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摘要:雙主軸車削加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動形式多樣,能夠一次裝夾下完成零件的所有加工工序,但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,在試件加工時往往會發(fā)生碰撞、干涉等危險情況,給機(jī)床使用帶來風(fēng)險,同時影響機(jī)床的高效應(yīng)用。 基于虛擬仿真技術(shù),以EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心為研究對象,在VERICUT 中構(gòu)建機(jī)床虛擬仿真加工系統(tǒng),并進(jìn)行仿真加工。 通過仿真加工,檢驗(yàn)NC 程序的正確性,檢測加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞等情況,預(yù)知加工結(jié)果;根據(jù)仿真加工,對錯誤的NC 進(jìn)行糾正,保證機(jī)床使用中的安全性,進(jìn)而提高該類機(jī)床的應(yīng)用效率。
關(guān)鍵詞:雙主軸車削加工中心; 虛擬仿真; VERICUT
0、引言
隨著機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展,零件結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜,對加工精度的要求也越來越高。 加工過程中的多次換裝不僅使得零件的加工質(zhì)量無法得到保障,同時還因多次的工件安裝、對刀等過程大大降低了加工效率。
雙主軸車削加工中心能夠使得需要多個加工工序的工件一次裝夾下完成所有加工,不僅減少了因多次裝夾而導(dǎo)致的加工誤差,還提高了加工效率,能很好地滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)要求,尤其在航空、航天等領(lǐng)域,雙主軸車削加工中心的高效應(yīng)用具有舉足輕重的作用。 然而,由于該類機(jī)床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式復(fù)雜多樣,在實(shí)際應(yīng)用中存在數(shù)控程序編寫及正確性檢測困難的問題,這些問題制約著車削中心的高效應(yīng)用,給企業(yè)快速生產(chǎn)帶來困難[1]。
利用虛擬仿真技術(shù),以實(shí)際機(jī)床為原型,在虛擬仿真平臺中構(gòu)建機(jī)床的仿真加工系統(tǒng),使其具有與實(shí)際機(jī)床完全一致的加工功能,對工件進(jìn)行虛擬仿真加工。 該方式能夠在不消耗生產(chǎn)資源的條件下,快速完成工件的虛擬加工,檢驗(yàn)數(shù)控程序的正確性,同時能夠?qū)庸み^程中存在的質(zhì)量問題進(jìn)行預(yù)判,為實(shí)際加工過程中機(jī)床的安全性及高效性提供可靠保障。
1 、虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建過程
虛擬仿真系統(tǒng)是將實(shí)際機(jī)床在計算機(jī)中的完全映射,具有與實(shí)際機(jī)床一致的加工功能。 該系統(tǒng)在使用過程中不消耗實(shí)際的生產(chǎn)資源,加工過程快,且能夠不斷反復(fù)的進(jìn)行加工,能很好的解決復(fù)雜零件試切過程耗時、耗力等問題,對企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)非常重要。
根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)及尺寸,在 VERICUT 中建立虛擬機(jī)床模型。 其主要過程如圖 1 所示。
2、構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)
2.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析
EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心配備一個帶有 X、Y、Z1 運(yùn)動軸的刀塔,主軸帶有C1 旋轉(zhuǎn)軸功能,副主軸帶有 Z2、C2 兩個運(yùn)動軸。 如圖 2 所示,床身的工作面為高剛度 45°易排屑傾斜結(jié)構(gòu),其上裝有主軸、副主軸和沿床身滑動的床鞍,其中主軸固定于床身,沿床身滑動的副主軸與主軸軸向?qū)χ?伺服動力刀架固定于沿床鞍 X 軸方向滑動的滑板上。
圖 1 虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建過程
1. 主軸 2. 副主軸 3. 床身4. 床鞍5. 滑板6. 刀架
圖 2 雙主軸車削中心結(jié)構(gòu)
2.2 機(jī)床參數(shù)測量
雙主軸車削中心加工過程中工件換裝時機(jī)床不停機(jī),因此機(jī)床各部件的空間位置精度要求較高[2]。建立機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)時,準(zhǔn)確獲取機(jī)床各運(yùn)動部件參數(shù)是研究的關(guān)鍵之一。 EMCO maxxturn65雙主軸車削中心的參數(shù)獲取主要通過測量以及查詢手冊來實(shí)現(xiàn),過激光尺、卷尺、板尺等測量工具完成機(jī)床主要外形部件及空間尺寸的測量,關(guān)鍵零部件尺寸及機(jī)床極限位置等對建模精度有重要影響的尺寸參數(shù)通過查詢機(jī)床手冊或者運(yùn)行機(jī)床后在機(jī)床控制面板中讀取。
要完整的建立機(jī)床模型,所需要的機(jī)床參數(shù)主要有:主軸、副主軸、刀塔、刀具等重要部件尺寸;機(jī)床初始位置、極限位置;運(yùn)動軸及部件間的空間位置;外形輪廓等。
2.3 機(jī)床建模
建立機(jī)床的虛擬模型,不僅需要完成各運(yùn)動部件的三維幾何模型,還要賦予其與實(shí)際機(jī)床相一致的運(yùn)動關(guān)系。 VERICUT 軟件中提供了許多運(yùn)動軸組件,根據(jù)實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動結(jié)構(gòu),建立其運(yùn)動樹,將各運(yùn)動部件的三維模型加載到相應(yīng)的運(yùn)動組件下即可完成機(jī)床模型的建立[3]。 要正確建立機(jī)床的運(yùn)動樹,首先要明確機(jī)床的運(yùn)動連。 EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心包含兩條運(yùn)動鏈:基座-工件;基座-刀具。
根據(jù)確定好的運(yùn)動鏈,在 VERICUT 中依次添加相應(yīng)的運(yùn)動組件,完成機(jī)床運(yùn)動組件樹的創(chuàng)建,如圖 3 所示。 創(chuàng)建組件樹僅是完成了機(jī)床各運(yùn)動部件間運(yùn)動關(guān)系的建立,
還需添加相應(yīng)的幾何模型。
由于機(jī)床機(jī)構(gòu)較復(fù)雜,各運(yùn)動部件幾何模型在 VERICUT 中創(chuàng)建較困難,因此,在三維模型在 UG 中建立各部件幾何模型,然后將模型保存為 STL 格式文件導(dǎo)入到相應(yīng)的運(yùn)動組件下即可。
圖 3 機(jī)床運(yùn)動樹
2.4 建立刀具庫
VERICUT 中提供了豐富的刀具設(shè)計樣本,根據(jù)刀具的具體特征及參數(shù),選擇所需結(jié)構(gòu)及尺寸即可生成刀柄、刀片。
刀具生成后,為保證加工的順利進(jìn)行,還需根據(jù)實(shí)際使用中將要用到的刀具特點(diǎn)及參數(shù),設(shè)置刀具的驅(qū)動點(diǎn)(對刀點(diǎn))、安裝點(diǎn)等參數(shù),如圖 4。
圖 4 雙刃刀具建立
2.5 控制系統(tǒng)配置
為了滿足用戶需求,VERICUT 系統(tǒng)庫中提供了多種不同類型的控制系統(tǒng),根據(jù)實(shí)際機(jī)床,選擇 SI-EMEND840D 系統(tǒng)。 VERICUT 系統(tǒng)庫中所提供的為通用控制系統(tǒng),而為滿足雙主軸車削中心的加工功能,生產(chǎn)廠家對其定制了一些特殊的加工代碼,因此需要對所選控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā),以保證虛擬加工系統(tǒng)與實(shí)際機(jī)床具有相同的加工功能。
2.6 機(jī)床參數(shù)設(shè)置
構(gòu)建完機(jī)床的幾何模型及相關(guān)部件后還需對機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 機(jī)床參數(shù)設(shè)置的主要目的就是告知機(jī)床當(dāng)加工中出現(xiàn)錯誤、碰撞等問題時能夠及時的進(jìn)行報警,便于技術(shù)人員查找問題所在,并進(jìn)行修正。
虛擬系統(tǒng)中機(jī)床參數(shù)主要包括了:機(jī)床行程設(shè)置、機(jī)床各運(yùn)動軸的初始位置設(shè)置、刀具換刀點(diǎn)的設(shè)置、碰撞檢測距離設(shè)置等,正確設(shè)置機(jī)床參數(shù),對保證仿真加工過程與實(shí)際加工的一致性至關(guān)重要。
3、仿真加工
3. 1 NC 程序生成
雙主軸車削中心加工功能強(qiáng)大,工件結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜,采用手工編程的方式很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件的NC 編寫。 在 UG 等三維軟件中建立零件的幾何模型,并利用 UG 中先進(jìn)的數(shù)控加工功能對工件進(jìn)行工藝處理,生成正確的刀位軌跡文件,但該文件不能直接被數(shù)控機(jī)床所識別,因此需對其進(jìn)行后置處理。
UG 中自帶的后置處理模塊能夠?qū)θS及以下刀位軌跡文件進(jìn)行后置處理,生成機(jī)床能夠直接識別的NC 程序, 而 對 于 三 軸 以 上 的 復(fù) 雜 文 件 則 無 能 為力[4]。 針對雙主軸車削中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用 UG 后置處理模塊開發(fā)專門的后置處理器 MAXX-POST,該后置處理器能夠?qū)ｉT對適合雙主軸車削中心的工件前置刀位軌跡文件進(jìn)行處理,生產(chǎn)機(jī)床能直接識別的NC 程序,滿足加工需要。
3.2 虛擬仿真加工及驗(yàn)證
將 UG 中生成的 NC 程序添加到虛擬仿真系統(tǒng)中,添加毛坯、工件的模型到系統(tǒng)中,進(jìn)行 G 代碼偏置 設(shè)置( 即加工對刀) 后,進(jìn)行仿真加工,如圖5所示。 仿真加工中不僅要觀察刀具及工件的狀態(tài)是否合理,還要根據(jù)警告內(nèi)容分析存在的問題并進(jìn)行處理,確保前置工藝過程、NC 程序的正確性。
4、實(shí)際驗(yàn)證
經(jīng)過虛擬仿真加工,驗(yàn)證 NC 程序的正確性后,對加工工件進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。 將經(jīng)過虛擬仿真驗(yàn)證過的 NC 程序加載實(shí)際加工機(jī)床中,對工件進(jìn)行實(shí)際加工。 加工中刀具的走刀路徑與仿真加工一致,沒有干涉、碰撞等問題出現(xiàn),其加工結(jié)果如圖 6 所示。
圖 5 虛擬仿真加工
圖 6 實(shí)際加工驗(yàn)證
5 、總結(jié)
介紹了在 VERICUT 中建立機(jī)床虛擬仿真加工系統(tǒng)的一般方法,并以 EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心為對象,建立其虛擬仿真加工系統(tǒng)。 以一回轉(zhuǎn)體零件為加工樣件,對其進(jìn)行虛擬仿真加工,檢驗(yàn)了 NC程序的正確性,并對該樣件進(jìn)行實(shí)際加工。 結(jié)果表明,該虛擬仿真加工系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確驗(yàn)證 NC 程序的正確性,并正確預(yù)知加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞等危險情況,能有效保證機(jī)床使用中的安全性及高效性。
來源：陜西國防工業(yè)職業(yè) 數(shù)控工程學(xué)院 陜西建設(shè) 作者：曹旭妍 李斌
