童勇智， 王逢濤， 金許濤， 陳浩安

（陜西柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，陜西 興平713105）

0 引 言

我公司某龍門(mén)鏜銑床主要承擔(dān)軍品機(jī)身等大型關(guān)鍵件加工任務(wù)，此類(lèi)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(diǎn)要求嚴(yán)等特點(diǎn)。公司在此類(lèi)零件的加工過(guò)程中有著零失誤、零容忍的要求。該機(jī)床價(jià)值高、加工成本高，維修費(fèi)用高，屬于公司重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備，在試制、加工過(guò)程中不允許出現(xiàn)機(jī)床附件干涉、刀具碰撞等安全、質(zhì)量問(wèn)題。提前進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)的數(shù)控仿真，可最大限度地避免各類(lèi)安全、質(zhì)量事故，優(yōu)化加工工藝、驗(yàn)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(chǔ)量數(shù)字計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程或者狀態(tài)進(jìn)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(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化模擬，采用計(jì)算機(jī)軟件的圖形可視化技術(shù)對(duì)刀具軌跡或加工過(guò)程進(jìn)行模擬，使數(shù)控編程人員能夠在計(jì)算機(jī)上完整地模擬整個(gè)零件的加工過(guò)程。

1.2 數(shù)控仿真加工的優(yōu)點(diǎn)

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

2 仿真加工應(yīng)用

在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和科研試制中，機(jī)身加工中的三大孔系屬于加工工藝的主要內(nèi)容和難點(diǎn)問(wèn)題，因此應(yīng)用數(shù)字化仿真這一先進(jìn)工藝驗(yàn)證技術(shù)對(duì)我公司某型機(jī)身的首件試制工藝進(jìn)行了數(shù)字化驗(yàn)證。利用VERICUT 軟件平臺(tái)，制作了某龍門(mén)鏜銑床的數(shù)字化機(jī)床，在數(shù)字機(jī)床上，對(duì)三大孔系進(jìn)行加工仿真測(cè)試，驗(yàn)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(jī)身缸孔孔系的仿真加工，對(duì)機(jī)床2 號(hào)附件頭的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)方案中缸孔鏜削專(zhuān)用刀具的切削情況進(jìn)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(dòng)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(wèn)題，完善了相關(guān)工藝文件，并與設(shè)計(jì)部門(mén)溝通，對(duì)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(jī)身曲軸孔系的仿真加工，對(duì)機(jī)床7 號(hào)附件頭的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)方案中曲軸孔鏜削專(zhuān)用刀具的切削情況進(jìn)行預(yù)判，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中的刀具加工過(guò)程刀具過(guò)長(zhǎng)，下刀過(guò)程附件與毛坯干涉。因此將設(shè)計(jì)方案中刀具尺寸進(jìn)行了修訂，保證附件與瓦蓋加工運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)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(dòng)作，完善修訂了相關(guān)數(shù)控程序及相關(guān)工藝文件，對(duì)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(jī)身凸輪軸孔系的仿真加工，對(duì)機(jī)床5 號(hào)附件頭的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)方案中凸輪軸孔鏜削專(zhuān)用刀具的切削情況進(jìn)行了預(yù)判。模擬完成了全部凸輪軸孔孔系的加工動(dòng)作，完善修訂了相關(guān)數(shù)控程序及相關(guān)工藝文件，對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shì)

通過(guò)數(shù)字化仿真驗(yàn)證的實(shí)際應(yīng)用可知，與傳統(tǒng)方式相比，數(shù)字化方式在經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)便性、高效性及正確性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)：1）傳統(tǒng)試加工需要測(cè)試各類(lèi)加工參數(shù)，數(shù)字化仿真測(cè)試只需更改軟件參數(shù)，即可測(cè)出最合理的加工參數(shù)。驗(yàn)證時(shí)間大大降低，技術(shù)人員也能直觀(guān)地對(duì)整個(gè)零件試加工運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行觀(guān)測(cè)。2）在零件試加工過(guò)程中，傳統(tǒng)的刀具選擇與設(shè)計(jì)需要在機(jī)床上不斷地進(jìn)行試切和調(diào)試驗(yàn)證。運(yùn)用數(shù)字化方式，可以提前對(duì)刀具做出合理性選擇，從而大大縮減工藝驗(yàn)證和產(chǎn)品研制時(shí)間。3）工藝方案是整個(gè)零件研制過(guò)程的準(zhǔn)則，所以工藝方案需要反復(fù)核實(shí)與完善。運(yùn)用數(shù)字化方式進(jìn)行工藝方案的驗(yàn)證，能有效地避免機(jī)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(yàn)證、優(yōu)化效率。

因此在大型零件研制的工藝試制過(guò)程中，采用數(shù)字化仿真加工來(lái)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，可以對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行直觀(guān)的觀(guān)察與驗(yàn)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(xiǎn)，且更具靈活性和柔性。

4 數(shù)字機(jī)床建立過(guò)程

4.1 機(jī)床與附件數(shù)字化模型建立

首先測(cè)量機(jī)床與附件尺寸數(shù)據(jù)，分析各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，研究所配備的8 個(gè)附件頭的更換運(yùn)動(dòng)方式和邏輯關(guān)系，收集某龍門(mén)鏜銑床6500AG 的相關(guān)資料，形成了建立數(shù)字機(jī)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(tái)進(jìn)行數(shù)字化仿真驗(yàn)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(jī)床結(jié)構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)床和附件模型導(dǎo)入CGTech VERICUT 軟件。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系，在VERICUT 軟件中建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸組件依附關(guān)系（如圖6）。根據(jù)機(jī)床操作系統(tǒng)Sinumerik840D，選擇軟件數(shù)控項(xiàng)sin840d。

4.3 定義機(jī)床附件及Spindle1組件

以運(yùn)動(dòng)軸U 軸承載附件模塊及Spindle 和Tool 組件（如圖7），用U 軸和機(jī)床各軸配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各附件的裝載和卸下動(dòng)作。分別定義8 個(gè)附件頭的模塊名稱(chēng)、Spindle組件和Tool 組件名稱(chēng)。附件模塊名稱(chēng)包括T1100 到T1800；Spindle 組件名稱(chēng)包括Spindle1 到Spindle8；Tool組件名稱(chēng)包括Tool_1100 到Tool_1800。

圖6 機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(jī)床附件更換指令和對(duì)應(yīng)參數(shù)

該臺(tái)機(jī)床附件更換指令分為L(zhǎng)9925 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(duì)應(yīng)于8 個(gè)附件。這些指令無(wú)法直接應(yīng)用于軟件仿真。為了實(shí)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(lèi)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(lèi)別“Registers”→變量名“9999”。

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

4）根據(jù)實(shí)際機(jī)床更換附件的運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)相應(yīng)的指令集，對(duì)應(yīng)實(shí)際機(jī)床的附件裝載、卸載指令。實(shí)現(xiàn)在軟件中附件的選擇和更換。

4.5 實(shí)例難點(diǎn)解析

4.5.1 軟件的附件選擇

軟件的附件選擇及附件補(bǔ)償值的激活是某龍門(mén)鏜銑床仿真工作中的難點(diǎn)。因此對(duì)這項(xiàng)難點(diǎn)進(jìn)行實(shí)例講解和分析。在機(jī)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(shí)，會(huì)將值“2”自動(dòng)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(huì)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(jī)床的C、X 軸的坐標(biāo)值運(yùn)動(dòng)到0 值，將Z 軸運(yùn)動(dòng)到1200，將Y 軸運(yùn)動(dòng)到-5800，將W 軸運(yùn)動(dòng)到1800，即更換附件預(yù)定位置。如圖9 所示，此時(shí)我們可以看到2 號(hào)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(yùn)動(dòng)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(huì)在“L9925”卸載附件時(shí)。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(lái)位置。此時(shí)“ATT_NO =2”，跳轉(zhuǎn)至“N5100”句。

4.5.2 附件的補(bǔ)償值激活

如圖10 所示，程序中的257 句 至 267句，是將U 軸移動(dòng)到2 號(hào)附件裝載位置，Z 軸向下以裝上2 號(hào)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(shí)我們可以看到圖中2 號(hào)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(shí)刀具不會(huì)換到附件的刀位上。激活的Spindle 組件名稱(chēng)和附件上的不一致時(shí)，模擬加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向動(dòng)作不會(huì)激活到當(dāng)前附件的主軸上。

至此2 號(hào)附件關(guān)系及組件裝載完成。其他附件的裝載也是類(lèi)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(duì)應(yīng)的附件裝載指令，進(jìn)行附件裝載。

圖10 部分程序

圖11 裝上2 號(hào)附件的T1200 模塊

如圖12 所示，執(zhí)行“L9925”進(jìn)行附件的卸載，指令中67 句到79 句，作用為運(yùn)動(dòng)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(shí)已經(jīng)賦值，依據(jù)這個(gè)數(shù)值可以將主軸上的附件放置回原來(lái)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(hào) 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(dòng)作。

圖12 部分程序

圖13 部分程序

通過(guò)上述工作，整個(gè)的機(jī)床運(yùn)行方式、邏輯關(guān)系和指令格式，已經(jīng)在軟件中實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字機(jī)床和實(shí)際機(jī)床的一致，后續(xù)再采用經(jīng)過(guò)數(shù)字機(jī)床驗(yàn)證過(guò)的加工工藝、數(shù)控程序、刀具配置等，就可直接應(yīng)用到實(shí)際機(jī)床生產(chǎn)中。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文論述了數(shù)字化仿真這項(xiàng)工藝新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并用實(shí)例講解了新產(chǎn)品研發(fā)中零件數(shù)字化仿真工藝驗(yàn)證的過(guò)程，對(duì)比了數(shù)字化方式和傳統(tǒng)方式的區(qū)別，并就實(shí)例中數(shù)字化仿真VERICUT 軟件平臺(tái)中如何實(shí)現(xiàn)多附件頭更換和補(bǔ)償?shù)碾y點(diǎn)進(jìn)行了描述和講解。通過(guò)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(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與試制提供了技術(shù)支持。通過(guò)本次建立數(shù)字機(jī)床，并對(duì)某型新產(chǎn)品機(jī)身的加工工藝進(jìn)行數(shù)字化驗(yàn)證的工作，積累了在VERICUT 軟件平臺(tái)上建立多附件大型機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基于數(shù)字化仿真的工藝驗(yàn)證方法，有了更加深入的了解。