基于vericu的五軸車銑中心仿真設(shè)計

基于vericu的五軸車銑中心仿真設(shè)計

0虛擬仿真技術(shù)隨著計算機(jī)圖形學(xué)的日益成熟以及基于虛擬模擬系統(tǒng)的數(shù)字設(shè)計制造技術(shù)的出現(xiàn)，國內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)都將虛擬模擬技術(shù)引入到復(fù)雜零件的加工中。本文在合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院董玉德教授的悉心指導(dǎo)下,利用UG和VERICUT軟件,以WFLM35型5軸車銑中心,初步嘗試建立車銑中心的數(shù)字化模型,利用數(shù)字化制造加工仿真技術(shù),建立起完整的零件生產(chǎn)制造流程。1建模工作的工作本文利用UG10.0完成車銑中心的建模工作。在建模的整個過程中,將機(jī)床劃分為以下幾大模塊分別完成,然后利用UG的虛擬裝配技術(shù)將機(jī)床完整構(gòu)造起來2機(jī)械零件加工2.1立好相互關(guān)系本文將遵循三維建模環(huán)節(jié)的思路,將機(jī)床按照前述劃分的部件依次導(dǎo)入到仿真系統(tǒng),并建立好相互關(guān)系。要建立的部件有:Base部件、Z1線性軸部件、X1線性軸部件、Y1線性軸部件、B1旋轉(zhuǎn)軸部件、ToolSpindleS3刀具軸部件、C1旋轉(zhuǎn)軸部件、MainSpindleS1車削軸部件、卡盤部件、中心架部件、尾座部件1基礎(chǔ)組件將UG模型中的基礎(chǔ)床身部件以STL文件格式導(dǎo)出,以模型的方式添加到組件樹的Base結(jié)點下面,即完成基礎(chǔ)床身部件的添加(圖2)。2z1線性軸的安排由于Z1線性軸是相對于基礎(chǔ)床身而運動的,從運動依賴關(guān)系上考慮,Z1線性軸從屬于Base部件。所以在項目樹的層次安排上,Z1線性軸應(yīng)放在Base結(jié)點下方。在Base結(jié)點下添加一個“Z線性軸”組件,重命名為Z1。在Z1組件下添加相關(guān)模型文件。模擬添加完畢后,將Z1線性軸的快進(jìn)定位速度設(shè)置為15000mm/min,最大進(jìn)給速度設(shè)置為12000mm/min。并且將此部件沿Z向移動-155mm,以便回到Z軸零點位置。過程見圖33y1軸模型假設(shè)在M35型車銑中心機(jī)床的真實構(gòu)造中,X1軸是安裝在Z1軸上的,Y1軸是安裝在X1軸上的。從運動關(guān)系上分析,Y1軸的運動依賴于X1軸,而X1軸的運動依賴于Z1軸。因此,在項目樹的層次上,X1結(jié)點在Z1結(jié)點下面,Y1結(jié)點在X1結(jié)點下面。弄清楚層次關(guān)系后,在相關(guān)結(jié)點下添加對應(yīng)的模型文件以完成各部件的裝配。其建模結(jié)果見圖4。4設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心將Z1、X1、Y1線性軸添加完畢后,就開始進(jìn)行B1旋轉(zhuǎn)軸的裝配工作。旋轉(zhuǎn)軸與直線軸不同,除了有安裝位置外,還需要設(shè)置該旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心。由于組件在建模時,會自動的將自身的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置在建模坐標(biāo)系的原點。因此,我們需要修改B1軸的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)。從項目樹的邏輯層次上分析,B1旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點是在Y1線性軸下方,因此B1軸的旋轉(zhuǎn)中心就是Y1軸上的特定點。首先在Y1線性軸結(jié)點下方添加一個B1旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點,并添加相應(yīng)的模型文件。其旋轉(zhuǎn)軸部件建模結(jié)果見圖55基于旋轉(zhuǎn)軸的定向分度設(shè)計WFLM355軸車銑中心的銑主軸系統(tǒng)具有車鏜銑功能,即TDM單元。利用這種主軸系統(tǒng),可以使用多任務(wù)刀具進(jìn)行加工。這就要求銑主軸具有定向、分度的功能。為了使仿真機(jī)床最大限度地接近真實機(jī)床,本文采用了以下方案。首先,在已經(jīng)建立好的B1旋轉(zhuǎn)軸下方添加一個用于主軸定向的旋轉(zhuǎn)軸。具體操作是在B1結(jié)點下方添加A軸,重命名為Toolorient,并將此旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心改為Z軸。其次,在建立好的Toolorient軸下方添加主軸組件,命名為ToolSpindleS3,并添加相應(yīng)的模型文件。我們可以針對A軸進(jìn)行編程,如此銑主軸系統(tǒng)就完成定向、分度動作。最后,在ToolSpindleS3結(jié)點下方添加刀具組件,并將刀具組件在Z向移動-250mm,完成部件的定位。其結(jié)果見圖6。6tablech組件在真實機(jī)床中,車主軸系統(tǒng)是直接裝配到基礎(chǔ)床身部件上。從項目樹邏輯層次上,C1旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)該位于Base結(jié)點下方,與Z1線性軸處于同一層次上。因此,應(yīng)在Base結(jié)點下方添加C旋轉(zhuǎn)軸,重命名為C1,設(shè)置好參數(shù):快速定位速度9000mm/min,最大進(jìn)給速度9000mm/min。再在已經(jīng)建立好的C1旋轉(zhuǎn)軸下方添加主軸組件,完成MainspindleS1車削軸的建立。最后將Base結(jié)點下方的Attach組件移動到MainspindleS1車削軸的下方。所謂Attach組件,即附屬組件,它主要包含了數(shù)控加工仿真過程中的夾具組件、毛坯組件和設(shè)計組件。當(dāng)機(jī)床的仿真系統(tǒng)建立好之后,這三個組件是最為常用的。7建立卡無表現(xiàn)的卡爪在M35型車銑中心上,其三爪卡盤具有自動夾緊功能。我們在VERICUT里必須精確建立三爪卡盤的仿真模型。所謂精確建立,就是利用項目樹的邏輯層次關(guān)系將三爪卡盤的各個零部件的相對運動關(guān)系表示出來。因為卡盤是屬于夾具種類,所以卡盤組件必須放在Fixture組件下面。在Fixture組件下方添加Chuck組件,并添加相應(yīng)的模型文件:Main_spindle1.sor,完成卡盤基座的建立;添加端面卡盤模型Main_spindle2.swp,并從Z向移動110mm,繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。將建立好的Main_spindle2.swp模型拷貝兩份,分別繞Z軸旋轉(zhuǎn)150°、30°此時,將Stock結(jié)點移動到Chuck結(jié)點下,以便形成正確的部件運動關(guān)系。接下來進(jìn)入卡盤系統(tǒng)建立的第二階段———建立三個卡爪。由于我們要求此三個卡爪具有自動夾緊功能。因此在添加模型文件之前,需要添加一個線性移動組件,來完成卡爪的自動夾緊。在Fixture組件下添加V線性軸組件,并重命名為Jaw_1,將其組件的運動軸改為X軸。再在Jaw_1組件下添加Base_Jaw組件,再此組件下添加Main_spindle3.swp,并從Z向移動110mm,繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°,以便完成卡爪基座初始位置。添加Main_spindle4.swp,并從Z向移動139mm,繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。添加Main_spindle5.swp,并從Z向移動139mm,繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°,最終完成卡爪基座的建立。三爪卡盤中的卡爪基座部件建模結(jié)果見圖7。在完成卡爪基座基礎(chǔ)上,開始添加軟爪。在Base_Jaw結(jié)點下添加一個Soft_Jaw組件,X向移動-40mm,繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°。在此組件下添加模型文件Main_spindle6.swp,X向移動-40mm,Z向移動139mm,繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°。添加模型Main_spindle7.swp,將坐標(biāo)移動到(-10-15147.3),且繞X軸旋轉(zhuǎn)-90°,繞Y軸旋轉(zhuǎn)-90°,完成模型重定位。最后添加模型Main_spindle8.swp,X向移動-10mm,Z向移動147.3mm,且繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。到此第一個卡爪添加完成。將組件Jaw_1拷貝兩份,分別重命名為Jaw_2、Jaw_3,并將這三個卡爪系統(tǒng)都放在Fixture組件下。將復(fù)制的兩個卡爪系統(tǒng)分別繞Z軸旋轉(zhuǎn)120°、-120°,最終完成三爪卡盤仿真系統(tǒng)的建立(圖8)。8添加線性軸組件在真實機(jī)床中,M35的中心架系統(tǒng)和三爪卡盤類似,具有自動夾緊工件的功能,要么通過數(shù)控系統(tǒng)面板發(fā)出命令,利用液壓夾緊;要么通過NC程序控制中心架自動夾緊工件。在中心架仿真系統(tǒng)的建立過程中,要實現(xiàn)上述功能。因為中心架系統(tǒng)是直接安裝在基礎(chǔ)床身部件上的,所以在項目樹的結(jié)構(gòu)中,此部件與C1旋轉(zhuǎn)軸、Z1線性軸處于同一層級。在Base結(jié)點的下方添加Z線性軸,重命名為Steadyrests。在此組件下添加相關(guān)模型,以便完成中心架基礎(chǔ)部件的建立。在Steadyrests組件下添加X線性軸組件,重命名為Steadyrests_x。在此組件下添加模型Steady_rests_6.stl。接著在Steadyrests組件下添加C旋轉(zhuǎn)軸,重命名為Steadyrests_c1,并將組件X向移動-92mm,Y相移動85mm。在此組件下添加模型Steady_rests_5.stl,并X向移動92mm,Y向移動-85mm,重新定位該模型。最后在Steadyrests組件下添加C2旋轉(zhuǎn)軸,重命名為Steadyrests_c2,并X向移動-92mm,Y向移動-85mm,設(shè)置好其旋轉(zhuǎn)中心。在此組件下添加模型文件Steady_rests_4.stl,X向移動92mm,Y向移動85mm,以便重新定位模型。到此,中心架仿真系統(tǒng)建立完成(圖9)。9添加z線性軸建立尾座系統(tǒng)的仿真模型是最后一步。該系統(tǒng)的建立比較簡單。在Base結(jié)點下添加一個Z線性軸,重命名為Tailstock。在此組件下添加模型文件即可。仿真系統(tǒng)的硬件模型見圖10。2.2在行為中的使用WFLM355軸車銑中心是在SINUMMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。因此,這些改進(jìn)后的新編程指令都要在VERICUT中被實現(xiàn)出來。這些指令主要包括以下幾大類:用于主軸旋轉(zhuǎn)的指令、用于控制卡盤的指令、用于控制中心架的指令、用于刀具和工件的角度位移指令、用于五軸聯(lián)動的控制指令、用于選擇加工方式的編程指令、用于在回轉(zhuǎn)零件端面進(jìn)行加工的編程指令、用于固定循環(huán)的編程指令、用于刀具坐標(biāo)系的編程指令等等。由于該部分篇幅過大,就不在此處一一贅述了。2.3機(jī)庫的參數(shù)設(shè)置在完成了機(jī)床的硬件仿真系統(tǒng)和軟件仿真系統(tǒng)的建立之后,還要進(jìn)行機(jī)床的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。主要包括干涉檢查設(shè)置、初始化位置設(shè)置等(1)干涉檢查設(shè)置在VERICUT中利用機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工程序的仿真驗證,最為重要的就是要檢查刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)是否發(fā)生碰撞,稱之為干涉檢查設(shè)置(圖11)。(2)真系統(tǒng)的設(shè)置數(shù)控機(jī)床具有機(jī)床原點、機(jī)床參考點、各軸的初始位置等各種初始化參數(shù)。在使用仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真前,需要做出正確的設(shè)置。X軸的零點在車主軸的軸線上,Z軸的零點在車主軸的卡盤后端面上,Y軸的零點在銑主軸的X軸平臺的表面上,最重要的是B1軸,它的零點軸線是與Z軸平行且出于轉(zhuǎn)動的最左端面上,其設(shè)置結(jié)果見圖123基于測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)控加工模擬曲軸是各種發(fā)動機(jī)中的核心零部件,屬于典型的傳動機(jī)構(gòu),也是使用車銑中心進(jìn)行加工的典型產(chǎn)品。其“一次裝夾,完全加工”的工藝?yán)砟?最大限度地減少了曲軸的裝夾次數(shù),大大提高了曲軸的形位公差。這也是本文要以曲軸零件的加工來驗證車銑中心仿真系統(tǒng)的意義所在。零件見圖13。VERICUT軟件可以對零件的數(shù)控加工程序進(jìn)行全過程的監(jiān)控。在數(shù)控加工執(zhí)行前,可以對數(shù)控程序進(jìn)行預(yù)覽,包括查看數(shù)控代碼的狀況、刀具軌跡,還可以提前分析刀具的干涉情況,并輸出報警信息。數(shù)控代碼的顯示窗口可以動態(tài)的指示出目前加工到哪一段。在加工仿真的任何時刻,我們可以隨時暫停加工,查看當(dāng)前程序。在加工結(jié)束后,仿真系統(tǒng)還具有數(shù)控加工程序復(fù)查功能。除此之外,仿真系統(tǒng)