王虎奇，張 健，唐清春

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

基于VERICUT7.0五軸雙擺頭機(jī)床建模和仿真的研究*

王虎奇，張 健，唐清春

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

文章通過(guò)對(duì)XH2420/5X五軸雙擺頭機(jī)床各部件的實(shí)際尺寸進(jìn)行測(cè)量，據(jù)測(cè)量結(jié)果采用UG8.0對(duì)各部件進(jìn)行建模，將建好的三維模型導(dǎo)入VERICUT7.0內(nèi)并結(jié)合機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系構(gòu)建仿真機(jī)床，在此基礎(chǔ)上對(duì)分流式葉輪進(jìn)行模擬仿真加工，最后通過(guò)對(duì)分流式葉輪的實(shí)際加工驗(yàn)證了模擬仿真的正確性和實(shí)用性，同時(shí)也為其它結(jié)構(gòu)機(jī)床的模擬仿真提供了一定經(jīng)驗(yàn)。

雙擺頭；仿真；建模；VERICUT7.0

0 引言

隨著當(dāng)今我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，航空、航天、模具、汽車等行業(yè)對(duì)其零件的復(fù)雜性要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的三軸銑床已無(wú)法滿足加工要求，而擁有多自由度的五軸機(jī)床可以加工比較復(fù)雜的零件，五軸機(jī)床在傳統(tǒng)三軸機(jī)床基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，從而實(shí)現(xiàn)了刀具和零件的位置任意控制，可以隨時(shí)調(diào)整刀具軸線相對(duì)于加工面的方向，可以靈活的設(shè)定走刀路徑，但由于刀軸的靈活性，加工過(guò)程中人為很難判斷刀軸與零件、夾具、工作臺(tái)是否會(huì)發(fā)生干涉碰撞等現(xiàn)象[1]。為此，美國(guó)GGTech公司研發(fā)了一款VERICUT數(shù)控加工仿真軟件，該軟件可以模擬實(shí)際加工中機(jī)床的結(jié)構(gòu)類型、尺寸、控制系統(tǒng)、毛坯以及夾具等原件，再將后置處理好的NC代碼調(diào)入模擬好的仿真環(huán)境內(nèi)進(jìn)行模擬切削，在模擬切削過(guò)程中查看是否有過(guò)切、欠加工、干涉等問(wèn)題出現(xiàn)，以便及時(shí)調(diào)整刀具路徑[2]。

本文采用VERICUT7.0數(shù)控加工仿真軟件對(duì)漢川機(jī)床廠研發(fā)的XH2420/5X五軸雙擺頭機(jī)床進(jìn)行建模，再此基礎(chǔ)上對(duì)分流式葉輪進(jìn)行模擬仿真加工，并通過(guò)對(duì)葉輪的實(shí)際加工驗(yàn)證了模擬仿真的正確性。

1 五軸雙擺頭機(jī)床模型的建立

如圖1所示，為漢川機(jī)床廠研發(fā)的(A-C)式雙擺頭五軸機(jī)床，該機(jī)床為龍門(mén)式五軸機(jī)床，適合加工尺寸較大的零件，查看機(jī)床工作參數(shù)，此機(jī)床由三個(gè)平動(dòng)軸X、Y、Z，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A、C組成，平動(dòng)軸X、Y、Z最高移動(dòng)速度：10000mm/min；旋轉(zhuǎn)軸A、C最高移動(dòng)速度：30rpm；主軸轉(zhuǎn)速范圍：50-15000r/min；X軸行程范圍：-4200～0 mm；Y軸行程范圍：-2600～0 mm；Z軸行程范圍：-850～0 mm；A軸行程范圍：-96°～+96 °；C軸行程范圍：-200°～+200 °；主軸端面到擺動(dòng)中心的距離為：310.87 mm。根據(jù)機(jī)床重要的工作參數(shù)構(gòu)建機(jī)床仿真模型，在VERICUT7.0中構(gòu)建機(jī)床仿真模型有兩種方法：

(1)直接從軟件內(nèi)部的機(jī)床庫(kù)調(diào)用機(jī)床模型，但軟件內(nèi)部機(jī)床庫(kù)不包含所有結(jié)構(gòu)機(jī)床的模型，且機(jī)床模型的尺寸與實(shí)際相比也不同[3]；

(2)采用三維CAD軟件(如UG、proe、CAXA等)根據(jù)機(jī)床實(shí)際尺寸，對(duì)逐個(gè)部件進(jìn)行建模，再將建好的三維模型導(dǎo)入VERICUT7.0內(nèi)裝配機(jī)床。

圖1 (A-C)式五軸雙擺頭機(jī)床

因VERICUT7.0內(nèi)部的機(jī)床庫(kù)沒(méi)有(A-C)式雙擺頭五軸機(jī)床模型，采用第二種方法創(chuàng)建該機(jī)床模型，其具體步驟如下：

(1)在UG8.0中，根據(jù)真實(shí)機(jī)床各部分元件的實(shí)際尺寸分別進(jìn)行建模，建模時(shí)需要注意各部件的參考坐標(biāo)系位置，以便裝配機(jī)床時(shí)作為裝配基準(zhǔn)；

(2)在UG8.0軟件中建好的X軸模型、Y軸模型、Z軸模型、A軸模型、C軸模型、Base床身模型、Spindle主軸、Tool刀具、Enclosure外殼模型分別以IGES格式導(dǎo)出。在VERICUT7.0數(shù)控仿真軟件內(nèi)，根據(jù)實(shí)際機(jī)床的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在左端的機(jī)床項(xiàng)目樹(shù)上依次添加組件Base→Y軸→Z軸→C軸→A軸→Spindle主軸→Tool刀具，Base→X軸，Base→Enclosure外殼[4]。機(jī)床主要框架添加完成后，對(duì)應(yīng)各組件將相應(yīng)的三維模型導(dǎo)入，導(dǎo)入時(shí)需要注意兩個(gè)組件之間的相對(duì)尺寸，如在導(dǎo)入Spindle主軸時(shí)必須相對(duì)A軸向下移動(dòng)310.87 mm。配置完的機(jī)床項(xiàng)目樹(shù)如圖2所示。

圖2 (A-C)式五軸雙擺頭機(jī)床項(xiàng)目樹(shù)

圖3 (A-C)式五軸雙擺頭機(jī)床模型

(3)機(jī)床各部件定義完成后，需要對(duì)五軸機(jī)床進(jìn)行初始化，根據(jù)機(jī)床的工作參數(shù)，設(shè)置該機(jī)床各軸的行程極限、軸優(yōu)先、初始位置、碰撞檢查等選項(xiàng)[5]。完成上述設(shè)置，配置機(jī)床的控制系統(tǒng)，該機(jī)床為西門(mén)子840D系統(tǒng)，在機(jī)床庫(kù)內(nèi)直接調(diào)用即可。裝配完的機(jī)床模型如圖3所示。

2 VERICUT內(nèi)加工仿真

上節(jié)中將五軸雙擺頭機(jī)床的模型已建好，接下來(lái)以加工某特型零件葉輪為例，使用該機(jī)床模型進(jìn)行切削仿真。如圖4所示，為葉輪在UG8.0中的三維模型[6]，根據(jù)測(cè)量及其加工工藝分析，毛坯采用直徑φ200mm、高為110mm的鋁制棒料。首先采用三軸銑床對(duì)其棒料進(jìn)行開(kāi)粗，開(kāi)粗到葉片的包覆曲面處，其次，采用UG8.0中的MILL-MULTI-BLADE模塊對(duì)葉輪流道進(jìn)行粗加工編程，刀具采用φ16mm整體式硬質(zhì)合金的球頭刀，葉轂與葉片的余量均設(shè)為0.4mm，背吃刀量為0.8mm，殘留高度設(shè)為0.1mm，主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，進(jìn)給速度為1000mm/min。最后，對(duì)流道、大葉片、小葉片分別精加工，刀具采用φ10mm鑲刀片式球頭刀，余量為0，殘留高度0.02mm. 生成的刀軌圖如圖4所示。

圖4 分流式葉輪刀軌圖

將在UG8.0中生成的刀軌文件導(dǎo)出，生成其后綴名為.cls的刀位源文件，再將導(dǎo)出的.cls文件經(jīng)專用后置處理軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到機(jī)床識(shí)別的NC代碼[7]。再將轉(zhuǎn)換后得到的NC代碼導(dǎo)入VERICUT進(jìn)行仿真，但在模擬仿真前需要做一些準(zhǔn)備工作，其具體步驟如下：

(1)構(gòu)建毛坯夾具，根據(jù)實(shí)際加工毛坯、夾具尺寸，在UG中繪制好三維模型導(dǎo)出VERICUT7.0識(shí)別的IGES格式，在導(dǎo)入機(jī)床項(xiàng)目樹(shù)中的Fixture、Stock處；

(2)創(chuàng)建坐標(biāo)系統(tǒng)，在VERICUT7.0內(nèi)建立一個(gè)與在UG8.0內(nèi)編程時(shí)相一致的工件坐標(biāo)系Csys 1；

(3)設(shè)置G代碼偏置，因?yàn)樵赨G中是刀具相對(duì)于工件坐標(biāo)系生成刀具軌跡的，所以在VERICUT7.0內(nèi)也同樣如此，設(shè)置成刀具Tool相對(duì)于坐標(biāo)系Csys 1；

(4)創(chuàng)建刀具，根據(jù)編程時(shí)所設(shè)置的刀具信息建立刀具庫(kù)，由于刀軌經(jīng)后置處理得到的數(shù)控程序值為擺動(dòng)中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)值，并非刀心點(diǎn)坐標(biāo)值，而數(shù)控系統(tǒng)默認(rèn)按驅(qū)動(dòng)刀心點(diǎn)坐標(biāo)值執(zhí)行，所以必須在設(shè)置刀具時(shí)添加一個(gè)對(duì)刀點(diǎn)，其值為擺動(dòng)中心到刀心點(diǎn)之間的距離；

(5)最終，導(dǎo)入數(shù)控程序，整體重置，單機(jī)“開(kāi)始”按鈕進(jìn)行模擬切削仿真。

圖5 分流式葉輪仿真圖

仿真過(guò)程中查看位置信息表，觀察位置、旋轉(zhuǎn)角度是否有超程信息，以及要注意切傷零件、刀具折斷、碰撞機(jī)床等現(xiàn)象，若出現(xiàn)上述現(xiàn)象，在碰撞處會(huì)呈現(xiàn)紅色顯示。這時(shí)需要檢查刀具軌跡、數(shù)控程序以做出及時(shí)的修正。分流式葉輪在模擬仿真過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)超程、無(wú)干涉碰撞，仿真效果良好。仿真后的結(jié)果如圖5所示。

3 實(shí)際加工驗(yàn)證

通過(guò)仿真后，在XH2420/5X五軸雙擺頭機(jī)床上對(duì)離心式葉輪的進(jìn)行了實(shí)際加工，圖6為葉輪加工實(shí)物圖。在加工過(guò)程中刀具無(wú)干涉、碰撞現(xiàn)象，加工后的曲面及過(guò)度圓角處光滑。將模擬仿真結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果相對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)際加工葉輪的形狀、尺寸與仿真加工葉輪的形狀、尺寸均一致，且加工精度達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求。

圖6 分流式葉輪實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)XH2420/5X五軸雙擺頭機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及各部件實(shí)際尺寸，采用CAD軟件UG8.0對(duì)各部件進(jìn)行建模，將建好的三維模型導(dǎo)入VERICUT7.0內(nèi)構(gòu)建虛擬仿真機(jī)床，并通過(guò)分流式葉輪仿真加工結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果的對(duì)比，說(shuō)明了五軸機(jī)床的仿真加工可以減少首件試切時(shí)間，大幅度提高加工效率，對(duì)我國(guó)制造也的發(fā)展具有重要意義。

[1] 鄒偉全. VERICUT軟件在多軸數(shù)控加工中的應(yīng)用[J]. 河南科技，2013(6)：108.

[2] 李鐵鋼. 基于UG和VERICUT的車銑復(fù)合加工 [J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(9)：81-83.

[3] 黨改慧， 陳玉剛， 胡高社， 等. 基于UG和VERICUT的葉輪加工仿真研究[J] . 煤礦機(jī)械，2013(4):158-159.

[4] 李芳，劉凱，王昊，等. 基于VERICUT的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控微型銑床建模和仿真 [J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013(2):114-116.

[5] 陳文濤，夏芳臣，涂海寧．基于UG&VERICUT 整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真[J]． 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)， 2012(2):102-104．

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[7] 王虎奇，張健，唐清春.(A-C)雙擺臺(tái)五軸機(jī)床刀具進(jìn)給速度的研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(8)：122-123.

(編輯 趙蓉)

Study on Modeling and Simulation of the Five-axis Double Swing Machine Tool Based VERICUT7.0

WANG Hu-qi, ZHANG Jian,TANG Qing-chun

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Technology, Liuzhou Guangxi 545006,China)

The actual size of each component is measured through the five-axis double swing machine tool XH2420/5X, According to the measurement results for each component using UG8.0 modeling, the three-dimensional model of building well will be introduced into VERICUT7.0 and combined the simulation machine tool of building with the kinematics of the machine tool ,then based on the machining simulation for the Split impeller, and finally through the split impeller actual machining verified the accuracy and usefulness of simulation, but also offered some experience for other structures of the machine tool simulation.

double swing; simulation; modeling; VERICUT7.0

1001-2265(2014)06-0012-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.004

2013-10-23

廣西教育廳資助項(xiàng)目(201203YB128)；廣西工學(xué)院博士基金(院科博11Z11)

王虎奇(1971—)，男，長(zhǎng)沙人，廣西科技大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，(E-mail)gxwhq@163.com。

TH122;TG65

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