基于模塊化裝配結(jié)構(gòu)的精密拉刀數(shù)控成形磨床磨削仿真研究

張勝利，洪 軍，王中勝,2，劉萬普，屈佳敏

（1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049；2. 西安飛機(jī)國際航空制造股份有限公司 數(shù)控加工中心，西安 710089；3. 陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司，寶雞 721009）

基于模塊化裝配結(jié)構(gòu)的精密拉刀數(shù)控成形磨床磨削仿真研究

張勝利1，洪 軍1，王中勝1,2，劉萬普1，屈佳敏3

（1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049；2. 西安飛機(jī)國際航空制造股份有限公司 數(shù)控加工中心，西安 710089；3. 陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司，寶雞 721009）

0 引言

在現(xiàn)代設(shè)計和制造中，虛擬仿真加工運(yùn)用越發(fā)普遍。不管是新型機(jī)床的加工驗證（如徐彥偉等的螺旋傘齒輪銑床[1]）還是對新加工方案的實驗（如Chenhua SHE等提出的五軸后處理方法[2]）都首先采用仿真方法進(jìn)行實際應(yīng)用前的驗證。較之傳統(tǒng)試切法，計算機(jī)仿真加工通過計算機(jī)軟件對加工過程和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，實時檢測加工過程中可能存在的過切、干涉、碰撞等錯誤，同時實現(xiàn)代碼的優(yōu)化。這樣可以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低風(fēng)險和成本，提高編程效率和加工質(zhì)量。

虛擬仿真加工具有其不可替代的作用，而VERICUT作為機(jī)床控制模擬系統(tǒng)的嬌嬌者，為CAD/CAM產(chǎn)品市場和用戶提供了最佳的數(shù)控機(jī)床加工仿真工具[3]。本文運(yùn)用該軟件進(jìn)行拉刀磨削的仿真驗證研究。現(xiàn)有仿真工作主要針對對象為車削和銑削，因為機(jī)床結(jié)構(gòu)特殊、磨削原理和運(yùn)動控制較復(fù)雜，磨削加工的仿真相對少且存在一定難度，因此有必要進(jìn)行拉刀磨削的仿真驗證。同時拉刀的設(shè)計精度高，工藝要求嚴(yán)格，磨削方法較復(fù)雜，制造成本相應(yīng)高，利用仿真軟件對拉刀磨床進(jìn)行仿真加工驗證為拉刀的生產(chǎn)提供了可靠保障，有其重要意義和優(yōu)勢。

1 拉刀磨床模塊劃分及特征分析

仿真實驗要求構(gòu)建的虛擬磨床不僅具有與實際機(jī)床類似的外觀，而且其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形式也要與實際機(jī)床相同。所以在虛擬機(jī)床構(gòu)建前必須先對實際機(jī)床的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特性進(jìn)行分析，本文從模塊劃分和運(yùn)動軸配置兩方面進(jìn)行。

1.1 模塊劃分

拉刀種類多樣，且各類拉刀需要磨削的部位不盡相同。為了滿足不用類型、不同加工部位以及不同尺寸規(guī)格的拉刀磨削用戶需求，在設(shè)計時對磨床進(jìn)行模塊化數(shù)字設(shè)計。首先依據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行模塊劃分，然后對劃分好的模塊進(jìn)行屬性定義形成系統(tǒng)的機(jī)床模塊庫，最后把系列化的各功能模塊進(jìn)行配置搭建出滿足需求的產(chǎn)品。這樣配置出的基于模塊化結(jié)構(gòu)的精密拉刀磨床采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原理，能夠滿足多樣化的功能、規(guī)格需求，構(gòu)建柔性、適應(yīng)性大。本磨床模塊劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 磨床模塊劃分

1.2 運(yùn)動軸配置

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)簡圖

本精密拉刀數(shù)控成形磨床的簡要結(jié)構(gòu)如圖2所示。在實際加工過程中各磨削工序功率需求跨度大，選用的砂輪直徑大小迥異。如，為了避免齒間干涉，鏟背時選用的砂輪直徑較小，而在進(jìn)行拉刀廓形磨削時，為了提高磨削效率采用的砂輪直徑較大相應(yīng)的需要主軸電機(jī)功率也大。因此設(shè)計兩個砂輪主軸以滿足各磨削工藝要求。同時，拉刀磨削過程中砂輪廓形需要進(jìn)行修整以保證精度，為了降低修整前后砂輪重復(fù)定位對精度的影響，設(shè)計兩軸向相互垂直的修整器。使用時選用砂輪轉(zhuǎn)動角度小的修整器，以達(dá)到重復(fù)定位誤差最小化的目的。這樣使得機(jī)床的軸數(shù)比較多，不僅需要X、Y、Z三個方向上的移動，還必須保證A、B、C轉(zhuǎn)軸的定位精確。同時，各砂輪修整器上須附一可控轉(zhuǎn)動軸。

在磨削拉刀過程中需要的各運(yùn)動軸聯(lián)動關(guān)系如表1所示。

表1 軸聯(lián)動配置

綜上，B軸、C軸屬于輔助調(diào)整軸，只需實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。X軸、Y軸、Z軸以及定位軸A需要保證聯(lián)動。A軸需同時具有轉(zhuǎn)動軸和定位軸的功能。

2 虛擬磨床構(gòu)建

各模塊在功能和結(jié)構(gòu)上具有一定的獨立性，根據(jù)模塊劃分原則建立虛擬磨床各功能基礎(chǔ)部件。同時，為了實現(xiàn)各系列拉刀磨床的仿真驗證，在配置機(jī)床時根據(jù)劃分模塊及幾何和運(yùn)動鏈關(guān)系進(jìn)行全功能拉刀磨床搭建。其流程如圖3所示。

圖3 虛擬機(jī)床構(gòu)建流程

在進(jìn)行機(jī)床模型導(dǎo)入時需要對實際整機(jī)CAD模型進(jìn)行必要的簡化、零件抽取、模塊劃分、布爾運(yùn)算等并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換以完成基礎(chǔ)部件的拆分重組。然后進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動學(xué)分析，研究獲得各運(yùn)動軸父子關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)建機(jī)床運(yùn)動結(jié)構(gòu)樹，如圖4所示。

圖4 虛擬機(jī)床結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建

虛擬機(jī)床結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建完成后，需要對控制系統(tǒng)中有別于通用NC編碼模塊的指令進(jìn)行配置。本機(jī)床采用SIEMENS 840D 數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配置時需要根據(jù)西門子編程手冊對NC代碼中用到的某些指令進(jìn)行聲明和定義。分別在vericut/configuration下的word format和word/address中進(jìn)行相應(yīng)操作。配置結(jié)果如圖5所示。在定義指令時，數(shù)控編碼的功能實現(xiàn)有兩種方式，一為宏指令庫的選取，另一為子程序的編制調(diào)用。兩方式各有優(yōu)缺，根據(jù)實際指令要求擇優(yōu)選用。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)指令配置

在建立砂輪庫和工件毛坯時，需特別注意砂輪在拉刀磨削過程中作為刀具使用，而在自身修整過程中則轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜＰ枰⒉煌膕etup來實現(xiàn)砂輪功能角色的變化。

通過以上各步驟建立的虛擬磨床效果如圖6所示。

圖6 虛擬磨床

3 仿真與驗證

該拉刀磨床能實現(xiàn)方拉刀、圓拉刀（包括螺旋圓拉刀）的前刃面、后角、廓形的磨削和齒背鏟磨以及砂輪的成形和修整。對各加工工序進(jìn)行仿真驗證，以保證工藝及NC加工代碼的正確性。磨床各軸擺角角度以及廓形路徑的計算和編程比較復(fù)雜，為本系統(tǒng)驗證的重點。以下對它們的驗證方案和結(jié)果做詳細(xì)介紹。

3.1 主軸擺角驗證

由圖4的機(jī)床運(yùn)動軸父子關(guān)系圖可知，C軸為B軸父項，在加工過程中C軸轉(zhuǎn)動會影響B(tài)軸的擺角。因此在處理拉刀前角、后角、齒背等需要B、C兩軸同時準(zhǔn)確定位的工序時，拉刀參數(shù)、砂輪的空間軸向以及B、C兩軸擺角三者間的計算轉(zhuǎn)換關(guān)系非常重要，直接影響加工后拉刀的相關(guān)尺寸。

以拉刀前刃面磨削為例。該加工需要獲得精確的前角、刃傾角、齒距等幾何參數(shù)以及保證各齒磨削量均勻分布[4]。磨削后的工件尺寸可以由仿真軟件下Analysis/X-Caliper中的分析模塊測得。然后把測量結(jié)果同設(shè)計值進(jìn)行比較，然后分析誤差，驗證結(jié)果。

圖7 方拉刀前刃面磨削

如圖7所示的方拉刀的設(shè)計尺寸由表2給出。令選用碟形砂輪，其外沿直徑為200mm，計算得C軸擺角為-12.26 ，B軸擺角為78.27 。刃磨前角后測得前刃面與水平面夾角為-12°，前刃面與拉刀前端面法向夾角為102°。簡單的幾何推導(dǎo)后可證得，仿真加工形成前角12°，刃傾角12°，同時測得各齒齒距、齒升量均同設(shè)計值一致。該結(jié)果證實了B、C主軸擺角計算正確。

表2 方拉刀參數(shù)

同理針對普通圓拉刀和螺旋圓拉刀前刃面磨削，給出設(shè)計參數(shù)如表3進(jìn)行仿真加工，仿真效果分別如圖8和圖9所示。

圖8 圓拉刀前刃面磨削

圖9 螺旋拉刀前刃面磨削

表3 拉刀參數(shù)表

其他涉及磨床主軸擺動的加工工序所運(yùn)用的擺角計算方法和原理相同，所以給出前角磨削的仿真即可驗證擺角計算的正確性。

3.2 復(fù)雜廓形驗證

對于復(fù)雜廓形拉刀，由于拉刀前角、齒升量、刃傾角等的存在，拉刀設(shè)計廓形同采用的砂輪廓形間存在較復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系。為了驗證加工程序所采用的轉(zhuǎn)換算法，對該部分進(jìn)行仿真驗證。

3.2.1 砂輪廓形驗證

首先進(jìn)行砂輪廓形加工仿真，如圖10所示。加工出的廓形需要同預(yù)期設(shè)計廓形進(jìn)行對比。通過Append Component/Design添加設(shè)計模塊，然后在Add Model/Create Resolve/Import DXF中導(dǎo)入理論砂輪廓形并構(gòu)建設(shè)計模型。砂輪毛坯加工完成后，使用Analysis/AUTO-DIFF把它同設(shè)計模型進(jìn)行過切和欠切檢測，并可以根據(jù)檢測報告查看詳細(xì)結(jié)果如圖 11所示。

圖10 砂輪成形

圖11 欠切過切檢測設(shè)置及報告

3.2.2 拉刀廓形驗證

進(jìn)行拉刀廓形磨削時選用設(shè)計和修正兩種廓形的砂輪進(jìn)行磨削。各砂輪廓形如圖12所示。這樣可得到修正前后拉刀廓形的對比結(jié)果，進(jìn)而驗證NC代碼和修正算法的準(zhǔn)確性。拉刀廓形磨削需要的相關(guān)參數(shù)如表4所示。并且為了突出廓形改變，取廓形路徑升角為5°。

圖12 砂輪廓形

表4 拉刀參數(shù)

廓形磨削仿真效果如圖13所示。因為只進(jìn)行廓形驗證，該仿真簡化了加工模型，忽略拉刀的一些附屬結(jié)構(gòu)。

為了得到拉刀磨削后的廓形，需要把加工后的cut stock導(dǎo)出，然后通過CAD軟件進(jìn)行路徑方向投影。投影結(jié)果如圖14所示。經(jīng)過分析可知，未經(jīng)廓形修正導(dǎo)致的拉刀最大廓形誤差為3.38mm，經(jīng)廓形修正后廓形最大誤差為0.006mm。廓形最大高度為65.86mm，則它們相對最大高度的誤差分別為：

可見NC代碼中的廓形修正計算是必要的也是精確的，砂輪廓形修正后能夠滿足加工精度要求。

圖13 廓形磨削

圖14 砂輪磨削后投影廓形

3.2.3 齒背磨削驗證

圖15 拉刀鏟背

在后角磨削或鏟背時通常會留出一定寬度的刃帶以利于切削的卷曲和排出，同時在一定程度上提高刀刃的強(qiáng)度[5]。如果直接用拉刀設(shè)計廓形對應(yīng)的砂輪進(jìn)行后角磨削或鏟背，結(jié)果如圖15所示，可以測得刃帶分布不均勻，這對拉刀使用性能影響較大。為了得到均勻的刃帶，經(jīng)過分析計算，對砂輪廓形進(jìn)行修正，修正后磨削效果如圖16所示，測知刃帶沿前刃均勻分布。說明齒背磨削采用的砂輪廓形修正算法正確，能夠保證刃帶均勻。

圖16 刃帶分布不均勻

圖17 刃帶分布均勻

4 結(jié)論

經(jīng)過以上各研究工作得到精密拉刀數(shù)控成形虛擬磨床，仿真驗證了拉刀前角、后角、廓形的磨削和鏟背以及砂輪的成形和修正過程。構(gòu)建的仿真環(huán)境能滿足仿真要求。

此外，由以上實驗方案可知，對于磨床主軸擺角及各軸運(yùn)動軌跡的正確性需要通過測量拉刀加工后的相關(guān)尺寸來進(jìn)行驗證，拉刀廓形的驗證需要對加工后的拉刀進(jìn)行投影然后對比理論廓形續(xù)而分析誤差，而對拉刀鏟背的驗證則可以通過觀測刃帶分布來判斷所采用砂輪的廓形是否合理。這些驗證方法在本文的驗證工作中起到了較好的效果。

[1]XU Yanwei,ZHANG Lianhong,WEI Wei,et al.Virtual Simulation Machining on Spiral Bevel Gear with New Type Spiral Bevel Gear Milling Machine[C]// 2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation Vol Ii.Los Alamitos:IEEE Computer Society,2009:432-435.

[2]SHE Chenhua,CHANG Chuncheng.Development of a Fiveaxis Postprocessor System with a Nutating Head [J].Journal of Materials Processing Technology,2007,187:60-64.

[3]李云龍,曹巖.數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)VERICUT[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2005:16-19.

[4]何耀雄,向華,周云飛,周濟(jì).拉刀重磨數(shù)控加工系統(tǒng)的研究[J].高技術(shù)通訊,2002(2):73-77.

[5]何林,夏文勝,等.砂輪姿態(tài)對錐度球頭立銑刀前刀面刃帶寬度的影響研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010,232(06):154-155.

[6]X Ren,B Kuhlenkotter,H Mullerb. Simulation and Verification of Belt Grinding with Industrial Robots[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2006, 46(7-8):708-716.

Grinding simulation research for precise formed broach cnc grinder based on modularized assembly structure

ZHANG Sheng-li1, HONG Jun1, WANG Zhong-sheng1,2, LIU Wan-pu1, QU Jia-min3

針對精密拉刀數(shù)控成形磨床功能結(jié)構(gòu)、尺寸規(guī)格以及工藝需求多樣的特點，在對拉刀磨床進(jìn)行模塊化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行計算機(jī)虛擬仿真實驗，以驗證數(shù)控加工代碼及磨削工藝的合理性，同時取得拉刀磨削仿真驗證方法。復(fù)雜六軸四聯(lián)動磨床磨削運(yùn)動復(fù)雜，控制要求高，通過分析其結(jié)構(gòu)特征以及運(yùn)動控制特性，構(gòu)建出能處理多種類型拉刀的前角、后角、廓形、齒背以及砂輪的成形和修整的虛擬磨床。然后通過對仿真結(jié)果的分析，包括對仿真試件加工后的幾何尺寸測量、刃帶及投影廓形的比較等，獲得加工后各拉刀參數(shù)，讓其同設(shè)計指標(biāo)比較，分析誤差來源尋找解決方法，最終完成仿真驗證實驗。仿真結(jié)果表明本文構(gòu)建的仿真環(huán)境合理，驗證方案正確，能夠滿足模塊化裝配結(jié)構(gòu)的拉刀磨床的仿真要求。

拉刀；數(shù)控磨削；仿真；驗證

張勝利（1986 -），男，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)與制造。

TH164

A

1009-0134(2011)5(上)-0001-06

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).01

2010-12-26

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項資助項目（2009ZX04001-132）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)基金資助項目（2009AA04Z147）；國家自然科學(xué)基金重點項目（50935006）