某龍門鏜銑床數(shù)控加工仿真及難點分析

童勇智， 王逢濤， 金許濤， 陳浩安

（陜西柴油機重工有限責(zé)任公司，陜西 興平713105）

0 引 言

我公司某龍門鏜銑床主要承擔(dān)軍品機身等大型關(guān)鍵件加工任務(wù)，此類零件的加工有著精度要求高、加工難度大、毛坯成本高、節(jié)點要求嚴(yán)等特點。公司在此類零件的加工過程中有著零失誤、零容忍的要求。該機床價值高、加工成本高，維修費用高，屬于公司重點關(guān)注設(shè)備，在試制、加工過程中不允許出現(xiàn)機床附件干涉、刀具碰撞等安全、質(zhì)量問題。提前進行加工運動的數(shù)控仿真，可最大限度地避免各類安全、質(zhì)量事故，優(yōu)化加工工藝、驗證數(shù)控程序、完善刀具配置。

1 數(shù)控仿真加工技術(shù)

1.1 數(shù)控仿真加工的概念

數(shù)字化仿真是依靠高速、大存儲量數(shù)字計算機及相關(guān)技術(shù)對復(fù)雜系統(tǒng)運行過程或者狀態(tài)進行數(shù)字化模擬的技術(shù)。加工數(shù)控仿真就是將零件的加工通過計算機仿真技術(shù)進行數(shù)字化模擬，采用計算機軟件的圖形可視化技術(shù)對刀具軌跡或加工過程進行模擬，使數(shù)控編程人員能夠在計算機上完整地模擬整個零件的加工過程。

1.2 數(shù)控仿真加工的優(yōu)點

在機械加工領(lǐng)域，進行合理的數(shù)控仿真加工，使編程人員在計算機上模擬整個數(shù)控機床的切削環(huán)境和加工過程：1）檢查NC 代碼的有效性；2）提前發(fā)現(xiàn)加工難點，完善加工工藝；3）避免加工過程中的碰撞、干涉等現(xiàn)象，有效地規(guī)避了加工風(fēng)險；4）優(yōu)化切削參數(shù)，減少加工成本及機床損耗；5）加工時間合理化，便于節(jié)點安排，縮短制造周期。

2 仿真加工應(yīng)用

在新產(chǎn)品開發(fā)和科研試制中，機身加工中的三大孔系屬于加工工藝的主要內(nèi)容和難點問題，因此應(yīng)用數(shù)字化仿真這一先進工藝驗證技術(shù)對我公司某型機身的首件試制工藝進行了數(shù)字化驗證。利用VERICUT 軟件平臺，制作了某龍門鏜銑床的數(shù)字化機床，在數(shù)字機床上，對三大孔系進行加工仿真測試，驗證和完善了工藝文件、數(shù)控程序、刀具尺寸及加工參數(shù)。

1）缸孔孔系加工（如圖1）。機身缸孔孔系的仿真加工，對機床2 號附件頭的適用性進行了驗證，對設(shè)計方案中缸孔鏜削專用刀具的切削情況進行了預(yù)判，優(yōu)化刀具分刃及加工余量、切深排列等參數(shù)。模擬完成了全部缸孔孔系的加工動作，完善修訂了相關(guān)數(shù)控程序，提前避免了調(diào)試加工中出現(xiàn)的安全、質(zhì)量問題，完善了相關(guān)工藝文件，并與設(shè)計部門溝通，對缸孔毛坯尺寸公差范圍提出了合理化建議。

圖1 缸孔孔系加工

2）曲軸孔孔系加工（如圖2、圖3）。機身曲軸孔系的仿真加工，對機床7 號附件頭的適用性進行了驗證，對設(shè)計方案中曲軸孔鏜削專用刀具的切削情況進行預(yù)判，發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中的刀具加工過程刀具過長，下刀過程附件與毛坯干涉。因此將設(shè)計方案中刀具尺寸進行了修訂，保證附件與瓦蓋加工運動時相對最小間隙在5 mm 以上。模擬完成了全部曲軸孔孔系的加工動作，完善修訂了相關(guān)數(shù)控程序及相關(guān)工藝文件，對曲軸孔毛坯尺寸公差范圍提出了合理化建議。

圖2 曲軸孔孔系加工

圖3 曲軸孔孔系加工

3）凸輪軸孔孔系加工（如圖4）。機身凸輪軸孔系的仿真加工，對機床5 號附件頭的適用性進行了驗證，對設(shè)計方案中凸輪軸孔鏜削專用刀具的切削情況進行了預(yù)判。模擬完成了全部凸輪軸孔孔系的加工動作，完善修訂了相關(guān)數(shù)控程序及相關(guān)工藝文件，對凸輪軸孔窗口毛坯尺寸公差范圍提出了合理化建議，有效避免了附件、刀具加工運動中毛坯干涉情況的發(fā)生。

圖4 凸輪軸孔孔系加工

3 仿真加工應(yīng)用的優(yōu)勢

通過數(shù)字化仿真驗證的實際應(yīng)用可知，與傳統(tǒng)方式相比，數(shù)字化方式在經(jīng)濟性、簡便性、高效性及正確性等方面都具有明顯優(yōu)勢：1）傳統(tǒng)試加工需要測試各類加工參數(shù)，數(shù)字化仿真測試只需更改軟件參數(shù)，即可測出最合理的加工參數(shù)。驗證時間大大降低，技術(shù)人員也能直觀地對整個零件試加工運動過程進行觀測。2）在零件試加工過程中，傳統(tǒng)的刀具選擇與設(shè)計需要在機床上不斷地進行試切和調(diào)試驗證。運用數(shù)字化方式，可以提前對刀具做出合理性選擇，從而大大縮減工藝驗證和產(chǎn)品研制時間。3）工藝方案是整個零件研制過程的準(zhǔn)則，所以工藝方案需要反復(fù)核實與完善。運用數(shù)字化方式進行工藝方案的驗證，能有效地避免機床、夾具、刀具碰撞損壞等情況的發(fā)生，可以有效地檢查NC 程序的正確性，提高NC 編程的驗證、優(yōu)化效率。

因此在大型零件研制的工藝試制過程中，采用數(shù)字化仿真加工來進行工藝驗證，可以對整個加工過程進行直觀的觀察與驗證分析，能夠大幅度地縮短新產(chǎn)品的研制周期，提高研制效率，降低研制中的安全、質(zhì)量風(fēng)險，且更具靈活性和柔性。

4 數(shù)字機床建立過程

4.1 機床與附件數(shù)字化模型建立

首先測量機床與附件尺寸數(shù)據(jù)，分析各個部件的運動關(guān)系，研究所配備的8 個附件頭的更換運動方式和邏輯關(guān)系，收集某龍門鏜銑床6500AG 的相關(guān)資料，形成了建立數(shù)字機床的基礎(chǔ)資料匯總。確定了利用Siemens UG NX 軟件制作數(shù)字模型和利用VERICUT 軟件平臺進行數(shù)字化仿真驗證的工作方案。

根據(jù)基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，使用Siemens UG NX 軟件制作機床結(jié)構(gòu)件、運動件數(shù)字化模型和附件頭精細(xì)化數(shù)字模型（如圖5）。

圖5 機床及附件數(shù)字化模型

4.2 模型導(dǎo)入仿真軟件與系統(tǒng)選擇

將使用Siemens UG NX 軟件所建立的機床和附件模型導(dǎo)入CGTech VERICUT 軟件。依據(jù)現(xiàn)場機床工作狀態(tài)下的運動邏輯關(guān)系，在VERICUT 軟件中建立機床運動軸組件依附關(guān)系（如圖6）。根據(jù)機床操作系統(tǒng)Sinumerik840D，選擇軟件數(shù)控項sin840d。

4.3 定義機床附件及Spindle1組件

以運動軸U 軸承載附件模塊及Spindle 和Tool 組件（如圖7），用U 軸和機床各軸配合運動，實現(xiàn)各附件的裝載和卸下動作。分別定義8 個附件頭的模塊名稱、Spindle組件和Tool 組件名稱。附件模塊名稱包括T1100 到T1800；Spindle 組件名稱包括Spindle1 到Spindle8；Tool組件名稱包括Tool_1100 到Tool_1800。

圖6 機床運動軸組件依附關(guān)系

圖7 U 軸承載附件模塊及Spindle 和Tool 組件

4.4 在軟件中定義機床附件更換指令和對應(yīng)參數(shù)

該臺機床附件更換指令分為L9925 卸載附件指令和L9930 裝載附件指令等2 種。附件選擇指令為“ATT_NO”，參數(shù)“1～8”對應(yīng)于8 個附件。這些指令無法直接應(yīng)用于軟件仿真。為了實現(xiàn)附件在仿真軟件中的選擇與更換，需要在軟件中定義指令字符和附件選擇參數(shù)。具體定義步驟如下：

1）L9925 卸載附件指令定義：配置→文字/地址→添加字“L”→范圍“9925”→類別“M_Misc”→宏名“callsubname”→覆蓋值“9925”。同理應(yīng)用于L9930 的定義。

2）ATT_NO 選擇附件指令定義：配置→文字/地址→添加字“ATT_NO”→范圍“*”→類別“Registers”→變量名“9999”。

3）建立一個子程序文件“powertec6500ag.sub”，用于裝載附件更換指令L9925 和L9930：配置→高級選項→子程序→添加建立的子程序文件。

4）根據(jù)實際機床更換附件的運動方式和邏輯關(guān)系、定位方法、附件選擇判斷方式等，在powertec6500ag.sub子程序文件中定制和開發(fā)相應(yīng)的指令集，對應(yīng)實際機床的附件裝載、卸載指令。實現(xiàn)在軟件中附件的選擇和更換。

4.5 實例難點解析

4.5.1 軟件的附件選擇

軟件的附件選擇及附件補償值的激活是某龍門鏜銑床仿真工作中的難點。因此對這項難點進行實例講解和分析。在機床加工零件的主程序中，更換附件的指令為：

而在仿真軟件中，當(dāng)主程序執(zhí)行“ATT_NO=2”指令時，會將值“2”自動放入“ATT_NO”字符所指定的變量名“9999”的變量中，即R9999 變量。當(dāng)主程序執(zhí)行到“L9930”，軟件會調(diào)用“powertec6500ag.sub”中的指令，如圖8 所示。

程序從221 句 到 230句，其作用是為將仿真軟件中機床的C、X 軸的坐標(biāo)值運動到0 值，將Z 軸運動到1200，將Y 軸運動到-5800，將W 軸運動到1800，即更換附件預(yù)定位置。如圖9 所示，此時我們可以看到2 號附件的組件關(guān)系在U 軸下。

圖8 部分程序

圖9 為更換附件運動到預(yù)定位置

變量R9999 中的值賦予了R100 和R200 變量值，其中R100 變量在指令231 句到239 句用于跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的附件裝載指令，R200 變量會在“L9925”卸載附件時。用于跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的附件卸載指令，將主軸上已裝載的附件放回原來位置。此時“ATT_NO =2”，跳轉(zhuǎn)至“N5100”句。

4.5.2 附件的補償值激活

如圖10 所示，程序中的257 句 至 267句，是將U 軸移動到2 號附件裝載位置，Z 軸向下以裝上2 號附件的T1200模塊。激活刀具索引為“3”，用于激活附件當(dāng)前Spindle 組件的“SPINDLE2”。如圖11所示，此時我們可以看到圖中2 號附件的組件“T1200”關(guān)系是在C 軸下。這里需要注意的是，如果激活的“刀具索引”不正確，則換刀時刀具不會換到附件的刀位上。激活的Spindle 組件名稱和附件上的不一致時，模擬加工時主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向動作不會激活到當(dāng)前附件的主軸上。

至此2 號附件關(guān)系及組件裝載完成。其他附件的裝載也是類似，根據(jù)附件選擇參數(shù)“ATT_NO”中的數(shù)值，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的U 軸位置，執(zhí)行對應(yīng)的附件裝載指令，進行附件裝載。

圖10 部分程序

圖11 裝上2 號附件的T1200 模塊

如圖12 所示，執(zhí)行“L9925”進行附件的卸載，指令中67 句到79 句，作用為運動到附件更換的預(yù)定位置。指令81 句到88句，R200 變量前面附件裝載時已經(jīng)賦值，依據(jù)這個數(shù)值可以將主軸上的附件放置回原來的位置。如圖13 所示，當(dāng)前R200 中的值為“2”則跳轉(zhuǎn)到“N3100”句，將2號 附 件 組 件“T1200”的關(guān)系歸還到U 軸下的“Spindle_holder_T1200”組件關(guān)系下，并完成附件的卸下動作。

圖12 部分程序

圖13 部分程序

通過上述工作，整個的機床運行方式、邏輯關(guān)系和指令格式，已經(jīng)在軟件中實現(xiàn)，實現(xiàn)了數(shù)字機床和實際機床的一致，后續(xù)再采用經(jīng)過數(shù)字機床驗證過的加工工藝、數(shù)控程序、刀具配置等，就可直接應(yīng)用到實際機床生產(chǎn)中。

5 結(jié) 語

本文論述了數(shù)字化仿真這項工藝新技術(shù)的優(yōu)點，并用實例講解了新產(chǎn)品研發(fā)中零件數(shù)字化仿真工藝驗證的過程，對比了數(shù)字化方式和傳統(tǒng)方式的區(qū)別，并就實例中數(shù)字化仿真VERICUT 軟件平臺中如何實現(xiàn)多附件頭更換和補償?shù)碾y點進行了描述和講解。通過本次工作，提高了新產(chǎn)品試制的工藝柔性和效率，降低了過程中的風(fēng)險，為后續(xù)新產(chǎn)品的開發(fā)與試制提供了技術(shù)支持。通過本次建立數(shù)字機床，并對某型新產(chǎn)品機身的加工工藝進行數(shù)字化驗證的工作，積累了在VERICUT 軟件平臺上建立多附件大型機床的經(jīng)驗，對基于數(shù)字化仿真的工藝驗證方法，有了更加深入的了解。