虛擬制造在復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動(dòng)加工中的應(yīng)用

一、引言
復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)是當(dāng)今制造業(yè)中的高新技術(shù)，它是一個(gè)涉及到計(jì)算機(jī)三維造型、CAM自動(dòng)編程技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、制造工藝學(xué)、切削仿真技術(shù)等多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，因此具有較高的技術(shù)難度。但由于五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)所具有的高精度、高效率、加工適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，也使它能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜曲面的數(shù)控加工。如今，五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)已經(jīng)在發(fā)電設(shè)備制造業(yè)、飛機(jī)制造業(yè)、輪船制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程來說，由于曲面復(fù)雜，且大多為不可展開的雕塑曲面，在編程時(shí)容易產(chǎn)生不易察覺的過切等干涉現(xiàn)象。并且，在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的加工中，NC銑頭的旋轉(zhuǎn)或工件旋轉(zhuǎn)很容易發(fā)生干涉和碰撞現(xiàn)象，造成工件、刀具甚至機(jī)床的損壞。因此，在實(shí)際加工中，即使很有經(jīng)驗(yàn)的工程師也需要進(jìn)行試切，對(duì)程序進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，造成了人力、時(shí)間、能源和材料的浪費(fèi)，且效率低下。

虛擬制造系統(tǒng)VMS（VirtualManufacturing System)是實(shí)際制造系統(tǒng)在不消耗能源和資源的信息世界里的完全映射。虛擬制造是在上世紀(jì)80年代由美國率先提出的，是對(duì)真實(shí)產(chǎn)品制造的動(dòng)態(tài)模擬，是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術(shù)。

虛擬制造機(jī)床系統(tǒng)是現(xiàn)實(shí)制造機(jī)床系統(tǒng)在虛擬空間的映射，它是由虛擬的機(jī)床→刀具→夾具→工件所組成的虛擬系統(tǒng)，具備現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)的全部功能、特征和行為，能夠完成現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)同樣的虛擬生產(chǎn)任務(wù)。通過虛擬制造機(jī)床對(duì)復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工進(jìn)行仿真，能夠真實(shí)地反映制造加工過程中的過切、碰撞等干涉現(xiàn)象，為程序的修改提供了數(shù)據(jù)；能夠?qū)�加工程序進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，在不消耗材料、能源，不占用機(jī)床時(shí)間的情況下得到正確的數(shù)控加工程序。虛擬制造機(jī)床系統(tǒng)能夠提供加工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如優(yōu)化后的切削參數(shù)、總的加工時(shí)間等，通過它們可以評(píng)價(jià)加工策略的優(yōu)劣并改進(jìn)加工方案；能夠進(jìn)一步對(duì)加工程序進(jìn)行優(yōu)化，縮短切削加工過程中的空行程走刀時(shí)間和調(diào)整復(fù)雜曲面不同位置的加工進(jìn)給率。

二、虛擬制造機(jī)床系統(tǒng)

針對(duì)復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)加工存在的問題，運(yùn)用商業(yè)軟件建立虛擬制造機(jī)床系統(tǒng)，需要進(jìn)行以下的技術(shù)研究。

1. 虛擬制造機(jī)床的構(gòu)成

虛擬制造機(jī)床要能夠完全真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)實(shí)機(jī)床，無論是在機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、外型尺寸，還是運(yùn)動(dòng)功能方面都同現(xiàn)實(shí)機(jī)床一致或相似。虛擬制造機(jī)床的建立主要包括機(jī)床幾何結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和刀具庫的建立。虛擬機(jī)床要能夠真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)實(shí)機(jī)床，首先要求有同樣的機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其次機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的幾何尺寸要求同現(xiàn)實(shí)機(jī)床一致，特別是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的NC銑頭和Z軸滑枕的尺寸更需要同現(xiàn)實(shí)機(jī)床完全一致，另外，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)極限及相對(duì)關(guān)系也要同現(xiàn)實(shí)機(jī)床一致�？刂葡到y(tǒng)的建立目的是使虛擬控制系統(tǒng)具備同現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相同的功能，并且能夠?qū)�機(jī)床功能，如G代碼、M代碼等功能代碼進(jìn)行定義，并實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)床的控制功能。建立機(jī)床刀具庫主要是建立用于實(shí)際制造系統(tǒng)中相同尺寸規(guī)格的各種刀具，以真實(shí)模擬切削的過程。

2. 機(jī)床仿真及校驗(yàn)

在虛擬制造機(jī)床上添加工件毛坯、刀具和夾具，設(shè)置編程坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系，加載加工程序后，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工的仿真了。仿真能夠真實(shí)地模擬出過切、碰撞等各種現(xiàn)象，并發(fā)出警報(bào)，標(biāo)明發(fā)生該現(xiàn)象的位置。

3. 程序優(yōu)化

程序優(yōu)化首先需要針對(duì)不同的產(chǎn)品材料和刀具材料建立個(gè)性化的程序優(yōu)化庫，這個(gè)優(yōu)化庫需要通過做大量的切削試驗(yàn)來建立。在程序優(yōu)化時(shí)根據(jù)不同的加工材料和刀具，選擇優(yōu)化庫中的實(shí)例對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化后，在復(fù)雜曲面不同的加工區(qū)域自動(dòng)設(shè)置不同的切削進(jìn)給率，來保持每齒切削量和金屬去除率的恒定，從而提高加工效率。

三、虛擬制造在復(fù)雜曲面加工中的應(yīng)用實(shí)例

水輪機(jī)葉片的加工屬于大型復(fù)雜雕塑曲面的加工，其毛坯體積大，材料價(jià)格昂貴，采用虛擬制造技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行加工仿真，能夠很好的規(guī)避各種制造中的風(fēng)險(xiǎn)，提高零件加工質(zhì)量和加工效率。用虛擬制造技術(shù)對(duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行機(jī)床仿真的流程如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)葉片加工仿真流程示意圖

我們應(yīng)用VERICUT機(jī)床仿真軟件，通過它在計(jì)算機(jī)上建立虛擬制造機(jī)床，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水輪機(jī)葉片加工過程的機(jī)床仿真、程序校驗(yàn)以及程序優(yōu)化。下面以某混流式水輪機(jī)葉片的機(jī)床仿真為例介紹運(yùn)用VERICUT軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面虛擬機(jī)床制造的方法。

1.FKSA1800機(jī)床模型系統(tǒng)的建立

FKSA1800是某水輪機(jī)制造廠的一臺(tái)單臂五軸聯(lián)動(dòng)銑床，具有X、Y、Z三個(gè)直線軸和B、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。Y軸依附于Z軸，旋轉(zhuǎn)軸C軸依附于Z軸，旋轉(zhuǎn)軸B軸依附于C軸，屬于Head-Head型的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。工作臺(tái)大小為1.6m×4m，X、Y、Z軸行程分別為3m、2m、1m，C軸行程0°～＋360°，B軸行程-105°～＋105°。

通過VERICUT軟件首先建立機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后添加機(jī)床以及各運(yùn)動(dòng)軸的三維幾何實(shí)體。對(duì)于形狀復(fù)雜的幾何實(shí)體，如兩軸N C銑頭等，可通過C A D軟件造出實(shí)體模型，再通過數(shù)據(jù)接口讀入到VERICUT，并按正確的位置關(guān)系裝配。FKSA1800的控制系統(tǒng)為SIEMENS840D的系統(tǒng)，VERICUT帶有多種控制系統(tǒng)模板庫，可以挑選適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)，并根據(jù)需要，運(yùn)用VERICUT自帶的編程語言，添加適當(dāng)?shù)腉代碼和M代碼功能。加工葉片的刀具為φ100R10面銑刀、φ63立銑刀、φ6鉆頭等，在VERICUT中定義這些所需刀具。運(yùn)用VERICUT軟件建立的FKSA1800虛擬機(jī)床模型如圖2所示。

圖2 FKSA1800虛擬機(jī)床模型

2.復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床仿真、校驗(yàn)以及程序優(yōu)化

在V E R I C U T上仿真時(shí)，調(diào)入FKSA1800機(jī)床，添加毛坯、夾具，加載加工程序以及所需刀具就可以進(jìn)行加工仿真。通過機(jī)床仿真能夠真實(shí)地反映出水輪機(jī)葉片實(shí)際加工情況，能夠檢查過切、碰撞等現(xiàn)象，能夠計(jì)算加工所需時(shí)間，并且能夠通過軟件的分析功能檢查仿真加工后水輪機(jī)葉片的尺寸精度，也可以調(diào)入設(shè)計(jì)模型同仿真加工后的模型進(jìn)行比較，對(duì)采取不同加工方案和加工策略的程序進(jìn)行仿真。根據(jù)加工仿真得到的數(shù)據(jù)可以判別加工方案和加工策略的優(yōu)劣，有利于工程師對(duì)加工方案的選取。通過仿真能夠發(fā)現(xiàn)程序中存在的問題，并在實(shí)際加工發(fā)生之前進(jìn)行修改，大大提高了編程效率，節(jié)約了成本。應(yīng)用VERICUT進(jìn)行程序優(yōu)化，需要事先根據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)和加工試驗(yàn)建立適合水輪機(jī)葉片加工的程序優(yōu)化實(shí)例庫，仿真時(shí)選擇合適的程序加工優(yōu)化實(shí)例（根據(jù)刀具直徑、材料，零件材料等）對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，改變程序不同位置的進(jìn)給率以保持每齒切削量和金屬去除率的恒定。對(duì)優(yōu)化后的程序可以再進(jìn)行切削仿真以檢驗(yàn)其是否令人滿意，覺得不合適可以適當(dāng)調(diào)整參數(shù)再優(yōu)化，直到滿意為止。用VERICUT水輪機(jī)葉片進(jìn)行切削仿真和機(jī)床仿真如圖3所示。

圖3 水輪機(jī)葉片切削仿真和機(jī)床仿真

四、結(jié)束語

運(yùn)用虛擬制造技術(shù)對(duì)復(fù)雜曲面的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工進(jìn)行仿真，能夠解決在數(shù)控編程和現(xiàn)實(shí)制造中存在的很多問題，解決了對(duì)人力、時(shí)間、資源的浪費(fèi)問題，并且提高了加工效率，縮短了制造周期，在實(shí)際應(yīng)用中起到了良好的作用。