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雙（shuāng）主（zhǔ）軸車削加工中心高效應用及研究

2017-2-13 來源：陝西國防工業職業技術學院數控（kòng）工程學院作者（zhě）：曹旭妍李斌

摘　要:雙主軸車削加工中心結構複雜（zá）、運動形式（shì）多樣,能夠（gòu）一次裝夾下完成零件的所有加工工序,但由於機床（chuáng）結（jié）構較複（fù）雜,在（zài）試件加工時往往會發生碰撞、幹涉等危險情況,給機床使用（yòng）帶來風險,同時影響機床的高效應用（yòng）。基於虛擬（nǐ）仿真技術,以EMCO maxxturn65 雙主軸（zhóu）車削中心為研究對象,在VERICUT 中構建（jiàn）機（jī）床虛擬仿真加工係統,並進行仿真加工。通過仿真（zhēn）加（jiā）工,檢驗（yàn）NC 程序的正確性,檢測加工中可能出現的幹（gàn）涉、碰撞等情況,預知加工結果;根據仿真加工,對錯誤的NC 進行糾正,保證機床使用中（zhōng）的安全（quán）性,進而提高該（gāi）類機床的應用效（xiào）率。

關（guān）鍵詞:雙主軸車削加工中（zhōng）心;虛擬仿真;VERICUT

0.引言

隨著機（jī）械（xiè）製造技（jì）術的不斷發展,零件結構形式越（yuè）來越複雜,對加工精度的要求也越來越高。加工過程（chéng）中的（de）多次換裝不（bú）僅使得零件的（de）加工質量無法得（dé）到保障,同時還因多次的工件安裝、對（duì）刀等過程大大降低了加工效率。雙主軸車削加工中心能夠使得需要多個加（jiā）工工序的工件一次裝夾下完成所有加工,不僅減少了因多（duō）次裝（zhuāng）夾而導致的加工誤差,還提高了加工效率,能很好地滿足現代（dài）企業生產要求,尤其在航空、航天（tiān）等領域,雙主軸車削加（jiā）工中心的高（gāo）效應用（yòng）具有（yǒu）舉（jǔ）足輕重（chóng）的作用。然而,由於該類機床的結構及運動形式複雜多樣,在實際（jì）應用中（zhōng）存在數控程序編寫及正（zhèng）確性檢測困難的問題,這些問題製約著車削中（zhōng）心的高效應用,給企業快（kuài）速生產帶來困難[1] 。利用虛擬仿真技術（shù）,以實際機床為（wéi）原型,在虛擬（nǐ）仿真平台中構建機床的仿真加工係統,使其具有（yǒu）與實際機床完（wán）全一致的加工功能,對工件進行虛擬仿真加工。該（gāi）方式能（néng）夠在不消耗生產資源的條件下,快速完成（chéng）工件的虛擬加工（gōng）,檢驗數控程序的正（zhèng）確性,同時能夠對加工過程中存在的質量問題進（jìn）行預判,為實際加工過程中機床的安全性及高效性提供可靠保障。

1.虛擬仿真係統構建過程（chéng）

虛擬仿真係統是將實際機床在計算機中的完全映射（shè）,具有與實際機床一致的加工（gōng）功能。該係統在使用過程中不消耗實際的生產資源,加工過程快,且能（néng）夠不斷反複的進行加工,能很好的解決複雜零件試切過程耗時、耗力等問（wèn）題,對企業新產品研發生產非常重要。根據機床的結構及（jí）尺寸,在VERICUT 中建立（lì）虛擬機床模型。其主要過程如圖1 所示。

2.構建（jiàn）虛擬仿真係統

2. 1　機床結（jié）構分析

EMCO maxxturn65 雙主軸（zhóu）車削中心配備一個（gè）帶有X、Y、Z1 運動軸的刀塔,主軸帶有C1 旋轉軸功能,副主軸帶有Z2、C2 兩（liǎng）個運動軸。如圖2 所示,床身的工作麵為高（gāo）剛度45°易排屑傾斜結構,其上裝有主軸、副主軸和沿床身滑動（dòng）的床鞍,其中主軸固定於（yú）床身,沿（yán）床身（shēn）滑動的副主軸與主軸軸向對置,伺服動力刀架固定於（yú）沿床鞍X 軸方向滑動的滑板上。

圖1　虛擬仿真係統構（gòu）建過（guò）程

圖2　雙主軸車削中心結構

1. 主軸（zhóu）　2. 副主軸　3. 床身　4. 床鞍5. 滑板　6. 刀架

2. 2　機床（chuáng）參數測量

雙（shuāng）主軸車削中心加（jiā）工過程中工件換裝時機床不停機,因此機床各部件（jiàn）的空間位置精度要求較高[2] 。建立機床的虛擬仿真加工係統時,準確獲取機床各運動部件參數是研究的關鍵之（zhī）一。EMCO maxxturn65雙主軸車削中（zhōng）心的（de）參數獲取主要（yào）通過測量以及查詢手冊來實現,通過激光尺、卷尺、板尺等測量工具（jù）完成機床主要外形部件及空間尺寸的測量,關（guān）鍵零部件尺寸及機床極限位置等對（duì）建模精度有重要影響的尺寸參數通（tōng）過查詢（xún）機床手冊或者運行機床後（hòu）在機床控製（zhì）麵板中（zhōng）讀（dú）取。要完整的建立機（jī）床模型,所需（xū）要的機床參（cān）數主要有:主軸、副（fù）主軸、刀塔、刀具等重要部件尺寸（cùn）;機床（chuáng）初始位置、極限位置;運動軸及部件間的空間位置;外形輪廓等。

2. 3　機床建模

建立機床的虛擬模型,不僅需要（yào）完成各運動部件的三維幾何模型,還要賦予其與實際機床相一致的運動關係。VERICUT 軟件中提供了許多運動軸組件,根據實際機床的運動結構,建立其運動樹,將各運（yùn）動部件的三（sān）維模型加載到相應的運（yùn）動組（zǔ）件下即可完成機床模型的建立（lì）[3] 。要正確建立機床的運（yùn）動樹,首先要明確機床的運動（dòng）連。EMCO maxxturn65 雙主軸車削（xuē）中心包含兩條（tiáo）運動鏈:基座（zuò）-工件;基座-刀（dāo）具。根據確定好的運動鏈,在VERICUT 中依（yī）次添加相（xiàng）應的運動組件,完成機床運動組件（jiàn）樹的創建,如圖3 所示。創建組件樹僅是完成了機床各運動部件（jiàn）間（jiān）運動關係的建立,還（hái）需添加相應的（de）幾何（hé）模型。由於機床機構較複雜,各運動部件幾何模型在VERICUT 中創（chuàng）建較困難,因此（cǐ）,在三維模（mó）型在UG 中建立各部件幾何模型,然後將模型保存為STL 格式文件導入（rù）到相應的運動組件下即可。

圖3　機床運動樹

2. 4　建立刀具（jù）庫

VERICUT 中提供了豐富的刀（dāo）具設計樣本,根據刀具的具體特征及參數,選擇（zé）所需結構及尺寸即可生成刀柄、刀片。刀具生成後,為保證加工（gōng）的順利進行,還需根據實際使用中將要（yào）用到的刀具特點及參數,設置刀具的驅動點(對刀點)、安裝點等（děng）參數,如圖4。

圖4　雙刃刀具建立

2. 5　控製係統配置

為了滿足用戶需求,VERICUT 係統（tǒng）庫中提供（gòng）了多種不同類型的控製（zhì）係統,根據實際機床,選擇SIEMEND840D係統（tǒng）。VERICUT 係統庫中所提供的為通用控製係統,而（ér）為（wéi）滿足雙主軸車削中（zhōng）心的（de）加工功能,生產（chǎn）廠家（jiā）對其定製了一些特殊的（de）加工代（dài）碼,因此需要對所選控製係統進（jìn）行二次開發,以（yǐ）保證虛擬加工係統與實際機床具有相同的加工功能。

2. 6　機床參（cān）數設置

構建完機床的幾何模型及相關部件後還需對機床參數進行設置（zhì）。機床參數設置的主（zhǔ）要目的就是告知機床當加工中出現錯誤、碰撞等問題時能夠及時的（de）進行報警,便於技術人員查找問題所在,並進行修正（zhèng）。虛擬係統中機床參（cān）數主（zhǔ）要包括了:機床行程設置、機床各運動軸的（de）初始位置設置、刀具換刀點的設置、碰撞檢測距離設置等,正確設置機床參數,對保（bǎo）證（zhèng）仿真加工過程與實際加工的一致性至關重要。

3.仿真加工

3. 1　NC 程序生成

雙主軸車削中心加工功能強大,工件結構通常比較複雜,采用（yòng）手工（gōng）編程的方式（shì）很難實現複（fù）雜工件的NC 編寫。在UG 等三維軟（ruǎn）件中建立零（líng）件的幾何模型,並利用UG 中先進的數控加工功能對工件進行（háng）藝（yì）處理,生成正確的刀位軌跡文（wén）件,但該文件不能直接被數控機床所識（shí）別,因此需對其（qí）進行後置處理。UG 中自（zì）帶的後置處理模塊能夠對三軸及以下刀位軌跡文（wén）件進行後置處理（lǐ）,生成機床能夠直接識別的（de）NC 程序,而對（duì）於三軸以上的複雜文件則無能為力[4] 。針對雙主軸（zhóu）車削中心的結構特點,利用UG 後置處理模塊開發專門的（de）後置處理器MAXX-POST,該後置處理器能夠專門對適合雙主軸車削中心的工件前置刀位軌跡文件進行處理,生產機床能直接識別的NC 程序,滿足加工需要。

3. 2　虛擬仿真加工（gōng）及驗證

將UG 中生成的NC 程序添加到虛擬仿真係統中,添（tiān）加毛坯、工（gōng）件的（de）模型到係統中,進行G 代碼偏置設置（zhì）(即加工對刀)後,進行仿真加工,如圖（tú）5所示。仿真加（jiā）工（gōng）中不僅要觀察刀具及（jí）工件的狀態是否合理,還要根據警告內容（róng）分析存在的問題並進行處理,確保前置工藝過程、NC 程序的正確性。

4.實際驗證

經過虛擬仿真加工,驗證NC 程序的正確性後,對加工工件進行實例驗（yàn）證。將經（jīng）過虛擬仿真驗證過的NC 程序載入實際（jì）加工（gōng）機（jī）床中,對工件進行實際加工。加工中刀具的走刀（dāo）路徑與仿真加工一（yī）致,沒有幹涉、碰撞等（děng）問（wèn）題出現（xiàn）,其加工結（jié）果如圖6 所（suǒ）示。

5.總　結（jié）

介紹了在VERICUT 中建立機床虛擬仿（fǎng）真（zhēn）加工係統的一般方法,並以EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心為（wéi）對象,建（jiàn）立其虛擬仿真加工（gōng）係統。以一（yī）回轉體（tǐ）零件為加工樣件,對其進行虛擬仿真（zhēn）加工,檢驗了（le）NC程序的正確性（xìng）,並對該樣件進行實際加工。結果表明,該虛擬仿真加工係統能夠準確驗證NC 程序的正確性,並正（zhèng）確預知加工中可能出現的幹涉、碰撞等危險情況,能有效保證機床使用中的安全性及高效性。

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