

參考文獻：

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[2]張惠林，軒繼花，姜士湖.基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2006（7）：125-127.

[3]茍建峰，楊保成，楊光華，等.基于VERICUT的車銑復合IT100建模和數(shù)控仿真研究[J].機床與液壓，2017，45（19）：166-169.

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[5]王曉靜，張松，賈秀杰.航空發(fā)動機整體機匣銑—車復合加工工藝優(yōu)化[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2011（7）：1460-1465.