RTTTR型多軸齒輪加工復合機床虛擬樣機建模和仿真切削

朱浩洋

（南京工大數控科技有限公司，南京 211899）

0 引言

為了高效安全地應用多軸數控機床，避免碰撞干涉等非正常切削情況，往往采用虛擬樣機技術構建與真實物理樣機一致的切削運動環境，通過仿真切削過程驗證數控程序的可行性，同時校驗機床尺寸和結構參數的合理性。虛擬仿真切削軟件能夠模擬機床的結構類型、尺寸、控制系統及夾具等加工環境和運動過程，可以將后置處理好的數控代碼載入仿真環境進行仿真切削，以驗證切削過程中的欠切、過切、干涉等各類問題，應用廣泛[1-4]。

張天其等[5]建立了虛擬數控車床模型，結合VC++和Open Inventor編程對車床運動和工件切削進行了仿真，取得比較好的效果。平艷玲[6]分析了五軸數控機床后置處理算法和高速切削技術，并采用VERICUT進行了數控加工過程模擬。張飛鵬等[7]采用VERICUT軟件對五軸切削軌跡進行了優化，使切削負載更均衡，用時更短。鄧集松[8]基于VERICUT軟件建立了數控加工仿真工藝流程，研究了數控機床仿真平臺建立和程序優化方法。仲興國[9]結合UG和VERICUT軟件，開展了梅花滾筒零件的加工工藝設計和仿真切削驗證。盤有師等[10]研究了非正交五軸數控機床的后置處理算法，并通過VERICUT仿真切削軟件驗證了算法的正確性。采用虛擬樣機和仿真切削技術，能夠模擬并真實反映加工過程遇到的問題，可以避免試切工作，降低成本，并且能夠對加工工藝和程序進行優化，是極為有效的機床輔助設計和加工工藝研究工具，在具備多種齒輪加工工藝的多軸數控復合機床上進行虛擬仿真切削驗證和調試尤為重要。

因此本文通過三維建模和仿真切削軟件，對自主研發的多軸數控機床開展了結構參數控制及加工程序仿真驗證工作。齒輪是最重要的基礎傳動件，當多種齒輪加工工藝集成在同一機床上時，需要兼顧不同工藝的機床運動需求，本文以自主研發的回轉擺頭型（RTTTR）多軸數控機床為研究對象，采用SolidWorks軟件建立了該機床的零部件及裝配模型，并直接將裝配體導入到VERICUT軟件，進而構建數字孿生虛擬數控機床，無需在VERICUT軟件中進行裝配。設置數控系統、組件坐標系統、毛坯、刀具和各種齒輪加工程序等內容進行虛擬仿真切削，構建完整的工藝流程。驗證了齒輪加工數控程序和機床設計方案的正確性和可行性，為優化和調整機床設計方案提供了依據，為快速高效使用自主研發的多軸數控機床提供了安全保障，可提前判斷是否有干涉、碰撞和切削異常現象。

1 虛擬機床模型搭建

1.1 基于SolidWorks軟件的三維造型

多軸聯動齒輪復合加工機床具備成形銑齒、磨齒及滾齒等功能，所以機床構型設計為回轉擺頭型(RTTTR型)，結構如圖1所示。轉臺C軸提供齒輪的分度和工件的伺服控制旋轉功能，直接安裝在床身上，軸線豎直且與Z軸同向。擺頭A軸實現刀具的姿態調整以加工不同螺旋角齒輪，軸線水平且與X軸同向。主軸初始位置水平，與Y軸同向。3個平動軸均在刀具鏈上，從床身依次為X軸、Z軸和Y軸，擺頭旋轉軸A軸裝配在Y軸滑臺上。W軸在床身上，方向與X軸同向，用以控制金剛輪的準確定位，在X軸、Y軸和Z軸伺服控制下實現磨齒功能中的砂輪修整。伺服軸X軸、Y軸、Z軸、A軸和C軸能夠實現五軸聯動切削。

圖1 RTTTR型多軸數控機床結構

1.2 虛擬仿真樣機搭建

采用SolidWorks軟件構建機床模型，注意在SolidWorks軟件中裝配時的坐標系原點及坐標軸方向應與全局坐標系一致，在裝配體中整體另存為.STL格式的文件。打開VERICUT軟件，新建機床用戶文件，導入機床模型，VERICUT環境中機床坐標系與SolidWorks軟件中全局坐標系是關聯一致的。

根據實際串聯機床的運動鏈關系，首先構建組件坐標系統，如圖2所示。在模型組件樹中，刀具鏈依次定義為Base→X軸→Z軸→Y軸→主軸→刀具；工件鏈依次定義為Base→C軸→夾具→工件；金剛輪軸運動鏈定義為Base→X（1）軸。X軸、Y軸和Z軸的坐標系原點及方向與機床坐標系重合，坐標系原點坐標均設為（0，0，0）。A軸和C軸的坐標系原點根據實際零件的空間軸線位置確定在機床坐標系中的坐標。

軟件中有相對坐標系統坐標（機床坐標系）和相對上級組件坐標（上級組件坐標系），需加以區分。最后根據三維模型與運動軸的運動關系，將已經導入的STL格式各部件模型導入到對應的部件樹，可將對應的零部件模型剪切粘貼到對應的組件坐標系下，比如床身粘貼到Base下，立柱跟隨X軸運動，所以立柱粘貼到X軸組件坐標系下。依此類推，將所有三維模型實體配置到對應的組件坐標系下，如圖2所示。

圖2 組件坐標系統與坐標示意圖

設置CNC系統文件，配置控制庫里的Fanuc 數控系統，根據機床的控制系統功能和指令格式配置CNC系統，分別定義金剛輪主軸和刀具主軸，對準備功能和輔助功能代碼進行設置并保存。

根據工藝要求建立刀具庫，通用車刀或銑刀可直接在刀具庫內添加，定義對應的幾何參數即可，可建立刀柄和刀具切削本體，應當注意的是刀具模型坐標原點即為刀具的裝夾點，用來確定刀具刀位點距離A軸回轉中心的長度，輸入后置處理程序正確生成數控加工代碼。滾刀、成形銑刀等專用刀具可導入CAD模型文件的方式，或者添加輪廓旋轉成回轉體的方式，同樣在刀具管理器中操作。

以成形銑齒為例，盤形銑刀為回轉體，可以在銑刀模式下通過軸截面輪廓曲線回轉得到，采用二維繪圖軟件，建立盤銑刀軸截面圖形，注意齒廓為實際所需加工齒輪的齒槽輪廓，并另存為.dxf格式文件，在銑削刀具模塊中，點擊旋轉面輪廓→輸入.dxf文件，打開對應的.dxf文件，點擊輸入，結果如圖3所示，點擊添加，盤銑刀即建立完成。

圖3 盤銑刀具模型建立

裝配體導入VERIVUT的狀態即運動軸的初始狀態，同時在“機床/控制系統→機床設定”對話框中，根據實際機床的工作參數，對各軸的行程極限、碰撞檢查、軸優先權等選項進行設置，設置機床初始位置、機床零點及換刀位置等參數，完成RTTTR型多軸虛擬仿真機床的搭建。

2 加工工藝驗證

搭建好虛擬機床后，針對成形銑齒、成形磨齒、包絡銑削人字齒及五軸聯動銑削葉輪加工進行驗證。對不同工藝的加工程序進行模擬仿真，檢查數控程序的正確性、機床結構尺寸參數的合理性，以及在加工過程中刀具、工件、夾具及機床零部件之間是否會產生干涉，這對新研發的機床而言尤為重要，影響到操作安全性。

成形銑齒過程相對簡單，可采用手動編程的方式，部分加工主程序如下所示：

成形磨齒的動作過程與成形銑齒接近，重點在于修砂輪部分。對于人字齒包絡銑削及五軸聯動銑削自由曲面加工，因為刀位軌跡相對復雜且無法手動計算刀位數據，需借助第三方CAM軟件或者自主開發的專用齒輪加工CAM軟件生成刀具切削軌跡，并后置處理成與所開發的多軸數控機床運動鏈相匹配的數控加工代碼。零退刀槽人字齒的側銑加工包括粗加工、齒根加工及齒面側銑精加工三道工序。

部分仿真切削結果如圖4所示，仿真結果表明所涉及的多軸聯動數控機床，滿足多種齒輪加工及五軸聯動加工工藝需求，編寫的加工程序是正確可行的，可以進一步根據圖樣和模型試制樣機。在成形銑齒、成形磨齒等需要刀具偏轉角度的加工工藝中，需要考慮擺頭的刀軸長度，對擺動角度產生的Y軸、Z軸位移量進行補償，保證刀具的回轉中心與工件軸線上任一點連線在XY平面上的投影與X軸軸線平行。在進行包絡銑削、五軸聯動自由銑削時，需要注意刀軸的初始矢量坐標為（0，-1，0）。在五軸銑削仿真時，由于刀具的擺動范圍比較大，Z軸行程超出了范圍，需要調整對應的工裝高度。通過仿真切削可以確定不同切削工藝下的工作空間范圍，進一步輔助指導工裝夾具的設計。

圖4 仿真切削結果

3 結語

運用SolidWorks軟件按照設計目標和結構尺寸1:1的比例構建了RTTTR型多軸聯動數控機床的模型，并聯合VERICUT軟件搭建了虛擬仿真機床，進行了多種工藝的仿真切削驗證，仿真過程中無碰刀、干涉現象，表明所設計機床的各部分結構和尺寸參數較為合理，滿足企業生產質量需求，極大地縮短了產品研發周期，保證了樣機試制的成功率，降低了產品成本，具有較好的應用價值。