基于CATIA 和VERICUT 的五軸加工碰撞分析與刀路優(yōu)化研究

王文濤

（中航西飛漢中航空零組件制造有限公司，漢中 723000）

目前，數(shù)控加工技術(shù)不斷進步，傳統(tǒng)的數(shù)控機床已無法滿足企業(yè)開展的零件生產(chǎn)活動。企業(yè)內(nèi)的操作人員需要采用精細化的技術(shù)，利用五軸數(shù)控加工技術(shù)，才能保證生產(chǎn)活動順利開展。因此，工作人員應(yīng)基于曲面造型零件及復(fù)雜結(jié)構(gòu)開展相應(yīng)的加工操作，以提高五軸數(shù)控加工機床的精度，提升表面質(zhì)量，加快切割速度，從而滿足智能化的運行要求。

1 基于CATIA 的零部件仿真

1.1 構(gòu)建模型

為實現(xiàn)零部件的構(gòu)建，可利用CATIA 軟件創(chuàng)建模型。在飛機結(jié)構(gòu)件加工期間，應(yīng)開展相應(yīng)的設(shè)計工作，了解主承力結(jié)構(gòu)零件的情況。工作人員在創(chuàng)建模型時，應(yīng)注重結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜性曲面零件，保證在加工期間兩個相鄰的結(jié)構(gòu)件在氣流通道作用下不會互相干涉[1]。

一方面，工作人員可以加強對CATIA 零部件的裝配設(shè)計。在其開展仿真工作前，運用裝配設(shè)計的方式將各個零部件組裝在一體，形成相對完整的裝配體。在此過程中，工作人員可以通過組合及約束設(shè)計的方式，使零部件應(yīng)用于相對良好的環(huán)境中。采用位置調(diào)整等方式，增加飛機結(jié)構(gòu)件限制并添加關(guān)系，保證零部件可以順利使用[2]。

另一方面，可以采用CATIA 軟件的零部件約束設(shè)置方式。在零部件運行期間，結(jié)合仿真過程的實際情況增加約束關(guān)系的設(shè)置，以實現(xiàn)零部件的內(nèi)部設(shè)置。在CATIA 的零部件開展仿真工作時，工作人員可以規(guī)劃運動學(xué)的仿真模塊。利用碰撞檢測、運動分析來設(shè)置對應(yīng)的仿真參數(shù)，防止CATIA 的零部件在運動過程中出現(xiàn)仿真時間過久等情況；也可以增加動力學(xué)約束及外部荷載，使CATIA 的零部件能夠在正常的工況下運行[3]。

CATIA 的零部件進行仿真運動時，可以通過軟件模擬方式讓工作人員從系統(tǒng)端觀看動畫，了解其運動過程，從而清楚如何裝配零部件，并保證提升裝配體的實際運動性能。同時，掌握零件在運動過程中的刀具路線，通過五軸數(shù)控加工中心完成加工驗證操作[4]。

1.2 加工過程編程

基于CATIA V5 將加工特有的機床，選擇設(shè)定坐標系并了解機床內(nèi)結(jié)構(gòu)件之間的單圈距離。在加工過程中，工作人員可以結(jié)合機床的具體情況實行對應(yīng)的調(diào)整及修改工作，控制主軸轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)件的進給速度，并結(jié)合刀具的類型完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)定；也可以通過球頭銑刀、立銑刀，熟悉零件的精加工及粗加工。同時，通過結(jié)構(gòu)件粗加工工作的開展執(zhí)行半精加工操作，以營造出良好的精加工環(huán)境。

工作人員應(yīng)加強對結(jié)構(gòu)件整體、結(jié)構(gòu)件曲面、包覆曲面、結(jié)構(gòu)件倒扣等加工方式的了解，形成數(shù)字控制（Numerical Control，NC）代碼，簡化加工流程，以完成本次編程工作。在加工過程中，工作人員可以結(jié)合刀具的類型，確認粗加工轉(zhuǎn)速在13 000 r·min-1左右，進給速度為3 000 r·min-1；半精加工轉(zhuǎn)速在13 000 r·min-1左右，進給速度為3 000 r·min-1；精加工轉(zhuǎn)速在15 000 r·min-1左右，進給速度為3 500 r·min-1，從而滿足結(jié)構(gòu)件的加工參數(shù)要求。

2 基于VERICUT 的五軸加工碰撞檢測

2.1 檢測步驟

工作人員基于VERICUT，利用刀軸矢量和可視錐的布爾運算方式判斷工件與刀具，根據(jù)具體的碰撞情況觀察刀軸的最小夾角情況，避免五軸加工過程中出現(xiàn)零部件之間的碰撞問題。工作人員可基于刀具實體情況，運用刀具的統(tǒng)一表達方式，通過NC 加工的方法，了解刀具在運行過程中的旋轉(zhuǎn)速度。操作人員可以基于直線和曲線的回轉(zhuǎn)情況，了解此時刀具在運轉(zhuǎn)過程中生成的幾何形狀，并將刀具模型中的刀具分為中間圓環(huán)、上面圓錐以及下方圓錐3 個部分。利用碰撞檢查法在刀具四周設(shè)置直線段。同時，在直線段的起點位置上，應(yīng)保證刀具能夠開展切削操作。調(diào)節(jié)刀桿長度，劃分檢查線并結(jié)合其檢查線的分布情況，確認檢查活動是否可靠[5]。若刀軸相鄰曲面和加工曲面的位置一致，工作人員可結(jié)合曲面的夾角情況，確保開角大于90°，閉角小于等于90°。在檢查過程中，工作人員基于檢查線的情況，需要了解刀具的成型過程，讓刀具沿著既定路徑進行，實現(xiàn)對工件毛坯的切割加工，保證工件外形。規(guī)劃全局坐標，依照導(dǎo)動規(guī)則增加切觸點的應(yīng)用，規(guī)劃曲線并結(jié)合刀軸矢量，完成對刀具偏置情況的計算。然后確認相鄰曲面和檢查線之間的交點。若焦點已到達刀具的起點位置，則可將距離比設(shè)為l，刀具高度設(shè)為h，當h＞l 時，零件曲面會與刀具發(fā)生碰撞或交涉。

2.2 五軸加工閉角檢測

基于局部坐標系內(nèi)，工作人員在實行五軸加工碰撞檢測工作時，需要集合刀具的軌跡。軌跡由軌跡參數(shù)和刀位點軌跡中的拓撲結(jié)構(gòu)組合而成，因此工作人員在刀具軌跡規(guī)劃時，應(yīng)了解刀位點的軌跡情況。可以采用拓撲加工的方式，了解刀具在運動過程中的軌跡，防止軌跡偏移對后續(xù)加工效率造成影響。

第一，工作人員在規(guī)劃刀具軌跡時，要確認刀位點軌跡和軌跡參數(shù)。在切削過程中，利用掃掠的方式規(guī)劃出刀具加工環(huán)節(jié)的重點加工區(qū)，縮小理想加工部分與其他區(qū)域的誤差，以確認加工精度，從而保證其余部分的加工精度能夠滿足刀具軌跡的規(guī)劃需求。同時，要結(jié)合刀具半徑實行對直線支點的檢查，基于刀具軸線矢量確認所需檢查的直線方向，以形成全局坐標系下的方程。

第二，工作人員應(yīng)注重檢查曲線及檢查線之間的相交情況，確認相鄰局面和檢查線的相交點。若交點與刀鋸起點之間的距離為d，則需滿足0 ＜d＜h。這樣一來，工作人員可以采用刀具軸線矢量加工的方式，確保被加工表面和刀具能夠直接接觸，進而實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)刀具軸線矢量的角度調(diào)整。

第三，將刀具加工預(yù)寬度及預(yù)切割方向作為主要的特征參數(shù)，了解刀具路徑的具體流向，確認區(qū)域內(nèi)的刀具加工寬度值，防止出現(xiàn)刀具路徑質(zhì)量不佳的情況。在檢測過程中，可以通過修正后取得最大修正角的方式，實現(xiàn)對五軸加工的碰撞檢測工作，防止被加工曲面和檢測區(qū)之間的夾角大于90°。通過加工與參數(shù)計算的形式，了解加工刀具與加工表面之間的關(guān)聯(lián)。最后，規(guī)劃刀具中心點位置，將其設(shè)置在X軸上。也可結(jié)合X軸與Y軸的方向，運用右手螺旋法確認此時刀具的傾角情況，計算單位矢量，列出刀具在坐標體系中的變化矩陣，實現(xiàn)對刀具軌跡的規(guī)劃。

第四，工作人員需要計算檢查曲面與刀具點之間距離。若距離小于刀具半徑，則不會在刀具檢查曲面上產(chǎn)生碰撞。若基于局部坐標系內(nèi)，可以結(jié)合刀具半徑檢查刀具的節(jié)點坐標，確認刀具軸線的矢量，然后根據(jù)檢查直線的方向確認刀具軸線的矢量值，以確定五軸加工碰撞檢測點。

3 刀路優(yōu)化方案

3.1 五軸加工刀具的仿真控制

工作人員在實行五軸加工時，相比于三軸加工會多出2 個旋轉(zhuǎn)軸。因為刀具加工表面與刀具之間的位置產(chǎn)生一定變化，所以在加工期間容易發(fā)生碰撞，增大了企業(yè)在生產(chǎn)活動中的損失概率。對此，工作人員可以利用VERICUT 仿真軟件和CATIA 編程的方式創(chuàng)建數(shù)控加工鏈，實現(xiàn)對加工過程的優(yōu)化，并提出有效的碰撞檢測及軌跡優(yōu)化方案，以滿足數(shù)控加工項目的需要。

一方面，工作人員通過CATIA 和VERICUT 的結(jié)合執(zhí)行建模、加工以及仿真工作，創(chuàng)建五軸數(shù)控仿真平臺，實現(xiàn)對五軸加工刀具的仿真控制。結(jié)合刀具加工環(huán)節(jié)，分析機床尺寸結(jié)構(gòu)和參數(shù)等內(nèi)容，開展裝配及建模工作，使機床成為五軸結(jié)構(gòu)的運行基礎(chǔ)。設(shè)置X、Y、Z共3 條坐標軸，合理創(chuàng)建工作臺，使控制系統(tǒng)以SIEMENS840D 為主。同時，工作人員可結(jié)合夾具中的零件模型、零件尺寸創(chuàng)建毛坯，并完成驅(qū)動程序的編寫。驅(qū)動程序節(jié)點分布圖如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動程序節(jié)點分布圖

另一方面，五軸加工刀具的仿真控制工作在實施過程中應(yīng)基于VERICUT 的刀具路徑，實現(xiàn)加工過程最優(yōu)化。結(jié)合切削條件及仿真模擬過程的NC 工具能力，運用自動修正的方式提高NC 程序的使用頻率，從而提高五軸加工刀具的工作效率。同時，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，以增強對加工仿真環(huán)節(jié)的支持。

五軸加工刀具的仿真控制流程如下。第一，加強對機床的碰撞檢查。基于仿真模型的工作原理，在少量切削過程中提高切削的進給率，在大量切削期間適當降低切削進給率。通過仿真模型的模擬方式，將需要切削的部分分為幾個小段。結(jié)合材料的切削量，通過軟件確認每一段進給時是否需要改變刀具路徑，這樣有助于操作者掌握機床的行程。第二，遵循刀具的加工工藝流程，確認刀柄的規(guī)格、刀具號、刀具規(guī)格、尺寸等內(nèi)容，了解刀具裝夾點的參數(shù)等信息。第三，完成工件坐標系的設(shè)置，確認工件坐標的原點位置，利用計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）的編程方式，保證工件坐標與系統(tǒng)原點保持一致。第四，工作偏置。工作人員需要確認工件組坐標系與刀具刀尖的位置關(guān)系，使工件坐標與刀具相互連接。第五，運用數(shù)控程序。基于工序流程，按照順序執(zhí)行CAM 的處理工作。第六，進行仿真加工和模型重置，生成仿真分析報告。

3.2 刀路切削優(yōu)化仿真

基于VERICUT，工作人員可以通過優(yōu)化加工參數(shù)的方式設(shè)置NC 程序驗證模塊，確保提高加工工作效率。結(jié)合具體的刀具加工軌跡情況，確認仿真模塊和刀具的加工路徑，實現(xiàn)對切削量的計算，使多軸模塊能夠由CAM 和計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）等組合而成。工作人員可以在系統(tǒng)中對刀路切削過程進行仿真處理，從而保證依靠三維實體，根據(jù)切削模型所顯示的內(nèi)容執(zhí)行尺寸測量工作。同時，可基于機床仿真的情況將其與加工參數(shù)中的經(jīng)驗值比較，采用分析計算的方式確認其中的余量，以提高刀路的進給速度。若余量相對較大，則進給速度可以適當加快。此時，采用參數(shù)調(diào)整的方式，結(jié)合VERICUT 仿真模型優(yōu)化加工過程。

基于模塊的體積組合方式和切削厚度簡化加工流程，運用恒定的切削厚度計算體積去除率，公式為

式中：V為體積去除率；Ap為切削深度；Ae為切削寬度；F為進給速度。

4 結(jié)語

企業(yè)為順利實行數(shù)控仿真加工操作，可基于CATIA 和VERICUT 軟件執(zhí)行五軸加工碰撞分析及刀路優(yōu)化工作，防止在加工過程中出現(xiàn)NC 代碼錯誤，降低對碰撞和干涉問題等的影響，使工作人員可以采用正確的數(shù)控程序提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。同時，可以采用基于CATIA 軟件的零部件仿真程序構(gòu)建模型，實行加工過程編程，并基于VERICUT 的五軸加工碰撞檢測程序，執(zhí)行檢測步驟和刀具軌跡規(guī)劃。采用刀路優(yōu)化方案，運用五軸加工刀具的仿真控制和刀路切削優(yōu)化仿真的方式，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。