基于UG的整體葉輪加工編程和Vericut的五軸加工仿真_圖文

1、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(kāi)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)O m 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

2、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(xiàn)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)O t 與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)O w 重合，記交點(diǎn)O m 的位置向量記為r m (m x , m y , m z 。在刀具坐標(biāo)系中，刀具的位置和刀軸向量分別為T(mén)000T 和001。記機(jī)床平動(dòng)軸相對(duì)于初始狀態(tài)的位置為r s (X , Y , Z ，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u (i ,j , k 和r p

3、(x , y , z 。1Y X mm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：ij k 0T =T (r m R z (C R x (A T (r s -r m 0010T x y z 1T =T (r m R z (C R x (A T (r s -r m 0001T 100m x T (r 010m y m =001m z 001100X -m x T (r 010Y -m y s -r m =001Z -m z 0011.1）2.2）2.3） 2.4） 2 （ （cos C -sin C sin C cos CR z (C =000001000 （2.5） 0100 （2.6

4、） 010010cos A -sin AR x (A =0sin A cos A 000將式（2.3）到（2.6）分別代人式（2.1）、（2.2）得：i sin A sin C j -sin A cos C = k cos A 00（2.7）x m x +(X -m x cos C -(Y -m y cos A sin C +(Z -m z sin A sin C y m -(X -m sin C +(Y -m cos A cos C -(Z -m sin A cos C x y z =x （2.8）z m z +(Y -m y sin A +(Z -m z cos A 11由（2.7）和（2

5、.8）得：A =k A arccos(k , k A =1, -1 （2.9）C =arctan(i /j -k C , k C =0, 1 （2.10） X =(x -m x cos C +(y -m y sin C +m x （2.11）Y =-(x -m x cos A sin C +(y -m y cos A cos C +(z -m z sin A +m y （2.12） Z =(x -m x sin A sin C -(y -m y sin A cos C +(z -m z cos A +m z （2.13）2.2 UG Post/Builder創(chuàng)建五軸后處理使用UG NX模塊生成

6、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(chēng)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。3 圖2 UG 后處理流程創(chuàng)建五軸后處理的流程如下： (1

7、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(lèi)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(huà)框，第4軸選擇

8、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）。4 圖4 第4軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框 圖5 回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)話(huà)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。 5圖6 第5軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框（4）Rapid Move（快速運(yùn)動(dòng)）格式設(shè)置點(diǎn)開(kāi)Program & Tool Path 選項(xiàng)卡，在左

9、側(cè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)窗口中選擇Tool Path 下的Motion ，如圖7所示。 圖7 打開(kāi)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(huà)框，如圖8所示。 圖8 打開(kāi)Rapid Move設(shè)置框在Rapid Move對(duì)話(huà)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。 刀軌CLF 文件：GOTO/-20.0243,57.2574,-59.7373 GOTO/-20.1996,57.5340,-59.5972 GOTO/-20.2262,57.7

10、796,-59.3407 PAINT/COLOR,211 RAPIDGOTO/-10.4622,94.6649,-6.7182,0.0000000,0.0000000,1.0000000PAINT/COLOR,186GOHOME/0.0000,0.0000,10.0000 PAINT/SPEED,10 PAINT/TOOL,NOMORE END-OF-PATH修改Rapid Move前的G 代碼： N6150 G00 Z-61.651 N6160 X34.01 Y56.126 N6170 Z-61.407 N6180 X34.25 Y56.028 N6190 Z-61.064 N6200 X3

11、4.339 Y55.992 N6210 Z-6.718 A0.0 N6220 Y-88.836 N6230 Z10. N6240 X0.0 Y0.0 N6250 M05 M02修改Rapid Move后的G 代碼： N6150 X34.01 Y56.126 Z-61.651 N6160 X34.25 Y56.028 Z-61.407 N6170 X34.339 Y55.992 Z-61.064 N6180 G00 Y-88.836 Z-6.718 A0.0 N6190 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，

12、在數(shù)控車(chē)床上將毛坯車(chē)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(xiàn)擬定工藝路線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)如下：10 開(kāi)槽 20 去尖角 30 粗銑葉片 4

13、0 粗銑流道 50 粗銑圓臺(tái) 60 半精銑葉片 70 精銑葉片8090 100 110 120 130半精銑流道 半精銑圓臺(tái) 精銑流道 精銑圓臺(tái) 清根鉗工去毛刺3.3 主要切削用量的選擇 4 整體葉輪加工路徑編程4.1 開(kāi)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%

14、（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(kāi)，進(jìn)刀方式為圓弧相切逼近。 圖11 開(kāi)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T

15、3=90min 。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

16、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

17、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(zhuān)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

18、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(hù)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(shù)a 定義部件：Ba