UCP600虚拟机床建模及应用

UCP600虚拟机床建模及应用
摘要:介绍了虚拟机床建模方法,根据UCP600机床实际参数及VERICUT虚拟机床建模流程,对五轴机床UCP600完成建模,并应用此虚拟机床对叶轮加工数控程序进行了仿真校验,通过与实际切削加工比较两者结果一致,从而证实运用此种方法可以准确地仿真加工过程。

该方法具有良好的通用性,可以作为其它零件加工仿真的参考。

通过此种方法可以消除试切中的干涉现象,免去试切的危险,降低生产成本,缩短制造周期。

该技术在现代制造业中具有广阔的应用前景。

关键词:虚拟机床建模叶轮
随着现代制造业的发展,零件的复杂程度、精度要求越来越高,叶轮、叶片等复杂曲面体零件,由于其制造工艺复杂,只能在五轴联动数控机床上加工。

这种复杂曲面体加工是当今机械加工技术中的尖端技术,是涉及到多学科的一项综合工程技术[1]。

在实际加工中,既使很有经验的工程师也需要使用易切削的材料(如:蜡模、木模、尼龙等)来进行多次试切,通过试切检验加工程序正确与否;这样不仅造成了人力、时间、能源和材料的浪费且效率低下。

考虑到高昂的加工成本,为了提高加工成功率,引入了数控加工仿真技术。

随着计算机技术的发展,加工仿真技术有了长足的进步,数控加工可以从切削仿真做到机床仿真,不但可以模拟刀具的切削轨迹,还可以模拟机床的运动、被加工工件的切削过程等。

通过对加工仿真技术的研究可以大大的缩短叶片加工的准备时间,优化加工程序,同时起到对机床、刀具及工件的保护作
用[2]。

虚拟制造技术正是在这种背景下出现的一种新的先进制造技术。

在实际加工过程前,对加工过程进行仿真、预测,可预先发现和改进实际加工中的问题,以更完善的加工工艺投入生产[3]。

而虚拟机床技术是在20世纪90年代中后期随着虚拟制造的发展而提出的一项新技术,它为虚拟制造建立一个真实的加工环境,用于仿真和评估各加工过程对产品质量的影响,是进行数控加工仿真的基础[4]。

通过其进行模拟加工,在不消耗材料、能源,不占用机加工时间的情况下得到合理的加工程序,从而缩短产品的开发周期,提高机床设备的利用率。

本文以典型的五轴加工零件叶轮为例,通过VERICUT进行机床的建模,然后进行加工过程仿真,并通过实际加工检验了这种方法的可行性及有效性。

1 虚拟机床的建模技术
虚拟加工仿真首要问题是构建仿真平台。

对于虚拟机床建模,常用的有两种方法:一类是通过高级语言编程借助OpenGL三维图形引擎功能实现机床几何建模和运动仿真[5]。

另一类是通过CAD软件建立虚拟机床几何建模或直接利用虚拟制造软件来实现[6-7],例如VERICUT等。

在虚拟制造软件中一般均由厂家配置了常见机床的控制系统,可直接调用,这样不仅可以免去编程来建立机床的几何模型,
而且还免去用编程来设置各数控指令的含义及运动方式,所以更为方便快捷。

2 UCP600虚拟机床建模
运用VERICUT进行虚拟机床建模要将几何建模和运动学建模结合起来[8],可以概括为“5+1”。

所谓“5”,是指:
2.1 机床构建
明确机床CNC系统型号、机床结构形式和尺寸、机床各轴运动方式与行程、机床坐标系统以及所用到的毛坯、刀具和夹具等。

软件中提供了常见的机床模型可供调用,但一般来说不能满足需求。

此时用户需自己构建机床。

本文就根据UCP600实际尺寸利用UG建立了机床模型。

2.2 机床控制系统配置
VERICUT软件提供了数十种控制系统,用户可以根据实际使用的机床的系统进行选择,非常方便灵活。

UCP600机床配置的是Hei530系统,软件系统中可直接调用。

2.3 建立刀具库
根据要加工零件的工艺规程,建立各个工序所使用的刀具模型,并
设置其刀补号,组成加工该零件的刀具库。

2.4 设置机床系统参数
设置各运动轴的行程与机床的初始位置及刀具零点等。

2.5 建立加工程序
可以在软件环境下,编制加工程序;也可以导入已编制好的加工程序。

由于需要数控加工的零件一般都比较复杂,因此需要事先编制好加工程序,在这一步只需要按提示导入即可。

所谓“1”,就是进行MDI测试:
多轴加工由于其旋转轴或摆动轴的引入使得刀具运动轨迹更为复杂更易出现干涉现象,因此实现加工仿真的关键是实现五轴机床的建模与加工仿真。

MDI测试,就是模仿真实机床的操作面板,通过简单的换刀与运动指令检测机床是否正确执行指令以及干涉检查等。

本文的叶轮加工在五轴机床UCP600上进行,已经通过UG产生了各工序的加工程序,程序是否正确,就需要在仿真平台上进行加工仿真。

由机床的实际结构及运动关系知其旋转轴B应放在X轴上,而转台C应建立在B上,按照这个结构关系建立组件树。

按照机床的说明书上的相关尺寸,借助UG软件绘制机床各几何部件的CAD模型,并转存为*.STL格式文件,将建好的各部件模型导入
组件树,按在机床上的位置关系使各部件定位。

本机床的控制系统可直接在软件中选用。

配置加工所需刀具库,参考机床说明书设定各轴行程范围与初始位置,最后完成机床模型构建,结果如图1所示。

3 叶轮加工仿真实例
叶轮的制造属于典型的五轴加工零件,由于曲面复杂且相邻叶片间气流通道狭小,叶片扭曲,编程中更易出现过切、欠切等干涉现象,是制造业的难点。

本课题研究的叶轮按照工艺过程划分为轮毂外形车削加工、开槽、叶片粗加工、叶片精加工、轮毂底面的扫底加工。

用虚拟制造技术可对程序进行检验,对叶轮加工过程进行仿真与预测。

3.1 叶轮加工仿真与干涉检查
加载叶轮加工程序,分别进行叶轮各工序的加工程序仿真,如图2所示。

通过仿真可清晰看出加工中的走刀路径,能够检查出是否发生碰撞与干涉等错误,并且通过软件提供的X卡尺功能对各尺寸进行测量检验,对于叶片的加工通过AUTO-DIFF模块,将加工后的切削模型与设计模型进行比较,预先知道加工程序的精度,这样在实际加工发生之前进行修改调整,大大提高编程效率,节约成本。

通过仿真验证了程序正确,走刀轨迹按预定方式进行,可以省去用蜡模的试切加工,提高
了编程效率。

3.2 程序的优化
在数控加工中,影响零件制造精度的因素较多,其中NC程序的好坏优劣起着重要的作用。

因此,如何以更优的NC程序投入到零件生产中,也成为研究的一个重点[8]。

程序中包含的切削参数主要有主轴转速、切削进给率、切入进给率、切深及切削宽度等,这些参数是否合理对于NC程序的好坏起着决定性作用。

利用VERICUT提供的OptiPath模块可对加工程序进行优化。

首先,按照选用的刀具对叶轮材料的推荐切削参数,切削进给率的最大值和最小值及加工中空程进给率、进给率变化的最小值等在优化刀具库中进行设置,然后起动仿真进行优化;在仿真结束后VERI-CUT就会自动产生一个优化刀轨库文件,并提示是否自动复位重新仿真,从而马上生成优化的数控程序文件,得到的优化程序再进行切削仿真。

通过优化,使叶轮各工序的加工程序的切削参数更为合理,加工总时间减少了10%,显著提高了加工效率。

3.3 叶轮实际加工实验
经过仿真优化后的数控程序,通过通讯端口传入UCP600机床,经实际加工,一次加工出了合格的叶轮产品,其各步的加工尺寸与仿真加工中的结果一致,从而验证了仿真的正确性及可行性。

4 结语
对于外形复杂、精度要求高的叶轮、叶片等复杂曲面体零件,由于其制造工艺复杂,只能在五轴联动数控机床上加工。

既使很有经验的工程师也很难判断其刀路的正确性,在试切加工中极易出现撞刀、干涉现象且费时费力。

在本文利用VERICUT软件构建了UCP600虚拟机床,进行了叶轮加工各步的程序仿真与优化,对优化的加工程序通讯传入UCP600机床,经过实际加工得到了合格的叶轮曲面。

参考文献
[1] 王学惠,冯明军,刘世成.基于VERICUT的虚拟机床建模与应用,组合机床与自动化加工技术,2008,7:22-24
[2] 袁绍斌,胡章洪,吴勤.虚拟制造技术在复杂曲面五轴联动加工中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2006(2): 139.
[3] 邓维鑫,周奎,司徒渝.基于VERICUT的水轮机叶片五轴联动数控加工仿真技术研究[J].机械,2009,36(7):28-30.
[4] 牟小云.基于VERICUT的数控机床建模技术[J].现代制造技术与装备,2008,1:55-57.
[5] 王永忠.基于OpenGL虚拟机床建模与仿真.硕士学位论文
[D].西安:西北工业大学,2004.
[6] 陈波.基于UG与VERICUT的虚拟机床技术研究[D].大连:大连理工大学,2005.
[7] 杨国哲,葛研军,王宛山.虚拟机床的建模研究[J].机械设计与制造,2002(3): 53.
[8] 张冲,汪方宝,朱春临.基于VERICUT的虚拟制造技术应用[J].合肥工业大学学报,2004(1):10.。