基于VERICUT仿真的磨桿結構優化

榮林森 朱祥龍 董志剛 康仁科 潘 蕊

（①大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024；②北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

錐罩位于某型號導彈的頭部，對其內部的天線裝置起到一定的保護作用，既要防止飛行過程中產生的高溫、高壓環境破壞天線的完整性，還要保證電磁信號能夠透過天線罩后不失真，從而使得天線能夠接收到準確的電磁信息[1]。在錐罩制造過程中。為解決由于幾何誤差和材料分布不均導致的電厚度誤差問題，要根據已有電厚度數據，對錐罩內廓曲面進行逐點可控精密磨削。目前工作現場采用的磨削設備，其磨削工作原理如圖1所示，設備整體為臥式結構，采用中心架與尾座裝置將錐罩定位、裝夾于設備上，通過在磨桿前端安裝高速電主軸和砂輪，采用高速磨削的方式對錐罩進行材料去除。

圖1 錐罩磨削原理圖

對錐罩進行逐點可控精密磨削的技術難點在于，錐罩內腔屬于非回轉體復雜曲面，兼具曲面加工和深孔加工的難點。其結構的特殊性，對磨桿結構提出了更高的要求：一方面，為降低由于重力、切削力導致的形變，保證加工精度，磨桿應具有良好的剛度；另一方面，為避免加工過程中發生碰撞、干涉問題，磨桿尺寸不能太大。因此，應當通過仿真手段尋找磨桿不與機床、工件碰撞的幾何尺寸的臨界值，從而在不碰撞的情況下，選擇剛度盡可能高的結構。

在磨桿設計的過程中，引入VERICUT軟件加工仿真的方法，通過模擬真實的磨削流程，來檢驗磨削過程中磨桿與機床、工件是否存在碰撞，從而通過確定的仿真數據，為磨桿結構的優化設計提供依據[2]。

1 磨桿優化流程與仿真程序生成

1.1 磨桿結構優化背景與路線

待修磨工件為非回轉體復雜曲面的異形錐罩，如圖2所示，其待修磨區域為距離大端面200 mm和距離內腔小端面100 mm的截面之間的部分。

圖2 待修磨工件

為減少磨削過程中的換刀次數，提高磨削效率與精度，需要設計能對整個內腔待磨削區域進行無碰撞的磨削的磨桿，初步設計出磨桿外觀如圖3所示。

圖3 初步設計的磨桿結構

錐罩內廓面形狀復雜的特點，決定了經驗設計法設計出的磨桿，難以保證其在修磨過程中不與工件發生碰撞；而試制、試加工的則耗費大量時間、成本。因此在設計過程中引入了VERICUT加工仿真方法，目的是以加工仿真的結果作為參考，在磨桿設計階段不斷優化磨桿結構，找到磨桿結構不干涉與高剛度的最優解。進行磨桿優化設計的技術路線如圖4所示。

圖4 磨桿結構優化技術路線

1.2 加工軌跡規劃

錐罩仿真過程所需的加工代碼通過CATIA軟件來生成。CATIA軟件在飛機、汽車和輪船等設計領域享有很高的聲譽，其擁有強大的曲面設計與加工功能，能夠高效地針對錐罩這種復雜曲面進行加工規劃，獲得規整、準確的刀具軌跡。本文采用V5-R21版本的CATIA軟件來進行加工刀軌的計算生成[3]。

在加工模塊下選用等參數線加工模式，需要進行設置的內容有：

（1）選擇需要磨削的區域。

（2）在刀具管理器中編輯磨削砂輪的外形尺寸，設置好刀具。

為了確保制修訂的標準技術先進、切合實際，首先要搞好標準草案的調研工作，分析目前行業標準存在的問題，然后根據調研結果制訂切實可行的行業標準。標準既要使指標制定完善合理并反映現場實際應用效果，同時還應當避免同類標準的重復制訂，這就要求標準制訂人員既要有標準制訂方面的知識又要具有鉆井液方面的知識及現場施工經驗，因此就需要加大對標準制訂人員的技術培訓力度，以保證鉆井液標準的技術指標及試驗方法先進、科學、規范合理、可操作性強。

（3）根據磨削需求、錐罩內腔型面特點，設置走刀方式為截面式。

（4）選擇合適的步進距離。

（5）合理設置進退刀路線，避免進退刀時誤切工件。

將所有內容設置完畢，通過“預覽”按鈕，即可顯示軟件自動計算出的刀具軌跡結果。以錐罩內廓下表面區域為例，完成全部設置后生成的刀具軌跡如圖5所示。

圖5 CATIA加工模塊生成的刀具軌跡

1.3 刀軌文件的后置處理

CATIA生成的刀軌文件中，記錄的信息為刀具軌跡上的控制點的空間坐標X、Y、Z以及刀具位于該點時的空間位姿I、J、K，而機床控制系統只能使用G代碼語言。因此，在將刀軌文件應用到機床的加工仿真過程之前，還需要將刀軌文件的格式轉化為機床可以識別的G代碼形式，這個轉換的過程稱為“后置處理”[4]。

該機床為X、Y、Z和C四軸聯動設備。首先分析后置處理器的任務。加工軌跡規劃時，所有運動軸的自由度均放在刀具上；而實際的機床工作時，Z、C自由度則放在工件上。軌跡規劃所基于的原始編程坐標系原點位于錐罩軸線與大端面的交點處，且固結于錐罩；而實際工件坐標系的定義方式為：當磨削砂輪的球頭端點位于原始編程坐標系零點時，球頭端點即為工件坐標系原點，且坐標系固結于機床。

坐標系的變換有平移變換和旋轉變換，在X軸方向移動x，在Y軸方向移動y，在Z軸方向移動z的平移變換的變換矩陣為

坐標系繞X、Y、Z軸旋轉變換的變換矩陣分別為

刀軌文件中保存的刀位點坐標（X0、Y0、Z0）與實際需要的G代碼中的坐標（X、Y、Z）存在一次平移變換以及一次旋轉變換，其變換矩陣為

其中：R(θ)、A分別為旋轉變換和平移變換的轉換矩陣，有

整理后可得各個坐標轉換公式為

其中：θ為C軸回轉角度，可由以下公式計算得出

式中：I、J為刀具矢量在X、Y軸上的投影長度。

2 建立仿真環境

2.1 機床運動模型構建

使用VERICUT軟件進行仿真分析，首先需要根據已有的機床三維模型在VERICUT中重新建立機床仿真環境。機床為四軸聯動測量、修磨一體設備，在構建仿真環境時，需要將機床各部分按照X、Y、Z和C等不同運動軸劃分為單獨的子裝配體，并分別導出。隨后在VERICUT項目樹下，分別將從屬于X、Y、Z和C軸的子裝配體，導入至X、Y、Z和C軸模塊下，建立仿真的機床結構[5?6]。

在此過程中應注意正確配置虛擬機床各部分的運動邏輯關系。例如Y軸模塊作為獨立的運動軸，同時也從屬于X軸模塊，是X軸模塊的一部分。因此在配置Y軸模塊時，應將其放入X軸模塊分支下。各軸運動邏輯關系如圖6所示。將機床模型配置完成，并按照工件裝夾的實際情況添加工件模型與磨桿模型[7]，如圖7所示。

圖6 項目樹下的各軸運動邏輯關系

圖7 機床仿真環境

2.2 仿真參數設定

將刀具、仿真程序、碰撞檢查和G代碼偏置等分別設置好。其中刀具需要在刀具管理器下配置，按照正確的裝配關系導入刀桿與砂輪模型，并設置好裝夾點與對刀點。其中裝夾點設置于刀桿尾端截面中心，對刀點設置于球頭砂輪端部，如圖8所示。

圖8 磨桿對刀點設置

仿真程序為經過專用后處理器后處理得到的G代碼文件，將其添加至項目樹下的加工程序分支。在碰撞檢查選項卡下設置刀桿與工件的安全距離為3 mm，在二者的間隙小于3 mm時，軟件會發出碰撞報警，并在工作日志中記錄下碰撞發生的代碼所在行數、碰撞的組件名稱和碰撞體積大小等報警信息[8]。

G代碼偏置是仿真參數配置的核心內容。通常情況下，機床的工件坐標系與機床坐標系并不重合，若沒有設定G代碼偏置就直接進行仿真，則機床會直接在機床坐標系下運行加工代碼，導致仿真結果錯誤[9]。刀軌文件后處理器數學模型計算轉換后，得到的是編程坐標系下的點坐標信息，G代碼的工作偏置則應偏置到工件坐標系。此處正確的G代碼偏置應設置為“從刀具組件到工件坐標系坐標原點”，并設置工件坐標系的與編程坐標系重合[10]。

3 仿真分析與結構優化

3.1 仿真結果分析

此處以工件內腔下顎處的仿真為例，參數設置完成后啟動仿真，等待仿真完成。在“視圖”選項卡下的“剖面”配置頁面中選擇以正X方向做剖面，偏轉距離值設為0，能夠清楚地觀察到工件內腔表面仿真加工后的情況，如圖9所示。

從圖9中可見，在工件大端端口位置有較大區域出現了紅色報警，將磨桿位置溯回報警位置可以看出，這是由于磨桿部分做成了帶有固定斜度的錐形結構，且錐罩內腔下表面具有一定曲率，因此磨桿的錐度部分與工件發生了碰撞。隨著修磨位置的深入，從工件某一位置起，刀具在靠近嘴角位置處與嘴角、上顎開始發生過切，這是由于嘴角處空間狹小，且修磨的砂輪頭尺寸過大，超過了嘴角的容納空間。以上2種錯誤不僅會損壞待加工工件，還會損壞修磨刀具，更會對機床操作人員的人身安全造成嚴重威脅。因此在仿真過程中發現問題后要對磨桿進行結構優化，以避免實際加工過程中出現碰撞。

圖9 內腔仿真結果

3.2 磨桿結構優化

針對工件大端端口的碰撞問題，通過對報錯代碼進行溯源，確定磨桿發生碰撞的位置，為錐段部分。采取的措施為加大錐段部分的錐度，并對碰撞段修出環狀平臺，從而避讓出安全距離，有效避免碰撞的發生。針對工件深腔處的過切問題，采取的措施為減小砂輪頭直徑，從而避免修磨過程中對非修磨區域造成過切。同時對尾部圓柱端進行加粗，提高磨桿整體剛度。最終確定的磨桿結構，整體長度為1 855 mm,尾部圓柱端直徑150 mm，錐段上修出不同直徑的臺階，其結構如圖10所示。

圖10 磨桿最終結構

對最終磨桿結構進行仿真分析，其結果如圖11所示。可以觀察到其進刀退刀處刀具軌跡平整，工件大端端口處的碰撞以及深腔嘴角狹小位置的過切區域已不再高亮顯示，仿真全過程中，日志器也未記錄到有碰撞報警。

圖11 優化設計后的磨桿仿真結果

4 結語

在非回轉錐罩修磨設備的磨桿設計過程中，借助于VERICUT軟件的強大仿真功能，檢查出磨桿在修磨過程中與錐罩發生碰撞的位置，并據此調整磨桿參數，找出不干涉情況下磨桿的最大尺寸，實現磨桿結構優化。通過引入VERICUT仿真方法，在剛度指標和無碰撞指標之間求得最優解，彌補了大長徑比磨桿設計時經驗設計法的不足，有效地提高了磨桿設計效率及結構的合理性、科學性。