基于VERICUT平臺的五軸微加工系統(tǒng)數(shù)控加工程序仿真

董莉彤，張向輝

（長春理工大學(xué) 吉林 長春 130000）

基于VERICUT平臺的五軸微加工系統(tǒng)數(shù)控加工程序仿真

董莉彤，張向輝

（長春理工大學(xué) 吉林 長春 130000）

為驗證由針對自主研制的五軸微加工系統(tǒng)編寫的數(shù)控加工程序后置處理模塊生成的數(shù)控加工程序的正確性，本文分析了自主研制的五軸微加工系統(tǒng)的運動結(jié)構(gòu)，得出了五軸微加工系統(tǒng)的各進給軸間的拓撲關(guān)系，通過VERICUT虛擬加工仿真平臺建立了五軸微加工系統(tǒng)的加工仿真模型。以一典型橢球面結(jié)構(gòu)的零件為例，在微加工系統(tǒng)的加工仿真模型中對其加工過程進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了數(shù)控加程序以及坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性。

五軸微加工系統(tǒng)；VERICUT；微加技術(shù)；數(shù)控加工

1 引言

隨著精密三維微小零件（特征尺寸在微米級到毫米級）在航空航天、國防工業(yè)、微電子工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及生物工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，致使制造裝備的微小化成為現(xiàn)代裝備的發(fā)展的主要方向之一。由于現(xiàn)有研制的微小型加工系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)多為基于半開放式的運動控制平臺開發(fā)的，其數(shù)控加工程序無法由通用CAM軟件通過后置處理模塊來生成，同時為預(yù)防加工過程中出現(xiàn)撞車，保護微加工系統(tǒng)的精度，對運動程序的正確性要進行驗證。

本文通過對自主搭建的五軸高速微加工系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)進行分析，得出微加工系統(tǒng)的各進給軸間的拓撲關(guān)系，在VERICUT中，建立了微加工系統(tǒng)的加工仿真模型。最后以一典型結(jié)構(gòu)的零件加工仿真為例，驗證了數(shù)控加程序以及坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性。

2 微加工系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)分析

所分析的五軸微加工系統(tǒng)實體結(jié)構(gòu)如圖1所示。微加工系統(tǒng)采用龍門式結(jié)構(gòu)，總體尺寸為：680mm×660mm×750mm，X軸和Y軸都采用直線電機直接驅(qū)動，其中Y軸采用雙直線電機驅(qū)動形式，Z軸為帶抱閘精密滾珠絲桿驅(qū)動，為保證旋轉(zhuǎn)軸有足夠的保持力矩，B、C軸為高精度諧波減速機。進給系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。加工時，工件裝夾在C軸工作臺上，可繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，刀具安裝在固定在Z軸滑臺的電主軸上，可沿X，Y，Z三方向移動，五個進給軸的聯(lián)合運動，合成刀具相對工件以傾斜姿態(tài)進行切削進給運動。

圖1 五軸微加工系統(tǒng)

表1 進給系統(tǒng)主要參數(shù)

由微加工系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)分析，可以得到微加工系統(tǒng)的各進給軸的拓撲關(guān)系，如圖2所示。

圖2 微加工系統(tǒng)各進給軸拓撲關(guān)系

3 微加工系統(tǒng)加工仿真模型建立

通過UG繪制微加工系統(tǒng)的各進給軸部件三維結(jié)構(gòu)，并通過微加工系統(tǒng)的三維裝配模型。在VERICUT中建立機床模型時，機床模型的裝配坐標系決定各進給軸間的裝配關(guān)系以及運動方向，所以為保證各進給軸運動關(guān)系的正確性，所選用的裝配坐標系基點為微加工系統(tǒng)B，C進給軸軸線的正交交點，如圖3-(a)所示。同時由于UG中裝配模型的工作坐標系與VERICUT中的機床模型裝配坐標系重合，為便于機床模型裝配，將UG中的微加工系統(tǒng)的工件坐標系原點調(diào)整到B，C進給軸軸線的正交交點如圖3(b)所示。

圖3 微加工系統(tǒng)模型裝配工作坐標系調(diào)整，(a)B、C進給軸軸線的正交交點；(b)調(diào)整后微加工系統(tǒng)模型裝配工作坐標系

然后從軟件中再導(dǎo)出各進給軸部件的“.STL”格式文件，各進給軸部件如圖4所示。圖4(1)到(8)依次為機床基體模型，Y軸模型，X模型，Z軸模型，電主軸裝配模型，B軸模型，C軸模型以及毛坯結(jié)構(gòu)圖。圖5(a)為機床組件樹圖，圖5(b)和(c)分別為微加工系統(tǒng)的機床切削模型和刀具庫模型圖。

圖4 機床切削模型各進給軸部件3維模型

圖5 VERICUT中微加工系統(tǒng)加工仿真模型

在VERICUT中為微加工系統(tǒng)加工仿真模型添加的數(shù)控系統(tǒng)由VERICUT軟件中已有數(shù)控系統(tǒng)文件修改而來，通過編制宏來實現(xiàn)原數(shù)控系統(tǒng)文件不支持的一些UMAC運動命令。為加工模型添加的刀具以及機床運動部件干涉和進給軸過行程監(jiān)測設(shè)置分別如圖6所示。

圖6 運動部件干涉監(jiān)測設(shè)置與進給軸過行程監(jiān)測設(shè)置

4 數(shù)控加工程序的仿真驗證

本文以一個典型零件為例，對自動編制的數(shù)控加工程序進行仿真驗證。所選零件的結(jié)構(gòu)及加工工藝過程如圖7所示。其中，圖7-(a)為所選零件結(jié)構(gòu)，特點為外凸的橢圓球曲面。通常根據(jù)加工精度，將整個零件的加工分為3個工序，分別為毛坯粗加工，橢球面粗加工，橢球面精加工。在整個加工過程中，毛坯粗加工和橢球面粗加工采用固定軸銑削方式進行加工，橢球面精加工采用可采用變軸銑削方式進行加工，圖7(b)中(1)、(2)和(3)分別顯示了三個加工工序的加工刀路軌跡，(4)、(5)和(6)分別是為相應(yīng)的加工效果圖。

圖7 零件結(jié)構(gòu)與加工工藝過程，(a) 零件輪廓結(jié)構(gòu)模擬圖；(b)設(shè)計加工工藝過程

加工程序通過使用MATLAB編制后置處理模塊對UG中生成的APT文件進行后置處理生成，針對上述典型橢球曲面結(jié)構(gòu)零件，結(jié)合上述的設(shè)計加工工藝過程，以毛坯粗加工、橢球面粗加工和橢球面精加工三道先后工序，通過MATLAB軟件編制的后置處理模塊顯示的刀路軌跡如圖8(a)-(c)所示。由于UMAC的指令緩存區(qū)最多可容納2000條運動控制指令，在保證UMAC運動程序緩存區(qū)沒有溢出的前提下，將橢球面粗加工程序劃分為10個程序文件，在橢球面粗加工體現(xiàn)為，粗加工后的橢球面分為多個不同顏色的層。橢球面粗加加工后，殘余加工余量主要遺留在橢球曲面的頂部，表現(xiàn)為微小的階梯型凸臺，經(jīng)可變軸銑削精加工后加工表面殘余切削用量得到明顯去除。同時在仿真過程中運動部件沒有出現(xiàn)干涉，各進給軸沒有出現(xiàn)過行程，仿真各工序加工過程及加工結(jié)果如圖8(d)-(f)所示。

圖8 橢球面加工各工序刀路軌跡(a)-(c)及對應(yīng)的加工仿真結(jié)果(d)-(f)：(a)和(d)為毛坯粗加工；(b)和(e)為橢球面粗加工；(c)和(f)為橢球面精加工

5 .結(jié)論

本文首先對自主搭建的五軸微加工系統(tǒng)的運動結(jié)構(gòu)進行了分析，得到微加工系統(tǒng)各進給軸之間的拓撲關(guān)系。根據(jù)此拓撲關(guān)系在VERICUT中建立微加工系統(tǒng)的加工仿真模型。針對橢球面結(jié)構(gòu)零件的加工仿真驗證了坐標轉(zhuǎn)換算法，以及相關(guān)數(shù)控程序自動編制程序的正確性。

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TG659 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0214-03