基于UG的整體葉輪加工編程和Vericut的五軸加工仿真.doc

整體葉輪UG數(shù)控編程和Vericut加工仿真1 前言2 UG五軸后處理創(chuàng)建2.1 A-C雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)變換針對(duì)實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的AC雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立坐標(biāo)系以描述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，如圖1 所示。其中A 軸和C 軸為兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸，C軸隨A軸運(yùn)動(dòng)；Csys_W 為與工件固聯(lián)的工件坐標(biāo)系（且與C軸固聯(lián)）；Csys_T 為與刀具固聯(lián)的刀具坐標(biāo)系，其原點(diǎn)設(shè)在刀位點(diǎn)上，其坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致；Csys_A為與定軸A 固聯(lián)的坐標(biāo)系，其原點(diǎn) 為兩回轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)，其坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致。則其運(yùn)動(dòng)關(guān)系即是刀具坐標(biāo)系Csys_T相對(duì)于工件坐標(biāo)系Csys_W 的變換關(guān)系，它可進(jìn)一步分解為Csys_T相對(duì)于Csys_A的平動(dòng)和Csys_A 相對(duì)于Csys_W的轉(zhuǎn)動(dòng)。初始狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸C 的軸線平行于刀具坐標(biāo)系的Z 軸；此時(shí)，工作臺(tái)與Z 軸垂直，工件坐標(biāo)系的方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致，刀具坐標(biāo)系原點(diǎn)與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，記交點(diǎn)的位置向量記為。在刀具坐標(biāo)系中，刀具的位置和刀軸向量分別為 和。記機(jī)床平動(dòng)軸相對(duì)于初始狀態(tài)的位置為，回轉(zhuǎn)軸A 和軸C 相對(duì)于初始狀態(tài)的角度為A 和C，此時(shí)，工件坐標(biāo)系中刀軸方向和刀位向量分別為和。圖1 A-C雙轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系通過(guò)機(jī)床坐標(biāo)系變換，可得： （1.1） （2.2） （2.3） （2.4） （2.5） （2.6）將式（2.3）到（2.6）分別代人式（2.1）、（2.2）得： （2.7）（2.8）由（2.7）和（2.8）得： （2.9） （2.10） （2.11） （2.12） （2.13）2.2 UG Post/Builder創(chuàng)建五軸后處理使用UG NX模塊生成刀軌后，其中會(huì)包含GOTO點(diǎn)和其它機(jī)床控制的指令信息。由于不同的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)對(duì)NC程序格式有著不同的要求（數(shù)控機(jī)床的控制器不同，所使用的NC程序格式也就不一樣），數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式也有所差異，故刀軌源文件不能直接被數(shù)控機(jī)床使用。因此，NX CAM中的刀軌必須經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成特定機(jī)床控制器能夠接受的NC代碼格式，這一處理過(guò)程稱為“后處理”17。首先分析實(shí)驗(yàn)室的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)，測(cè)量機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（如行程、精度等），從而用NX Post Builder創(chuàng)建符合機(jī)床控制系統(tǒng)的NC處理程序。后處理流程如圖8所示。圖2 UG后處理流程創(chuàng)建五軸后處理的流程如下：(1) 新建后處理文件運(yùn)行UG NX/Post Builder，新建五軸后處理程序，命名為HPDM_5axis.pui，機(jī)床類型選擇Mill，結(jié)構(gòu)型式選擇5-Axis with Dual Rotary Tables，點(diǎn)擊“OK”進(jìn)入后處理設(shè)置接口，如圖3所示。圖3 新建五軸后處理程序(2) 第4軸參數(shù)設(shè)置在“5-Axis Mill”下選擇“Fourth Axis”選項(xiàng)，設(shè)置“Machine Zero To 4th Axis Center”，“Axis Limits”設(shè)為090，如圖4所示。點(diǎn)擊“Configure”按鍵彈出“Rotary Axis Configure”對(duì)話框，第4軸選擇YZ平面，“Word Leader”設(shè)為“A”；第5軸選擇XY平面，“Word Leader”設(shè)為“C”，點(diǎn)擊“OK”保存設(shè)置（圖5）。圖4 第4軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框圖5 回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)話框（3）第5軸參數(shù)設(shè)置在“5-Axis Mill”下選擇“Fifth Axis”選項(xiàng)，設(shè)置“4th Axis Center To 5th Axis Center”，“Axis Limits”設(shè)為-99999.99999999.999，如圖6所示。圖6 第5軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框（4）Rapid Move（快速運(yùn)動(dòng)）格式設(shè)置點(diǎn)開Program & Tool Path選項(xiàng)卡，在左側(cè)樹形結(jié)構(gòu)窗口中選擇Tool Path下的Motion，如圖7所示。圖7 打開Motion項(xiàng)目框點(diǎn)擊右側(cè)窗口的Rapid Move節(jié)點(diǎn)，彈出Event:Rapid Move對(duì)話框，如圖8所示。圖8 打開Rapid Move設(shè)置框在Rapid Move對(duì)話框中，將Work Plane Change選框改成未選中，修改后的結(jié)果如圖9所示。圖9 修改Rapid Move格式修改前后的輸出的部分G代碼如下所示。2刀軌CLF文件：GOTO/-20.0243,57.2574,-59.7373GOTO/-20.1996,57.5340,-59.5972GOTO/-20.2262,57.7796,-59.3407PAINT/COLOR,211RAPIDGOTO/-10.4622,94.6649,-6.7182,0.0000000,0.0000000,1.0000000PAINT/COLOR,186GOHOME/0.0000,0.0000,10.0000PAINT/SPEED,10PAINT/TOOL,NOMOREEND-OF-PATH修改Rapid Move前的G代碼：N6150 G00 Z-61.651N6160 X34.01 Y56.126N6170 Z-61.407N6180 X34.25 Y56.028N6190 Z-61.064N6200 X34.339 Y55.992N6210 Z-6.718 A0.0N6220 Y-88.836N6230 Z10.N6240 X0.0 Y0.0N6250 M05 M02修改Rapid Move后的G代碼：N6150 X34.01 Y56.126 Z-61.651N6160 X34.25 Y56.028 Z-61.407N6170 X34.339 Y55.992 Z-61.064N6180 G00 Y-88.836 Z-6.718 A0.0N6190 X0.0 Y0.0 Z10.N6200 M05 M023 整體葉輪加工總體方案3.1 葉輪毛坯設(shè)計(jì)為了減小五軸銑削的加工量，在數(shù)控車床上將毛坯車削加工出葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。整體葉輪的毛坯形狀如圖10所示。圖10 整體葉輪毛坯3.2 葉輪加工工藝路線擬定工藝路線的出發(fā)點(diǎn)是使零件的幾何形狀、尺寸精度以及位置精度等技術(shù)要求能得到保證。工藝路線的擬定一般需要做兩個(gè)方面的工作：一是根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)確定加工工序和工藝內(nèi)容，依據(jù)工序的集中和分散程度來(lái)劃分工藝：二是選擇工藝基準(zhǔn)，即主要選擇定位基準(zhǔn)和檢驗(yàn)基準(zhǔn)。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為批量生產(chǎn)的條件下，盡量采用工序集中的原則，通過(guò)減少工件安裝的次數(shù)來(lái)提高生產(chǎn)率。除此之外，還應(yīng)盡量考慮經(jīng)濟(jì)精度以便使生產(chǎn)成本盡量下降。根據(jù)以上原則，擬定的工藝路線如下：10 開槽20 去尖角30 粗銑葉片40 粗銑流道50 粗銑圓臺(tái)60 半精銑葉片70 精銑葉片80 半精銑流道90 半精銑圓臺(tái)100 精銑流道110 精銑圓臺(tái)120 清根130 鉗工去毛刺3.3 主要切削用量的選擇切削用量的選擇如表所示。 工序參數(shù)粗銑半精銑精銑主軸轉(zhuǎn)速（r/min）170021002100銑削深度（mm）20.20.1最終余量（mm）0.30.10進(jìn)給速度（mm/min）3006006004 整體葉輪加工路徑編程4.1 開槽采用帶錐倒角的平頭銑刀（6mm）。采用可變軸曲面輪廓銑（Variable Contour），刀軸控制方式采用相對(duì)于驅(qū)動(dòng)（Normal to Drive）。程序的參數(shù)設(shè)置如下：a) 驅(qū)動(dòng)方法采用曲面區(qū)域（Surface Area）；b) 驅(qū)動(dòng)幾何選用流道曲面，如圖11所示；c) 刀軸控制方式采用相對(duì)于驅(qū)動(dòng)，前置角為0，側(cè)傾角為15；d) 切削區(qū)域中曲面%（Surface%）的初始步長(zhǎng)和終止步長(zhǎng)分別設(shè)為15、90，最初的終點(diǎn)和最后的終點(diǎn)都設(shè)為95；e) 步數(shù)設(shè)為20，公差設(shè)為0.1；f) 設(shè)置Stock余量30mm，每層切深2mm，最終余量0.3mm；g) 非切削運(yùn)動(dòng)分離選擇間隙，安全平面為工件上表面向上偏移10mm，退刀方式為手工圓弧相切離開，進(jìn)刀方式為圓弧相切逼近。圖11 開槽刀軌4.2 粗精銑葉片采用帶錐倒角的平頭銑刀（6mm），曲面驅(qū)動(dòng)方式，刀軸控制方式采用側(cè)刃驅(qū)動(dòng)，側(cè)傾角設(shè)為30。工藝參數(shù)如下：進(jìn)給速度f(wàn)=300mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=1700r/min，切削深度t=2mm，余量為0.5mm。所需加工時(shí)間min。曲面驅(qū)動(dòng)方式，刀軸控制方式采用相對(duì)于，前置角設(shè)為0，側(cè)傾角設(shè)為-60。采用硬質(zhì)合金球頭銑刀（6mm），工藝參數(shù)如下：進(jìn)給速度f(wàn)=600mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=2100r/min，半精銑余量為0.1mm，精銑余量為0mm。a) 驅(qū)動(dòng)方法采用曲面區(qū)域（Surface Area）；b) 驅(qū)動(dòng)幾何依次選取壓力面、圓角面和吸力面；c) 刀軸控制方式采用側(cè)刃驅(qū)動(dòng)，側(cè)傾角為30；d) 切削區(qū)域中曲面%（Surface%）的初始步長(zhǎng)和終止步長(zhǎng)分別設(shè)為-1、101；e) 半精銑步數(shù)設(shè)為150、公差為0.05，精銑步數(shù)為300、公差為0.05；f) 半精銑最終余量0.1mm，精銑余量為0.0mm。圖12 半精銑葉片刀軌4.3 粗精銑流道采用硬質(zhì)合金球頭銑刀（6mm），進(jìn)給速度f(wàn)=600mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=2100r/min，半精銑余量為0.1mm，精銑余量為0mm。a) 驅(qū)動(dòng)方法采用曲面區(qū)域（Surface Area）；b) 驅(qū)動(dòng)幾何依次選取流道曲面；c) 刀軸控制方式采用相對(duì)于驅(qū)動(dòng)，前置角為2，側(cè)傾角為15；d) 切削區(qū)域中曲面%（Surface%）的初始步長(zhǎng)為5；e) 半精銑步數(shù)設(shè)為150、公差為0.05，精銑步數(shù)為300、公差為0.05；f) 半精銑最終余量0.1mm，精銑余量為0.0mm。圖13 半精銑流道刀軌4.4 圓臺(tái)加工粗銑圓臺(tái)采用硬質(zhì)合金球頭銑刀（6mm），固定軸曲面輪廓銑。進(jìn)給速度f(wàn)=300mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=1700r/min，余量0.1mm。葉輪加工結(jié)果如圖14所示。圖14 葉輪加工結(jié)果5 基于Vericut的五軸加工仿真數(shù)控機(jī)床加工仿真主要解決以下問(wèn)題1：(1) 驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性，減少零件首件調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)，增加程序的可信度；(2) 模擬數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，檢查潛在的碰撞錯(cuò)誤，降低機(jī)床碰撞的風(fēng)險(xiǎn)；(3) 優(yōu)化程序，提高加工效率，延長(zhǎng)刀具壽命。VERICUT是一款專為制造業(yè)設(shè)計(jì)的CNC數(shù)控機(jī)床加工仿真軟件和優(yōu)化軟件。VERICUT取代了傳統(tǒng)的切削實(shí)驗(yàn)部件方式，通過(guò)模擬整個(gè)機(jī)床加工過(guò)程和校驗(yàn)加工程序的準(zhǔn)確性，來(lái)幫助用戶清楚編程錯(cuò)誤和改進(jìn)切削效率。VERICUT軟件由NC程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級(jí)機(jī)床特征模塊、實(shí)體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成。能進(jìn)行NC程序優(yōu)化、縮短加工時(shí)間，可檢查過(guò)切、欠切，防止機(jī)床碰撞、超行程等錯(cuò)誤。具有真實(shí)的三維實(shí)體顯示效果，切削模型可測(cè)量尺寸，并能保存模型供檢驗(yàn)、后續(xù)工序切削加工。VERICUT軟件已廣泛應(yīng)用于航空、模具制造等行業(yè)，其最大特點(diǎn)是可仿真各種CNC系統(tǒng)，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序。5.1 構(gòu)建五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床仿真平臺(tái)（1） 定義機(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹a) 定義部件：BaseXYACAtaackFixtureStockDesign。按順序添加組件及其模型，并裝配定位。b) 定義部件：BaseZSpindleTool。按順序添加組件及其模型，并裝配。 圖15 機(jī)床結(jié)構(gòu)樹圖16 五軸機(jī)床模型（2） 機(jī)床參數(shù)設(shè)置設(shè)置機(jī)床的初始位置、機(jī)床零點(diǎn)、換刀位置等參數(shù)。配置機(jī)床控制系統(tǒng)，選擇“generic.tcl”為機(jī)床五軸機(jī)床的控制文件。（3） 建立機(jī)床刀具庫(kù)打開刀具管理器，添加刀柄holder1、1號(hào)刀具和2號(hào)刀具。1號(hào)刀具由刀柄、6球頭銑刀和對(duì)刀點(diǎn)1組成，2號(hào)刀具由刀柄、4球頭銑刀和對(duì)刀點(diǎn)2組成。刀具庫(kù)如圖17所示。圖17 機(jī)床刀具庫(kù)5.2 整體葉輪加工仿真校驗(yàn)按照