基于PowerMILL五軸機(jī)床運(yùn)動仿真的探索與應(yīng)用

白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅白銀 730900

1 序言

五軸數(shù)控加工可減少工件的裝夾次數(shù)，改善加工質(zhì)量，提高加工效率。航空加工零件結(jié)構(gòu)多樣、復(fù)雜，五軸數(shù)控加工可滿足加工要求，但也給數(shù)控編程人員帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)控程序編完后，未仿真的數(shù)控程序安全性和正確性很低，直接傳輸?shù)綑C(jī)床進(jìn)行加工，會導(dǎo)致首件試切時間延長，加工效率降低。為了更有效地利用五軸機(jī)床，需要模擬機(jī)床加工過程，避免干涉。五軸數(shù)控加工仿真分為代碼前仿真和代碼后仿真。前者驗(yàn)證刀具和夾具等附件是否存在干涉，進(jìn)、退刀是否合理；后者主要是驗(yàn)證程序的正確性，同時也檢測刀具與機(jī)床夾具是否存在干涉等問題。

2 搭建五軸機(jī)床模型

五軸數(shù)控機(jī)床有3個線性軸和2個旋轉(zhuǎn)軸，常見的五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)有雙擺臺結(jié)構(gòu)、雙擺頭結(jié)構(gòu)、單擺頭+單轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)、非正交結(jié)構(gòu)、附加旋轉(zhuǎn)工作臺以及車銑復(fù)合加工中心。本文以雙擺臺結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床為例，搭建五軸機(jī)床模型。雙擺臺五軸機(jī)床坐標(biāo)軸如圖1所示，有3個線性軸X、Y、Z和2個旋轉(zhuǎn)軸A、C。建立機(jī)床模型時，根據(jù)機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)，先構(gòu)建機(jī)床組件樹（見圖2）。組件樹需要從毛坯和刀具兩方面依次找到各自對應(yīng)的運(yùn)動關(guān)系，雙擺臺五軸機(jī)床，刀具安裝在Z軸，毛坯安裝在C軸工作臺面。

圖1 五軸機(jī)床坐標(biāo)軸

圖2 五軸機(jī)床組件樹

對于雙擺臺五軸機(jī)床，從圖2可以看出，刀具依附在Z軸，Z軸依附在X軸，X軸依附在Y軸，由此得出：Y軸移動就會帶動X軸和Z軸移動，Z軸的移動僅僅帶動刀具上下移動。毛坯依附在C軸工作臺，C軸依附在A軸，旋轉(zhuǎn)A軸就會帶動C軸和毛坯旋轉(zhuǎn)，C軸的旋轉(zhuǎn)僅僅帶動毛坯旋轉(zhuǎn)。

創(chuàng)建機(jī)床三維模型，用NX軟件創(chuàng)建機(jī)床各組件三維模型。為了便于配置五軸機(jī)床，在坐標(biāo)系原點(diǎn)創(chuàng)建工作臺組件，再以工作臺為基準(zhǔn)創(chuàng)建其余組件，裝配后如圖3所示。將機(jī)床各組件輸出并轉(zhuǎn)換為.dmt文件格式。注意：機(jī)床各組件要和機(jī)床運(yùn)動控制.mtd文件放在同一個文件夾中，否則調(diào)出機(jī)床模型會出錯報警。

圖3 NX創(chuàng)建的五軸機(jī)床模型

3 配置五軸機(jī)床

創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動控制.mtd文件，1個完整的機(jī)床配置文件中有3部分，機(jī)床靜止部件、床身table運(yùn)動部件和主軸head運(yùn)動部件。機(jī)床靜止部件可以沒有，如機(jī)床底座、機(jī)床外殼、顯示器等。

根據(jù)組件樹創(chuàng)建運(yùn)動控制文件，A、C軸控制文件設(shè)定如圖4所示。其中，A軸控制文件部分內(nèi)容如下。

圖4 A、C 軸控制文件

設(shè)定線性軸控制文件如下。

4 仿真驗(yàn)證

開啟PowerMILL軟件加載機(jī)床運(yùn)動控制文件，調(diào)入已搭建的五軸機(jī)床模型，如圖5所示，在手動模式下移動機(jī)床各坐標(biāo)軸，檢查坐標(biāo)軸移動范圍和運(yùn)動方向，經(jīng)測試符合實(shí)際機(jī)床運(yùn)動要求。之后用搭建的五軸數(shù)控機(jī)床模型完成葉輪仿真加工，檢查刀具和機(jī)床夾具等附件是否存在干涉。設(shè)定機(jī)床碰撞檢測功能，如果仿真加工中有干涉和碰撞，暫停加工并顯示報警信息，根據(jù)報警信息修改加工策略，優(yōu)化加工工藝。若工作臺和主軸發(fā)生碰撞，仿真暫停在碰撞處，如圖6所示。

圖5 五軸機(jī)床模型

要解決碰撞有三種方法，一是增加工件的裝夾高度，二是增加刀具裝夾長度，三是修改加工策略，限制A軸的擺角范圍。優(yōu)先選擇限制擺角避免干涉碰撞。當(dāng)A軸的擺角＞90°時，工作臺和主軸最容易發(fā)生碰撞，一般選擇增加工件的裝夾高度解決干涉問題。工件應(yīng)安裝在工作臺的回轉(zhuǎn)中心，避免A、C軸聯(lián)動再次發(fā)生干涉。

圖6 工作臺與主軸發(fā)生碰撞

工件裝夾高度合理，才能保證工作臺和主軸之間保持一定的安全間隙。裝夾高度過低，工作臺和主軸會發(fā)生干涉；裝夾過高，加工剛性不足，易發(fā)生振動影響加工質(zhì)量。裝夾示意如圖7所示，L為工作臺半徑，L1為最小安全間隙，L2為主軸單邊距離，D為刀具半徑，U為工件裝夾偏差，&Max為A軸的最大擺角，H理論為夾具最小理論安全高度，H實(shí)際為夾具實(shí)際最小安全高度。

圖7 裝夾示意

由此可推導(dǎo)出工件裝夾高度理論計算公式如下。

實(shí)際裝夾中，夾具中心和工作臺回轉(zhuǎn)中心有偏差，為了加工安全，需要計算出實(shí)際安全高度H實(shí)際。

根據(jù)已知條件計算出工件的實(shí)際裝夾高度為121.5mm，工作臺和主軸不會發(fā)生干涉。仿真驗(yàn)證如圖8所示，將工件裝夾高度調(diào)整后，完全滿足加工要求。

圖8 仿真驗(yàn)證

5 結(jié)束語

針對PowerMILL五軸機(jī)床運(yùn)動仿真，通過搭建五軸數(shù)控機(jī)床、創(chuàng)建運(yùn)動控制文件，完成了五軸機(jī)床仿真文件，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證明通過此方法可以檢驗(yàn)五軸數(shù)控仿真刀具和夾具等附件是否存在干涉，進(jìn)、退刀是否合理等技術(shù)問題，在五軸實(shí)際應(yīng)用中有一定意義。