MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床構(gòu)建及磨削仿真驗(yàn)證

喬虎，鄧瑞祥 ，伍婭，向穎

(1.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 前言

航空發(fā)動機(jī)經(jīng)歷了“渦槳發(fā)動機(jī)→渦輪發(fā)動機(jī)→渦扇發(fā)動機(jī)”的發(fā)展歷程。寬弦空心風(fēng)扇葉片作為渦扇發(fā)動機(jī)中極為重要的零部件，其加工質(zhì)量的好壞決定了發(fā)動機(jī)的性能是否可以進(jìn)一步提高。在葉片成形工藝方面，目前先進(jìn)的方法是采用超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)工藝[1-5]。磨削加工處于葉片加工關(guān)鍵步驟中的最后一步，這就要求在實(shí)際磨削加工前進(jìn)行虛擬仿真磨削。提高葉片質(zhì)量除了優(yōu)化工藝以外，最重要的則是磨削加工的機(jī)床。這類用于磨削葉片的機(jī)床通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不存在現(xiàn)有的虛擬仿真環(huán)境，無法驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性和磨削過程的安全性。

為了滿足工件加工質(zhì)量不斷提高的要求，一批高?？蒲性核捅姸嗥髽I(yè)廠家基于VERICUT對復(fù)雜型面加工展開研究，但主要研究對象是車削、銑削，只有極少學(xué)者對磨削仿真加工進(jìn)行了研究。本文作者基于UG和VERICUT軟件，對MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床這一特種機(jī)床進(jìn)行建模與仿真平臺搭建，利用虛擬仿真加工環(huán)境驗(yàn)證數(shù)控程序，并根據(jù)動態(tài)仿真過程，模擬數(shù)控砂帶磨床的實(shí)際動作，避免干涉與碰撞。本文作者主要解決的問題有：(1)為該特種機(jī)床數(shù)字化、智能化制造提供了虛擬仿真環(huán)境；(2)為后續(xù)該磨床加裝在機(jī)測量模塊提供了技術(shù)支持。

1 六軸數(shù)控砂帶磨床建模與裝配

1.1 建模前數(shù)控砂帶磨床結(jié)構(gòu)分析

文中采用的磨床是由德國IMM公司生產(chǎn)的MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床，如圖1所示。該磨床能夠?qū)崿F(xiàn)仿形磨削、恒壓力磨削和NC磨削等磨削方式。該磨床具有高精度、高速度、高剛性的特點(diǎn)，能夠滿足寬弦空心葉片外型的精修及拋光要求。

圖1 MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床

該磨床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但都是由結(jié)構(gòu)和功能相對獨(dú)立、數(shù)量較為固定的模塊(或稱為部件)組成。通過對磨床的分析，為簡化建模過程，幾何模型只要能表達(dá)出數(shù)控砂帶磨床的形狀和功能特征即可，一些與仿真過程無關(guān)的部件可以不予考慮，如液壓系統(tǒng)、內(nèi)部電路等[6-8]。通過對現(xiàn)場數(shù)控砂帶磨床的觀察，可按圖2所示將磨床裝配模型分解，并按照該磨床裝配模型的子部件進(jìn)行建模。

圖2 磨床模型結(jié)構(gòu)分解圖

1.2 六軸數(shù)控砂帶磨床幾何建模

為了簡化建模過程，一些與仿真過程無關(guān)的部件可以不予考慮。構(gòu)建MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床幾何模型的具體步驟如下：

(1)測繪MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床各個主要部件的實(shí)際尺寸和部件在初始位置時各部件之間的相對位置數(shù)據(jù)。為簡化整體造型，這里忽略磨床的內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)和電器等部分。

(2)運(yùn)用UG的建模模塊完成該磨床各部件的三維造型。圖3所示為部分磨床部件的三維造型結(jié)果。

圖3 部分磨床部件的三維造型結(jié)果

1.3 六軸數(shù)控砂帶磨床整體裝配

磨床的整體裝配反映了各部件之間的運(yùn)動副關(guān)系、組合關(guān)系和相對位置關(guān)系。在整體裝配之前需確定關(guān)鍵軸的位置尺寸。

根據(jù)現(xiàn)場對磨床的手動操作，經(jīng)確認(rèn)，MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的機(jī)床加工零點(diǎn)位于法蘭盤左端面的圓心位置。當(dāng)機(jī)床運(yùn)動至X0Y0Z0A0B0C0位置時，機(jī)床上位于法蘭盤左端面中心的點(diǎn)設(shè)置為參考點(diǎn)，這個參考點(diǎn)在實(shí)際中為刀柄左端面上定位孔的中心，如圖4所示。

圖4 確定機(jī)床加工零點(diǎn)坐標(biāo)系

根據(jù)磨床附帶文件“13_CAD_Mechanik”中的“80-010010100.TIF”(如圖5所示)，設(shè)定刀柄左端面上定位孔中心為坐標(biāo)系{S}原點(diǎn)，砂帶輪下接觸面中心點(diǎn)為坐標(biāo)系{T}原點(diǎn)，并建立坐標(biāo)系{S}與{T}位置關(guān)系，如圖6所示?？傻茫篸ST,i=43 mm；dST,j=79.2 mm；dST,k=350 mm。

圖5 砂帶輪-刀柄裝配尺寸

圖6 坐標(biāo)系{S}與{T}位置關(guān)系

根據(jù)Pivot Point(來源于該磨床正在使用的后置處理.par文件，如圖7所示)給出的數(shù)值，建立坐標(biāo)系{B}與{S}位置關(guān)系和坐標(biāo)系{C}與{S}位置關(guān)系，如圖8所示。

圖7 部分后置處理文件

圖8 坐標(biāo)系{B}、{C}與{S}位置關(guān)系

機(jī)床參考點(diǎn)位置相對于B軸在XOZ平面上的坐標(biāo)為X=-42.672 mm，Z=270.649 mm；機(jī)床參考點(diǎn)相對于C軸在XOY平面上的坐標(biāo)為X=-43.054 mm，Y=-78.051 mm。即dBS,i=-42.672 mm；dBS,k=270.649 mm；dCS,i=-43.054 mm；dCS,j=-78.051 mm,由此可知B軸與C軸并不相交，并可得出B軸與C軸之間的距離為：dCB,i=|dBS,i-dCS,i|=0.382 mm。

選擇刀柄左端面上定位孔中心為裝配坐標(biāo)系原點(diǎn)，依據(jù)上述推導(dǎo)得到的位置尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配，完成裝配的數(shù)控砂帶磨床如圖9所示。

2 六軸數(shù)控砂帶磨床仿真環(huán)境搭建

新建VERICUT仿真流程如圖10所示。

圖10 搭建VERICUT仿真流程

2.1 建立磨床組件模型

在VERICUT中建立MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的組件模型，就需要對該磨床的傳動鏈進(jìn)行分析。圖2中已對該磨床結(jié)構(gòu)做初步分解，在此基礎(chǔ)上可分析得出兩條傳動鏈。如圖11所示：第一條是磨床工作臺群組，由磨床基座出發(fā)經(jīng)X軸、A軸到夾具和毛坯；第二條是刀具群組，由磨床基座出發(fā)經(jīng)Y軸、Z軸、B軸、C軸最后到刀具端(砂帶輪)。

圖11 磨床傳動鏈

在UG NX中將WCS坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在刀柄左端面上定位孔中心，這樣在導(dǎo)出.stl格式時所有部件都將以該點(diǎn)為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，方便在VERICUT進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。由磨床傳動鏈分析得出該磨床六軸之間的依附關(guān)系，據(jù)此在虛擬仿真平臺中創(chuàng)建該磨床的組件樹，并將上述.stl格式的文件添加到相應(yīng)的組件樹下，完成虛擬磨床的搭建。組件樹以及虛擬磨床的結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 虛擬MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床

2.2 控制系統(tǒng)文件添加

虛擬MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床組件樹搭建完成后需要進(jìn)一步添加數(shù)控系統(tǒng)。實(shí)際中該磨床所使用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)，直接調(diào)用庫中“sin840d.ctl”文件即可[9]。

2.3 設(shè)定磨床相關(guān)參數(shù)

為了使該六軸數(shù)控砂帶磨床的仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況，還需要對磨床行程以及干涉檢查進(jìn)行設(shè)置。

(1)磨床行程極限設(shè)置

由于磨床附帶手冊中沒有磨床各軸行程的數(shù)據(jù)，于是通過對磨床現(xiàn)場手動操作，獲得以下數(shù)據(jù)，如表1所示。將該磨床各軸行程參數(shù)輸入“檢查行程”中，如圖13所示。

圖13 磨床行程極限設(shè)定

表1 各軸行程表

(2)磨床干涉檢查設(shè)置

通過“機(jī)床/控制系統(tǒng)”菜單欄中“機(jī)床設(shè)定”對話框，對碰撞檢測進(jìn)行設(shè)定，C軸與X軸，C軸與毛坯，刀具與X軸，刀具與夾具，C軸與夾具，這里選擇“忽略切刀和毛坯的碰撞”，因?yàn)榈毒吲c毛坯必然會發(fā)生接觸。檢查碰撞的設(shè)置如圖14所示，其中的“次組件”是指該組件下子組件，可根據(jù)磨床具體情況選擇。另外，需要強(qiáng)調(diào)的是，在此處設(shè)置“刀具與夾具”的碰撞并不會起到作用，需要在左側(cè)項(xiàng)目樹雙擊“檢查碰撞”后，在下方檢查碰撞配置窗口中設(shè)定，在“顯示夾具和全部刀具”設(shè)置臨界間隙為0.05 mm[10]。

圖14 磨床組件碰撞設(shè)置

到此基于VERICUT六軸數(shù)控砂帶磨床仿真環(huán)境搭建完畢。

3 寬弦空心風(fēng)扇葉片磨拋仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真前準(zhǔn)備工作

(1)生成磨削加工NC代碼

根據(jù)CAM軟件選定葉片加工區(qū)域，得出磨削加工的刀位文件;將磨削加工刀位文件通過后置處理器轉(zhuǎn)化成為機(jī)床可以識別的NC代碼;生成NC代碼后通過添加程序頭和程序尾，加工NC代碼準(zhǔn)備完成。

(2)磨床刀具創(chuàng)建

需要強(qiáng)調(diào)的是，該磨床的刀具為砂帶輪，刀柄已經(jīng)在磨床建模時完成，故在VERICUT中創(chuàng)建刀具時不必再創(chuàng)建刀柄。砂帶輪的安裝位置嚴(yán)格按圖5所示砂帶輪-刀柄裝配尺寸進(jìn)行安裝，從而可以用來驗(yàn)證在加工過程刀柄與工件或者刀柄與夾具發(fā)生干涉、碰撞問題。圖15所示建立加工時所需的刀具[11]。

圖15 磨床刀具創(chuàng)建

(3)導(dǎo)入葉片和夾具模型

空心葉片與夾具模型如圖16所示。

圖16 空心葉片與夾具模型

(4)配置程序零點(diǎn)

通過對磨床的手動操作，當(dāng)磨床運(yùn)動至X0Y0Z0A0B0C0位置時，刀柄左端面上定位孔的中心與法蘭盤左端面中心重合。這里將法蘭盤左端面中心設(shè)置為編程坐標(biāo)系(工件坐標(biāo)系)，在法蘭盤右端面中心點(diǎn)添加坐標(biāo)系Csys1。VERICUT是通過設(shè)置項(xiàng)目樹中的程序零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對刀過程[12-13]。在項(xiàng)目樹的程序零點(diǎn)中，設(shè)置從組件Spindle至Csys1坐標(biāo)原點(diǎn)的數(shù)控對刀方式，即可實(shí)現(xiàn)虛擬對刀過程，如圖17所示。

圖17 設(shè)置對刀方式

3.2 寬弦空心風(fēng)扇葉片磨拋仿真

準(zhǔn)備工作結(jié)束后讀取生成的數(shù)控磨削加工代碼，執(zhí)行虛擬仿真加工。由圖18和圖19可以看出:在空心葉片磨削加工過程中，砂帶輪或磨床主軸等部件與葉片不產(chǎn)生干涉或過切等，加工結(jié)果符合預(yù)期要求，驗(yàn)證了后置處理算法的準(zhǔn)確性。

圖18 虛擬磨削葉背仿真

圖19 虛擬磨削葉盆仿真

綜上，通過仿真結(jié)果可以看出在寬弦空心葉片磨削加工過程中沒有產(chǎn)生干涉等問題，驗(yàn)證了所搭建仿真環(huán)境的正確性。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真驗(yàn)證無誤后，需要在實(shí)際的磨床上進(jìn)行實(shí)際的加工實(shí)驗(yàn)，所以后續(xù)在MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床進(jìn)行了空心葉片的實(shí)際加工，加工結(jié)果如圖20和圖21所示。在加工過程中沒有發(fā)生砂帶輪的干涉、碰撞以及磨床超程等現(xiàn)象，加工后葉片表面達(dá)到磨削要求,證明了該磨床的VERICUT虛擬仿真模型的正確性和有效性。

圖20 實(shí)際磨削加工葉背

圖21 實(shí)際磨削加工葉盆

4 結(jié)論

在UG中完成了MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的建模與裝配，基于此在VERICUT軟件中構(gòu)建了MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的磨削加工仿真環(huán)境，并以寬弦空心風(fēng)扇葉片為磨削對象對該仿真平臺進(jìn)行了虛擬磨削加工，最后在MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床上進(jìn)行了實(shí)際加工驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該仿真可以模擬該六軸數(shù)控磨床實(shí)際加工情況，可以檢查砂帶輪與各軸是否干涉、砂帶輪與工件是否碰撞以及超程等問題，可在實(shí)際磨削前發(fā)現(xiàn)并修正數(shù)控程序，降低了空心風(fēng)扇葉片在整個加工工藝流程最后一步的報廢率，大大提高了葉片磨削的可靠性。文中的虛擬仿真為相似類型的數(shù)控磨床提供了技術(shù)支持，也為后續(xù)該磨床加裝在機(jī)測量模塊奠定基礎(chǔ)。