雙主軸車削加工中心高效應(yīng)用及研究
2018-3-5 來源：陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè) 數(shù)控工程學(xué)院 陜西建設(shè) 作者：曹旭妍 李斌
摘要:雙主軸車削加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)形式多樣,能夠一次裝夾下完成零件的所有加工工序,但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,在試件加工時(shí)往往會(huì)發(fā)生碰撞、干涉等危險(xiǎn)情況,給機(jī)床使用帶來風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)影響機(jī)床的高效應(yīng)用。 基于虛擬仿真技術(shù),以EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心為研究對(duì)象,在VERICUT 中構(gòu)建機(jī)床虛擬仿真加工系統(tǒng),并進(jìn)行仿真加工。 通過仿真加工,檢驗(yàn)NC 程序的正確性,檢測(cè)加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞等情況,預(yù)知加工結(jié)果;根據(jù)仿真加工,對(duì)錯(cuò)誤的NC 進(jìn)行糾正,保證機(jī)床使用中的安全性,進(jìn)而提高該類機(jī)床的應(yīng)用效率。
關(guān)鍵詞:雙主軸車削加工中心;虛擬仿真;VERICUT
0、引言
隨著機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展,零件結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜,對(duì)加工精度的要求也越來越高。 加工過程中的多次換裝不僅使得零件的加工質(zhì)量無法得到保障,同時(shí)還因多次的工件安裝、對(duì)刀等過程大大降低了加工效率。
雙主軸車削加工中心能夠使得需要多個(gè)加工工序的工件一次裝夾下完成所有加工,不僅減少了因多次裝夾而導(dǎo)致的加工誤差,還提高了加工效率,能很好地滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)要求,尤其在航空、航天等領(lǐng)域,雙主軸車削加工中心的高效應(yīng)用具有舉足輕重的作用。 然而,由于該類機(jī)床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜多樣,在實(shí)際應(yīng)用中存在數(shù)控程序編寫及正確性檢測(cè)困難的問題,這些問題制約著車削中心的高效應(yīng)用,給企業(yè)快速生產(chǎn)帶來困難[1]。
利用虛擬仿真技術(shù),以實(shí)際機(jī)床為原型,在虛擬仿真平臺(tái)中構(gòu)建機(jī)床的仿真加工系統(tǒng),使其具有與實(shí)際機(jī)床完全一致的加工功能,對(duì)工件進(jìn)行虛擬仿真加工。 該方式能夠在不消耗生產(chǎn)資源的條件下,快速完成工件的虛擬加工,檢驗(yàn)數(shù)控程序的正確性,同時(shí)能夠?qū)庸み^程中存在的質(zhì)量問題進(jìn)行預(yù)判,為實(shí)際加工過程中機(jī)床的安全性及高效性提供可靠保障。
1 、虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建過程
虛擬仿真系統(tǒng)是將實(shí)際機(jī)床在計(jì)算機(jī)中的完全映射,具有與實(shí)際機(jī)床一致的加工功能。 該系統(tǒng)在使用過程中不消耗實(shí)際的生產(chǎn)資源,加工過程快,且能夠不斷反復(fù)的進(jìn)行加工,能很好的解決復(fù)雜零件試切過程耗時(shí)、耗力等問題,對(duì)企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)非常重要。
根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)及尺寸,在 VERICUT 中建立虛擬機(jī)床模型。 其主要過程如圖 1 所示。
2、構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)
2.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析
EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心配備一個(gè)帶有 X、Y、Z1 運(yùn)動(dòng)軸的刀塔,主軸帶有C1 旋轉(zhuǎn)軸功能,副主軸帶有 Z2、C2 兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。 如圖 2 所示,床身的工作面為高剛度 45°易排屑傾斜結(jié)構(gòu),其上裝有主軸、副主軸和沿床身滑動(dòng)的床鞍,其中主軸固定于床身,沿床身滑動(dòng)的副主軸與主軸軸向?qū)χ?伺服動(dòng)力刀架固定于沿床鞍 X 軸方向滑動(dòng)的滑板上。
圖 1 虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建過程
1. 主軸 2. 副主軸 3. 床身4. 床鞍5. 滑板6. 刀架
圖 2 雙主軸車削中心結(jié)構(gòu)
2.2 機(jī)床參數(shù)測(cè)量
雙主軸車削中心加工過程中工件換裝時(shí)機(jī)床不停機(jī),因此機(jī)床各部件的空間位置精度要求較高[2]。建立機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)時(shí),準(zhǔn)確獲取機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件參數(shù)是研究的關(guān)鍵之一。 EMCO maxxturn65雙主軸車削中心的參數(shù)獲取主要通過測(cè)量以及查詢手冊(cè)來實(shí)現(xiàn),過激光尺、卷尺、板尺等測(cè)量工具完成機(jī)床主要外形部件及空間尺寸的測(cè)量,關(guān)鍵零部件尺寸及機(jī)床極限位置等對(duì)建模精度有重要影響的尺寸參數(shù)通過查詢機(jī)床手冊(cè)或者運(yùn)行機(jī)床后在機(jī)床控制面板中讀取。
要完整的建立機(jī)床模型,所需要的機(jī)床參數(shù)主要有:主軸、副主軸、刀塔、刀具等重要部件尺寸;機(jī)床初始位置、極限位置;運(yùn)動(dòng)軸及部件間的空間位置;外形輪廓等。
2.3 機(jī)床建模
建立機(jī)床的虛擬模型,不僅需要完成各運(yùn)動(dòng)部件的三維幾何模型,還要賦予其與實(shí)際機(jī)床相一致的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 VERICUT 軟件中提供了許多運(yùn)動(dòng)軸組件,根據(jù)實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),建立其運(yùn)動(dòng)樹,將各運(yùn)動(dòng)部件的三維模型加載到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)組件下即可完成機(jī)床模型的建立[3]。 要正確建立機(jī)床的運(yùn)動(dòng)樹,首先要明確機(jī)床的運(yùn)動(dòng)連。 EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心包含兩條運(yùn)動(dòng)鏈:基座-工件;基座-刀具。
根據(jù)確定好的運(yùn)動(dòng)鏈,在 VERICUT 中依次添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)組件,完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)組件樹的創(chuàng)建,如圖 3 所示。 創(chuàng)建組件樹僅是完成了機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系的建立,
還需添加相應(yīng)的幾何模型。
由于機(jī)床機(jī)構(gòu)較復(fù)雜,各運(yùn)動(dòng)部件幾何模型在 VERICUT 中創(chuàng)建較困難,因此,在三維模型在 UG 中建立各部件幾何模型,然后將模型保存為 STL 格式文件導(dǎo)入到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)組件下即可。
圖 3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)樹
2.4 建立刀具庫(kù)
VERICUT 中提供了豐富的刀具設(shè)計(jì)樣本,根據(jù)刀具的具體特征及參數(shù),選擇所需結(jié)構(gòu)及尺寸即可生成刀柄、刀片。
刀具生成后,為保證加工的順利進(jìn)行,還需根據(jù)實(shí)際使用中將要用到的刀具特點(diǎn)及參數(shù),設(shè)置刀具的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)(對(duì)刀點(diǎn))、安裝點(diǎn)等參數(shù),如圖 4。
圖 4 雙刃刀具建立
2.5 控制系統(tǒng)配置
為了滿足用戶需求,VERICUT 系統(tǒng)庫(kù)中提供了多種不同類型的控制系統(tǒng),根據(jù)實(shí)際機(jī)床,選擇 SI-EMEND840D 系統(tǒng)。 VERICUT 系統(tǒng)庫(kù)中所提供的為通用控制系統(tǒng),而為滿足雙主軸車削中心的加工功能,生產(chǎn)廠家對(duì)其定制了一些特殊的加工代碼,因此需要對(duì)所選控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā),以保證虛擬加工系統(tǒng)與實(shí)際機(jī)床具有相同的加工功能。
2.6 機(jī)床參數(shù)設(shè)置
構(gòu)建完機(jī)床的幾何模型及相關(guān)部件后還需對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 機(jī)床參數(shù)設(shè)置的主要目的就是告知機(jī)床當(dāng)加工中出現(xiàn)錯(cuò)誤、碰撞等問題時(shí)能夠及時(shí)的進(jìn)行報(bào)警,便于技術(shù)人員查找問題所在,并進(jìn)行修正。
虛擬系統(tǒng)中機(jī)床參數(shù)主要包括了:機(jī)床行程設(shè)置、機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的初始位置設(shè)置、刀具換刀點(diǎn)的設(shè)置、碰撞檢測(cè)距離設(shè)置等,正確設(shè)置機(jī)床參數(shù),對(duì)保證仿真加工過程與實(shí)際加工的一致性至關(guān)重要。
3、仿真加工
3. 1 NC 程序生成
雙主軸車削中心加工功能強(qiáng)大,工件結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜,采用手工編程的方式很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件的NC 編寫。 在 UG 等三維軟件中建立零件的幾何模型,并利用 UG 中先進(jìn)的數(shù)控加工功能對(duì)工件進(jìn)行工藝處理,生成正確的刀位軌跡文件,但該文件不能直接被數(shù)控機(jī)床所識(shí)別,因此需對(duì)其進(jìn)行后置處理。
UG 中自帶的后置處理模塊能夠?qū)θS及以下刀位軌跡文件進(jìn)行后置處理,生成機(jī)床能夠直接識(shí)別的NC 程序, 而 對(duì) 于 三 軸 以 上 的 復(fù) 雜 文 件 則 無 能 為力[4]。 針對(duì)雙主軸車削中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用 UG 后置處理模塊開發(fā)專門的后置處理器 MAXX-POST,該后置處理器能夠?qū)ｉT對(duì)適合雙主軸車削中心的工件前置刀位軌跡文件進(jìn)行處理,
生產(chǎn)機(jī)床能直接識(shí)別的NC 程序,滿足加工需要。
3.2 虛擬仿真加工及驗(yàn)證
將 UG 中生成的 NC 程序添加到虛擬仿真系統(tǒng)中,添加毛坯、工件的模型到系統(tǒng)中,進(jìn)行 G 代碼偏置 設(shè)置( 即加工對(duì)刀) 后,進(jìn)行仿真加工,如圖5所示。 仿真加工中不僅要觀察刀具及工件的狀態(tài)是否合理,還要根據(jù)警告內(nèi)容分析存在的問題并進(jìn)行處理,確保前置工藝過程、NC 程序的正確性。
4、實(shí)際驗(yàn)證
經(jīng)過虛擬仿真加工,驗(yàn)證 NC 程序的正確性后,對(duì)加工工件進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。 將經(jīng)過虛擬仿真驗(yàn)證過的 NC 程序載入實(shí)際加工機(jī)床中,對(duì)工件進(jìn)行實(shí)際加工。 加工中刀具的走刀路徑與仿真加工一致,沒有干涉、碰撞等問題出現(xiàn),其加工結(jié)果如圖 6 所示。
圖 5 虛擬仿真加工
圖 6 實(shí)際加工驗(yàn)證
5 、總結(jié)
介紹了在 VERICUT 中建立機(jī)床虛擬仿真加工系統(tǒng)的一般方法,并以 EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心為對(duì)象,建立其虛擬仿真加工系統(tǒng)。 以一回轉(zhuǎn)體零件為加工樣件,對(duì)其進(jìn)行虛擬仿真加工,檢驗(yàn)了 NC程序的正確性,并對(duì)該樣件進(jìn)行實(shí)際加工。 結(jié)果表明,該虛擬仿真加工系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確驗(yàn)證 NC 程序的正確性,并正確預(yù)知加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞等危險(xiǎn)情況,能有效保證機(jī)床使用中的安全性及高效性。
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