航空整體葉輪五軸（zhóu）數控加工仿真及參數優化研究（上）
2016-11-21 來源（yuán）：天津職業技術師範大學 作者：盧輝
摘要
航空整體葉輪的加工手段、加工精度（dù）和加工表麵質量直接（jiē）影響（xiǎng）葉輪的工（gōng）作性能，對發動機（jī）性能有決定性的影（yǐng）響。作為一種典型（xíng）的通道類複雜高（gāo）精度零件，其葉片間流道間距較小，葉（yè）片扭曲度大，其幾結構複雜對加工造成（chéng）很大困難，主要采用五軸數控機床進行加工。雖然目前進行了針對航空整體葉（yè）輪較多的加工仿真及參數優化研究工作，但仍存在（zài）如下（xià）問（wèn）題：
(1)在參數優化研究方麵，未考慮機床穩（wěn）定性問（wèn）題（tí），在機床穩定的前提下開展加（jiā）工參數優化研究（jiū），才能同時保證五（wǔ）軸加工的效率和質量。
(2)由於葉片扭曲大，通常CAM軟件生成的數控程序隻考（kǎo）慮刀具與工件的幹涉，未考慮機床主軸與夾具、工作台的碰撞，不能完全確保刀（dāo）具軌跡的正確性和機床的安全性，因而需要考慮具體工藝係統，進行（háng）更全麵的幾何仿真研究。針對以上問題，本（běn）文的主要研（yán）究工作如下：
1.基於（yú）VERICUT的航空整體葉輪加工數控仿真建模。
在VERICUT 環境下建立虛（xū）擬的數控機床實體、控製係統（tǒng）、刀庫、坐標係統等，創建數控仿真環境，實現針對具體（tǐ）工藝係統的幾何仿真，有效避免機床（chuáng）主軸、刀具與工作台、夾具之間碰撞。
2.提出基於齊（qí）次變換的航空整體葉輪數（shù）控（kòng）程序後處理算（suàn）法。
首先（xiān）針對海德漢i TNC530數控係統的傾斜加工麵功能，通過對CLSF刀（dāo）位軌跡進行齊次變（biàn）換運算，提出了機床運動坐標的數控程序後處理算法。使用UG NX8.5/Post Builder編寫後處理文件，通過NC代碼分析、VERICUT仿（fǎng）真驗證後處理方法的正確性。
3.基於Cutpro9.0的（de）工藝（yì）係統顫振穩（wěn）定域獲取（qǔ）。
首先采用力傳感器和加速度傳感器，通（tōng）過錘擊實驗來獲取機床-刀具和機床-工件的頻響函數。然後采（cǎi）用Cutpro9.0的動力學仿真功能，在給定（dìng）的徑向切（qiē）削（xuē）深度（切寬）條件（jiàn）下，進行顫振穩定域（yù）仿真，獲得表征主軸轉速和軸向（xiàng）切深關係穩定域葉瓣（bàn）圖（tú）。
4.基於幾何仿真（zhēn）和動力學仿（fǎng）真的切削參數優化。
在工藝係統顫振穩定域仿（fǎng）真的基礎上，以切削時間為優化目標，切削深度、主軸（zhóu）轉速、每齒進給量為實驗因素，設計三因素四水平（píng）的正交試驗，通過幾（jǐ）何仿真獲得切削時間。根據極差（chà）分析和方差分析，得出三組較短切削時（shí）間的加工參數。對初步優化得到的（de）三組切削參數進一步進行動力學（xué）仿真，根據仿真結果確定最優工藝參數。
關鍵詞:航空整體葉輪,幾何仿（fǎng）真,動（dòng）力學仿（fǎng）真,參數優化,正交試驗
第 1 章（zhāng） 緒論
1.1 課題研究背景
航空整體葉輪是典型的通道類複雜零件，其葉片間流道間距較小，葉片扭曲度大，其幾何結構複雜對加工造成很（hěn）大困難。加工方法、加工精度和加工表麵質量直接影響葉輪的（de）工作性能，對（duì）發動機性能有決定性的（de）影響。航空整體葉（yè）輪因其曲麵的複雜性和加工精（jīng）度高（gāo），使其成為典型的難加（jiā）工（gōng）零件[1-4]。
目前航空整體葉輪的加工一般采用數控多軸技術、電解技（jì）術（shù）、放電技術、鑄造技術（shù）等（děng）加工方法。鑄造加工整體葉輪（lún）的特點是成本較低，適用（yòng）於大批量的葉輪生產。這種加工方法的不足之處在於會產生內部結構缺陷，如砂（shā）眼、氣孔等。這可能導致葉片強度差，並最終影響成型零件（jiàn）的工作性能。電火花和電解加工可應用於各種難（nán）加工材料，加工穩定性高，零件質量較好（hǎo）。放（fàng）電加工的（de）缺點是加工效率低，成本高；而（ér）電解加工效率較高，但精（jīng）度較低。數控多軸技（jì）術可（kě）以加工多種類型（xíng）的葉輪，加工精度（dù）高，表麵光潔度好，因此航空整體葉輪加工常采用數控多軸技術[5]。
對於（yú）航空鋁整體葉輪來說，使用五軸機床進行高速切（qiē）削是（shì）最佳的加工方法。但當前航空整（zhěng）體（tǐ）葉輪五軸加（jiā）工過程仍存在很多工藝問題，比（bǐ）如葉輪粗（cū）加工效率低，薄壁件加工易出現顫（chàn）振導致葉片表麵光潔度差，切削參數選取不當導致刀具（jù）折斷等。此外（wài），到（dào）目前為止，切（qiē）削參數的（de）選擇尚（shàng）未有（yǒu）一個完善的方法理論進行指導，實際生產加工中切削工藝參數往往取決於（yú）工（gōng）藝人員的經驗。對於高速高精加工來說，尤其是葉輪具有複雜曲麵薄壁類零件，往往很難（nán）獲得預（yù）期的加工（gōng）質量。其根本原因在於設定高速切削參數中沒（méi）有考慮機床的動力學特（tè）性，沒有考慮刀具振動對工件質（zhì）量的影響，沒（méi）有考慮（lǜ）機床各軸的（de）行程極限（xiàn）和加速度方麵的差異[6]。
1.2 課題的目的及意義
五軸加（jiā）工航空整體葉輪過程中，刀軸（zhóu）變化頻（pín）繁易發生碰撞，且葉片（piàn）厚度薄容易發生顫振（zhèn），這些（xiē）因素製約著航空整體葉輪（lún）的（de）高效高精（jīng）加工。因此，本文通過建立VERICUT仿真環境檢查刀具軌跡避免機床與刀具發生（shēng）碰撞，使用cutpro9.0軟（ruǎn）件進行顫（chàn）振穩定域分析和切削過程仿真，預測刀具振動、工（gōng）件振動、切削力、表麵粗糙度、主軸功率等，為合理地選擇加工參數避免發生顫振，能夠使五軸機（jī）床（chuáng）實現高速高（gāo）精加工。本文研究（jiū）內容（róng）有助於指導葉輪（lún）實際加工（gōng）的切削（xuē）參（cān）數的選擇，能夠為同類（lèi）零件的（de）加工提供參考，具（jù）有重要的工程應用價值。
1.3 國內外研究現狀
1.3.1 高速切削技術研究現狀
20 世紀（jì） 30 年代德國 Salomon 博士提出高速切削加（jiā）工（HSM 或 HSC）概念，隨著（zhe）切削（xuē）速度提高到一定峰值後，切削溫度反而下降[7]。此後幾（jǐ）十年高速切削加（jiā）工的研究處於停滯狀態。從 1950 年開始世界各國開始對高速切削加工展開大規模研究，主要是歐美發達國家、蘇聯、澳大利亞、日（rì）本等國家[8-10]。這（zhè）一時期稱為高速切削理論研究的探索階（jiē）段。到了 20 世紀 70 年代，高（gāo）速切削加工進入應用基礎研究階（jiē）段。1972 年到 1978 年美國洛克希德導彈與空間公司研究小組主要研究高速加工應（yīng）用於生產加工的可行性[11]。1980 年代高速切削加工研究開始進入應用研究階段。1979 年美（měi）國高級研究工程局開始對高速切削工藝係統（tǒng）做全麵（miàn）的研究，包括高速刀具、高速機床、高速工藝等方麵[12]。1984 年至 1988 年德國研究技術部對高速切削金屬和非金屬材料、高（gāo）速切削電主軸係統等研究，為高速切（qiē）削技（jì）術應（yīng）用於實際加工打下結實的基礎[13]。進（jìn）入 20 實際 90 年代後，隨著直線電機，機床電主軸、高速切削刀具的出現，高速切削加工（gōng）機床不斷出現在國際市場，高速切削加工進入到工業應用階段[14-17]。
相對於（yú）國外，國內對高速（sù）切削研究起步比較晚，從 1980 年國內各大研究機構和大學開始對高速（sù）切削進行全（quán）麵研究。1980 年山東大學開始對高速切削中切削溫度、切削力、切屑（xiè）、刀具壽命等研究[18]。20 世紀 90 年代後，北京理工大學研究了高速切削的刀（dāo）具與切（qiē）削力[19]，廣東工業大學研究了高主（zhǔ）軸轉速的電主軸技術、直線電動機進給係統[20]，天津大學和大連理工大學從切削原理方麵入手研究高速切削加工[21]。盡管國內的高速切削技術與西方工業發達國家還有很大差距，但是經過國內大學的研究者努（nǔ）力和奮鬥，國內也出現了一批（pī）高速切（qiē）削機床，如大連機床廠生產的高速加工中心。
高速切削與傳統加（jiā）工相比（bǐ）具有以下優點（diǎn），1)高速切削主軸轉速高（gāo），切削速（sù）度快，單位時間（jiān）內去除材料體積增大（dà），縮短切削時間，提高加工效率。2)高速切削時，切削深度小，進給速度（dù）快，故其切削力小。3）高速切削時，切屑以很快地（dì）速（sù）度排除，帶走（zǒu）大部分的熱量，工件（jiàn）熱變形小。4）高速切（qiē）削中隨（suí）著切削速（sù）度提高（gāo），切削力逐漸減小，而切削力是切削過程中振動的主要來源，因而減少切削振動，提高表麵粗糙度。5）高速切削可加工淬（cuì）硬材料，減（jiǎn）少（shǎo）電火花放（fàng）電加工。正是由於高速切削具有以上特點，高速切削技術廣泛（fàn）應用於航空航天、汽車（chē）、模具等（děng）行業，尤其是在航空行業（yè）應用最多。航（háng）空製造（zào）中（zhōng）大部分（fèn）是（shì）輕合金材料，且大都是薄壁類零（líng）件，切（qiē）削中容易變形。高速切削技術切削速度快，切削力小，特別適用於航空（kōng）類零件加工。
1.3.2 數控加工仿（fǎng）真（zhēn）技（jì）術研究（jiū）現狀
用於數控仿真和切削參（cān）數優化方麵的係統軟件主要有以下（xià）兩類（lèi）：幾何仿真軟件和動力學仿真（zhēn）軟件，幾何仿真是完成（chéng）數控程序的幾何仿真、進行刀具與機（jī）床、夾具的碰撞檢查以及對數控代碼的優化。目前，關於數（shù）控加工幾何仿真的研究（jiū）已經很成熟了，並（bìng）且有很多（duō）幾（jǐ）何（hé）仿真軟件應用（yòng）於實際（jì）生產中。幾何仿真軟件最具代表性的軟件是CGTEC公司的（de）VERICUT軟件[22]。VERICUT是交互仿真的（de）NC程（chéng）序數據去（qù）除材料（liào）過程。VERICUT軟（ruǎn）件仿真可以替換昂（áng）貴的NC數據驗證（zhèng）過程，並且可以優化材（cái）料去除率。VERICUT通過仿真NC程序，可（kě）以減少或消除傳統費時費（fèi）力的數控程序試切（qiē）驗證過程。到了（le）90年代很多CAD/CAM集成軟件推出幾何（hé）仿真模塊，比如英（yīng）國（guó）的Power MILL，美國（guó）的Master CAM, 德（dé）國（guó）西門子公司的UG NX等軟件。這些（xiē）CAD/CAM集成軟件隻能進行前置代碼仿真，不能進行後置代碼仿真（zhēn）。在國內，1994年（nián）6月哈工大研發的三（sān）維動態（tài）圖形（xíng）仿真器NCMPS[23]。1994年11月由清華大學和華中（zhōng）科技大學合（hé）作研發的HMPS[24]。北京航空（kōng）航天大學開發的集成在CAD/CAM係列軟件中的仿真模塊。
動力學仿真則須通過仿真切削（xuē）過程中的主軸功率、切削力等預測加工精度和加工表麵質量，為調整和優化切削參數提供依據，最終達到優化結果。隨著計算機仿真技術的（de）發展和對切削原理的研究越來越深入，目（mù）前以優化（huà）切削參數為目的動力學仿真係統研究進展也很快。國外有加拿大UBC大學MAL實驗室[25]開發的Cutpro9.0、英國的Meltal Max，其中Cutpro9.0軟件可以利用虛擬現（xiàn）實和仿真技術對高速加工過程中的切削力、功率、扭矩、切屑厚（hòu）度（dù）、振動情況等（děng）進行預測，以（yǐ）確（què）定無顫（chàn）振條件下的主軸轉（zhuǎn）速、進給量和切深（shēn），在保證良好表麵質量（liàng）的前提下提高材料的去除速率。這些軟件（jiàn）已在包（bāo）括波音、加普惠等數十（shí）加跨國（guó）公司得到了廣泛（fàn）的（de）應用，並取得（dé）了很好的（de）效果。國（guó）內目前主要有北航（háng）自主開發的銑削加工動（dòng）力學仿真係統Simu Cut和數控機床動力學特（tè）性參數（shù）測試（shì）與分析Dyna Cut係統。該係統功能與Cutpro9.0基本類似，且已在國（guó）內軍（jun1）工口幾十家企業得到初步應用，不足（zú）之處是（shì）目前僅限（xiàn）於銑削（xuē）加工仿真[26-27]。
1.3.3 切削顫振研究現狀
切削過程由於主軸的（de）旋轉運動和（hé）刀具切削工件產生的切削力不可避免會出現振動（dòng）情況（kuàng）。尤其是當（dāng）切削參數選取不當或切削量過大時，刀具的振動會更（gèng）加激烈。切削過程中產生的振動，會影響加工質（zhì）量和生產效率，嚴重時甚至會導致刀具斷裂，因此通常都是對切削加工不利的。切（qiē）削振動主要表現在影響加工的表麵（miàn）光潔度（dù）、切削效率、刀具壽命、機床（chuáng）精度。多年來，國內外很多研究者對切削振（zhèn）動進行深入的（de）研究，取得了可喜的成（chéng）效。
在國外，Tobias[28]和Tlusy[29]通過對（duì）切削過程中的顫（chàn）振現象的研究，提出了有關於主軸轉速和切削深度的穩定臨界切削深度表達式，並對銑削穩定（dìng）性進行了時（shí）域分析。Y.Altintas[30]通過切削過程仿真建（jiàn）立動態銑削力的模型，提出了球頭銑刀進行（háng）穩定切削的方法，從而（ér）得到了切削深度與主軸轉速的顫振穩（wěn）定分析解。該方法僅需要獲取整個工藝係統的傳遞函數(FRF)，切削力係數，徑向切深（shēn）及統刀齒數，通過較少量的計算得到較（jiào）精確的穩定性曲線。由於該方法對（duì）方向係數做傅裏葉變換後僅取零（líng）次諧波分（fèn）量，因此該方法被稱為零階（jiē）求解方法(Zero Oder solution, ZOA)。Sata T等[31]在機床-刀具和機床-工件等動力學模態參數對切削穩定性（xìng）影響分析的基（jī）礎上（shàng），給出了切削速度、每齒進給量（liàng）和刀軸切削角度的控製策略，得（dé）出了一種預測和控製顫振的方（fāng）法。Gagnol等（děng）[32]通過（guò）采用與速度無關（guān）的頻響（xiǎng）函數來實現顫振穩定域預測，提（tí）出的顫振穩定域預測模型中考慮了主軸轉速對刀尖點頻響函數的影響。
在國內，師漢民等人[33-35]提出切削中發生顫振時，振幅大到一定值之（zhī）後趨於（yú）穩定，這是因為切削用量有限，當刀具振幅（fú）比較大時刀具（jù）有（yǒu）一部分已（yǐ）經脫離（lí）工件（jiàn）不參與切削。機（jī）床顫振振幅穩定模型（xíng）主（zhǔ）要（yào）受到（dào）兩個非線性（xìng）因素影響，第一刀（dāo）具切（qiē）削中脫離工件不（bú）參與切削，第二切削力的非線性（xìng）特性。熊國良等[36]采（cǎi）用廣義（yì）傅裏（lǐ）葉級數法分析圓（yuán）柱立銑（xǐ）刀的（de）顫振問題，研（yán）究了主軸的陀螺效應對工藝係統穩定性的影響。石莉等[37]采用小波分析法對切（qiē）削力信號進行分析，根據切削力的波動來（lái）預測切削顫振，得（dé）到產生顫振的切削力信號範（fàn）圍，從而給避免顫振提供一個參（cān）考。劉安民等（děng）[38]通過分析加工噪音來判斷是否發生顫振，從分析顫振噪音中得到顫（chàn）振頻率，從而不需要測量機床-工件和機床-刀具的傳遞函數，就（jiù）可（kě）以建立（lì）動態切削力模型（xíng），得到主軸轉速和切削深度的穩定曲線。
1.3.4 切削參（cān）數優化研究現狀
在國內，閆國琛[39]對S50C模具（jù）鋼高速切削（xuē）加工進行工藝參（cān）數優化（huà）研究，采用正交試驗得出模具鋼表麵粗糙度影響因素的規律情（qíng）況，並（bìng）基於BP 神經網絡（luò）和遺傳算法（fǎ）進行工藝參數優化。陳展翼[40]通過高（gāo）速銑削試驗對（duì）鈦合金TC4材料進行正交試驗得（dé）到（dào）切（qiē）削參數對表麵粗糙度的影響（xiǎng）規律，並利（lì）用遺傳優化算法實現了銑（xǐ）削加工參數優化。黃豪[41]基於不同切削方式的切削原理是相同的理論，針對不同的切削方式建立統一的數學模型，在（zài）遺傳算法中加入模擬退火算（suàn）法算子，提出混合遺傳算法並對其進行測（cè）試和驗證。莊光法[42]對油管接箍內壁（bì）的車（chē）削（xuē）加（jiā）工中易發生變（biàn）形超差，加工效率（lǜ）低（dī）下等問題（tí），采用Deform軟件和（hé）正交試驗（yàn）進行切削力預測（cè）得出切削因素對切削力影響的主（zhǔ）次因（yīn）素，並基（jī）於粒子群算法以最小（xiǎo）圓（yuán）度誤差和最大生產率為目標進行切削參數優化。
在國外，H. Kurtaran[43]通過耦合響應曲麵法（RSM）與開發的（de）遺（yí）傳算法（GA）以最小表麵粗糙度為優化目標進行（háng）切削參數的優化。首先使用RSM建立表麵粗糙度值的（de）數學模型，再通（tōng）過遺傳（chuán）算法進一步優（yōu）化切削參數，最（zuì）終得到（dào）最佳切削參數。Franci Cus[44]基於神經網絡對（duì）切削參數進行多目標進行優化（huà），通過充分考慮技術、經濟等因素多目標優化。為了達到更精（jīng）確的預測結果，該神經網（wǎng）絡優化算法能夠實現對重（chóng）要的切削（xuē）參數簡單、快速和高效（xiào）的優化（huà）。該方（fāng）法適用於（yú）快速確定（dìng）最佳（jiā）切削參數的加工。Petropoulos[45]等提出使用幾何規劃（huá）方法進行數控車（chē）切削參數優化，該（gāi）優化方法綜合考慮機床的最大主軸功率和切削速度等（děng）因素，以最小生產成本為優（yōu）化目標。但該模（mó）型約（yuē）束條件（jiàn）多，計算量大，效率低（dī）下。Eskicioglu和Jha考（kǎo）慮了這個（gè）問題[46]，提出（chū）了基於幾何規劃法和拉格朗日乘數法的算法，以減少約（yuē）束（shù）數目，減少運算量。1.4 本文主要（yào）研究內容 航（háng）空整（zhěng）體葉輪（lún）的加工手段、加工精度和加工（gōng）表麵質量直接（jiē）影響葉輪（lún）的工作性能，對（duì）發動機性能有決定性的影響。作為一種（zhǒng）典型的通道類（lèi）複雜高精度零件，其葉片間流道間距較小，葉片扭曲度大（dà），其幾何結構複雜對加工造成很大困難，主要采用五軸數控機床進行加工。雖然目前進行了針對航空整體葉輪較多的（de）加工仿真及參數優化研究工作（zuò），但仍存在如下問題：（1）在參數優化研究（jiū）方麵，未（wèi）考慮機床穩定性問題，在機床穩定的前提下開展加工參數優化研（yán）究，才能同時保證五軸加工的效率和質量。（2）由於葉片扭曲大，通常（cháng）CAM軟件生成的數控程序隻考慮刀具與工件的幹涉，未考慮機床主軸與夾具、工作台的碰撞（zhuàng），不能完全確保刀具軌（guǐ）跡的正確性（xìng）和機床的安全性（xìng），因而需要考慮具體工藝（yì）係統，進行（háng）更全麵（miàn）的幾何（hé）仿真研（yán）究。針對以上問題，本文的主要研（yán）究工作如下：
1.基於VERICUT的（de）航空整體葉（yè）輪加工數控仿真建模。在（zài） VERICUT 環境下建立虛擬的數（shù）控機床實（shí）體、控製係統、刀庫、坐標係統等,創建數控仿真環境，實現針對具體工藝係統（tǒng）的幾何仿真，有效避免機床主軸、刀具與工作台、夾具之間碰（pèng）撞。
2.提出（chū）基於齊次變換的航空（kōng）整（zhěng）體葉輪數控程序後處理（lǐ）算（suàn）法。首先針對海德漢（hàn）i TNC530數控係統的傾斜加工（gōng）麵功能（néng），通過對CLSF刀位軌跡進行齊次變換運算，提出了機床運動坐（zuò）標的數控程序後處（chù）理算法（fǎ）。使用（yòng）UG NX8.5/Post Builder編寫後處理文件，通過NC代碼分析、VERICUT仿真驗證（zhèng）後處理（lǐ）方法（fǎ）的（de）正確性。
3.基於Cutpro9.0的工藝係統顫振穩定域獲取。首先采用力傳感（gǎn）器和加速度傳感器，通（tōng）過錘擊實驗來獲取機床-刀具和機床-工件的（de）頻響（xiǎng）函（hán）數。然後采用Cutpro9.0的動（dòng）力學仿真功（gōng）能，在給定的徑向切削深度（切寬（kuān））條件下，進行顫振穩定（dìng）域仿真，獲得表征主軸轉速和軸向切深（shēn）關係穩定域葉（yè）瓣圖。
4.基於幾何仿真和動力學仿真的切削參數優化。在工藝係（xì）統顫振（zhèn）穩定域仿真的基礎（chǔ）上，以切削時間為優化目標，切削深度（dù）、主軸轉速、每齒進（jìn）給量為實驗因素，設計三因素四水平的正交試驗，通過幾何仿真獲得切削時間。根據極差（chà）分（fèn）析和方差分析，得（dé）出三（sān）組較短切削時間的加工參數。對初步優化得（dé）到的三（sān）組（zǔ）切削參數進（jìn）一步（bù）進行動力學仿（fǎng）真，根據（jù）仿真結果確定最優工藝參數。
第 2 章 葉輪五軸數控加工幾何仿真
2.1 概述
由於航空整體葉輪五軸加工過程中刀軸變化頻繁，容易產生刀具幹涉或過切現象。隨著主軸的擺動或（huò）工作台的旋轉，如果考慮不周全，主軸與工作台或主軸與夾具之（zhī）間極易發生碰撞。為了解決這一（yī）問題，本節在（zài）VERICUT 環境下建立虛擬的數控機床實體、控（kòng）製係統、刀庫、坐標係統等，創建數控仿真環境，實現針對具（jù）體工藝係統的幾何仿真，有效避（bì）免機床主（zhǔ）軸、刀具與工作台、夾具之間碰撞考慮機床刀具與（yǔ）夾具、工件之（zhī）間的（de）碰撞，檢查過切現象。
2.2 VERICUT軟件簡（jiǎn）介
2.2.1 VERICUT簡介
美國CGTEC公（gōng）司的VERICUT軟件是最具代表性的幾何仿真軟件。其主要功能是完成數控程（chéng）序的幾何仿真、進行（háng）刀具與（yǔ）機（jī）床、夾具的碰撞檢查以及對（duì）數控代碼的優化。VERICUT可以與世界（jiè）上主流的CAM軟件進行對接，主要解決模型（xíng）轉換、NC程序傳（chuán）輸等問題，提高（gāo）加工過程仿真的效率。隨著數控技術（shù）在實際生產應用越來越多，VERICUT軟件也（yě）得到（dào）了廣泛應用。目前（qián），國外很多大的航空（kōng）公司汽車公司比如加拿大的龐巴迪（dí）公司、德國的大眾汽車公司、美（měi）國的波音公司等都已經把VERICUT軟件應用到生（shēng）產實踐中，在國內使用VERICUT的公司有青島（dǎo）海（hǎi）爾股份有（yǒu）限公司、天津汽車模具股份有限公司、沈陽飛機製造公司[47]。
VERICUT是交互仿真（zhēn）的NC程序數據去除（chú）材料過程。VERICUT軟件仿真可以替換昂（áng）貴的NC數據驗證過程，並且可以優化材（cái）料去除率。VERICUT通過仿真NC程序，可以減少或消除傳統費時費力（lì）的（de）數控程序試切驗證過程。它還可以優化程序中進給速度和主（zhǔ）軸轉速（sù）提高加工效率。這些能夠為企業（yè）以較（jiào）低的成本進行生產，創造更（gèng）高的利潤。VERICUT能夠核實NC程序的準確性，能夠確保加工完成的產品與設計的產品相匹配[48]。
2.2.2 VERICUT係統（tǒng）功能模塊
1.驗證與仿真模塊
VERICUT模擬仿真可以進行5軸銑削（xuē），鑽孔（kǒng）和線切割，以及車銑複（fù）合等仿真。類似加工零件的要求，VERICUT仿真（zhēn）也需要NC程序（xù）數據，毛坯模型，以及加工中所需（xū）的刀（dāo）具模（mó）型。VERICUT幾乎可以仿真任何格（gé）式的數控程序，比如G、M代碼數據以及APT文（wén）件。驗證處理（lǐ）的結果是加工完成的實體模（mó）型和錯誤信息報告的日誌文件。仿真結果得到實（shí）體模型可以進行檢測，查（chá）看零件的過切或欠切情況，還可以保存用作另一個NC程序的毛坯模型。日誌文件記（jì）錄著在模擬過程中任何（hé）加（jiā）工誤差和錯（cuò）誤。VERICUT驗證（zhèng）模塊可以簡（jiǎn）化傳統的試切驗證（zhèng）過程，減少產品的生產周期，提高生產率。
2. 數控程（chéng）序優化（huà）
VERICUT優化模塊（kuài）有自動（dòng）和用戶自動義兩種方式，可以最（zuì）大限度地提高材料去除率。VERICUT有恒定體積去除率和恒定切削厚度這兩種優化方法。恒定體積去（qù）除（chú）率的原理是通過設定一個切削體積（jī）(Vol)來（lái）調節進給速度，
，其中ap為切削深（shēn）度，ae為切削寬度，F為進給速度。當切削體積為零時，說明機床正在空走（zǒu）刀，沒有切削工件，這樣（yàng）可以適當提高切（qiē）削（xuē）速度；當切削體積大於優化庫中設（shè）定的值時，適當減少切削速度；當切削體積小於優（yōu）化庫中的值時（shí），增加切削速（sù）度。恒定（dìng）切削厚度的優化原理為通過變化進給速度來保持恒定的切削厚度，這種方法主要用於精加工。
2.2.3 VERICUT機床加工（gōng）仿真過程
要在 VERICUT 中（zhōng）實現加工仿真，首先（xiān）需要建立虛擬機床，選擇（zé）控製係統，建立加工中所（suǒ）需的毛坯和加工刀具，然後輸入 NC 數控程序，設置工件坐標係，開始仿真。仿真結束後，對仿真結果進行分（fèn）析。仿真操作流程如圖 2-1 所示。
圖 2-1仿真（zhēn）操作（zuò）流（liú）程圖
1.建立虛擬數控機床模型
VERICUT軟件中機床模型庫中（zhōng）有許多常見的機床模型，包括了（le）數控車床，三（sān）軸（zhóu）加工中心，五軸機床，電火花機床等。如果機床模型庫中，沒有所需的機床模型。可以通過三維建模軟件或VERICUT軟件進行建立機床（chuáng）模型，再通（tōng）過VERICUT定義其機床的運動（dòng）關係，這樣就可以建立自己所需（xū）的機床。
2.建立毛坯和夾具模型
通（tōng）過測量（liàng）實際毛坯和夾具建立三維模型，導入到（dào）VERICUT軟件中。建立夾具模型主要是檢查機床刀（dāo）具或主軸（zhóu）與夾具的碰撞情況。毛坯模型是VERICUT軟件進行加工仿真的必備條件。
3.建立刀具模型
VERICUT仿真與實際加工一樣（yàng）也是需（xū）要刀具的。VERICUT軟件中有建立刀具和刀柄的專用模塊。
4.設置係統參數
在進行切削仿真之前，還需要（yào）設（shè）置一些係統參數，如工件（jiàn）坐標係，刀具換（huàn）刀位置等。
5.加工仿真
建立完機床模型、夾具模型、刀具模型等，就可以（yǐ）導（dǎo）入NC數控程（chéng）序進行加工仿真。
6.仿真（zhēn）結果分析
對於仿真結果（guǒ），可以通過自動對比分析毛坯模型（xíng）與設計模型的差值，從而得到過（guò）切與欠切的情況。還可以通過查（chá）看仿（fǎng）真日誌文件，檢（jiǎn）查切削過（guò）程中機床與工（gōng）件之間發生的碰撞情況。通過分析仿真（zhēn）結果對數控程序或裝夾方案（àn）進行修改，以（yǐ）達到無錯誤的仿真結果。
7.程序優化
通過分析仿真結果，得到無碰撞無（wú）過切的數（shù）控程序後，使（shǐ）用VERICUT優（yōu）化模塊（kuài）進行切削速度（dù）的優化，提高（gāo）加工效（xiào）率。VERICUT優化不會改變數控程序原（yuán）有的刀（dāo）具軌（guǐ）跡，隻會（huì）改變進給速度和主軸轉速。
2.3 建立VERICUT虛擬數控仿真環境
2.3.1 VERICUT虛擬機床的建立
VERICUT虛擬機床的建（jiàn）立過程就是對實際機床進行測量在三維軟件中建立機床各部件的模型，導（dǎo）入到VERICUT軟件中按照實際運動邏輯關係進（jìn）行“裝配”。VERICUT構建機床流程（chéng）：第一建立機床（chuáng）各部件間運動關係；第二建立機床組件（jiàn）模型；第三設定機床相關參數。
本文選用的是DMG公司的HSC75 linear五（wǔ）軸高速加工中心，控製係統是海德漢i TNC530。該五軸機床屬於刀具擺（bǎi）動與工作台回（huí）轉類型，如圖2-2所（suǒ）示。其機床主要參（cān）數如表2-1 所示。
圖 2-2 德瑪吉 HSC75 機床
表 2-1 德瑪吉 HSC75 機床主要參數
建立虛擬機床模型必須要了解機床各部件間的運動關係以及它們的依附關係，再將機床進行運動分解。通過分析機床的結構可知HSC75有兩大運動鏈，主軸運動鏈和毛坯運動鏈。主軸運動鏈：Y軸依附於Base(床身)，Y軸運動不影響（xiǎng）Base的狀態和位置變化；Z軸依（yī）附（fù）於Y軸，並會隨著Y軸（zhóu）的移動而改變位置；B軸依附於（yú）Z軸，並（bìng）會隨著Z軸的移動（dòng）而（ér）改（gǎi）變位置；主軸依（yī）附於B軸，並會隨著B軸的移動（dòng）而（ér）改變位置；刀（dāo）具依（yī）附（fù）於主軸，並會隨著主軸的移動而改變位置（zhì）。即Base→Y→Z→B→Spindle→Tool。毛坯運動鏈：X軸依附於Base，X軸運動不影響Base的狀態和位置變化（huà）；C軸（zhóu）依附於X軸，並會隨著X軸（zhóu）的移動而改變位置；夾具依附（fù）於C軸，並會隨著C軸的（de）移動而改變位置；毛（máo）坯依附於夾具，並（bìng）會隨著夾具的移動而改變（biàn）位置。即Base→X→C→Fixture→Stock。建立的機床組件樹如（rú）圖2-3所示。
圖 2-3 HSC75 機床組件樹
建立完機床組件樹後，下麵（miàn）就需要添加機床各部件的3D模型。為了建模方便，本文將在UG軟件中建立機床各部件的三維模型，然後導出STL格式的機床模型文件，添（tiān）加到VERICUT中。在UG中建立機床模型的坐標係要（yào）和VERICUT中的機床坐標係一致，建立各個軸的模型（xíng）時（shí），須按照機（jī）床位於零點位置時各坐標軸的位置（zhì）及（jí）狀（zhuàng）態來建模，這樣（yàng）能有效減少後續機床調試難度和時間。由於（yú）HSC75五軸機床的B軸旋轉是機床主軸擺動（dòng），因此機床主軸在擺動過程中（zhōng）很容易與工作台、夾具等（děng）發生碰（pèng）撞。這就要求機床（chuáng）各運動軸的（de）位置關係一定要與實際位置相一致。而其他機床部件比如機床麵板、機床外殼等可以進行（háng）簡（jiǎn）化建模或（huò）者不需要建模，這樣可（kě）以減輕工作量提高VERICUT仿真速度。 導入機床部件模型（xíng）文件後，還（hái）需要進行機床參數的設定，如機床（chuáng）機械原點、機床（chuáng）換刀位置、機（jī）床各軸行程範圍等。打（dǎ）開“配置”——“機（jī）床設定”，按順序進行設定碰撞檢（jiǎn）測、表、行程極限、軸優先、子程序、機床備忘錄等參數。通過（guò）以上設置，就完成HSC75機床仿真模（mó）型建立如圖2-4所示。
圖 2-4 HSC75 機床仿真模型
2.3.2 VERICUT虛（xū）擬刀具庫的建立
VERICUT軟件中有專用於建立刀具和刀柄的模塊，可以建立與（yǔ）生產加工一致的刀（dāo）具和刀柄文件，如可以建立立銑刀、球頭銑刀、盤銑刀、鑽頭等。選擇“項目”→“刀具”命令，係統彈出圖2-5所示（shì）的“刀具管理器”對話框。該對話框主（zhǔ）要有4部分顯示區域：刀具號、刀具參數區、圖形顯示區和信息提示區（qū），每個不同的區域可相互（hù）作用。
圖 2-5 刀具管理器對話（huà）框
在VERICUT係統中的“刀具（jù）管理”對話框中，用（yòng）戶可以根據具體應用場合定義不同的刀具類型，包括銑刀、車刀、鏜刀、探針、線切割刀具共5種類型。本文研究用到的刀具都是銑刀，按形狀（zhuàng）可分為平底銑刀、麵銑刀、球頭銑刀、牛鼻銑刀和（hé）鑽削銑刀。
在圖2-5所示的“刀具管理器”對話框中選擇“添加”→“新”→“銑削”命令，係統將彈出圖2-6所示的對話框。在“組件類型”下拉列表框中選擇不同（tóng）的選項，對話框（kuàng）中需設置的內容也不一樣。當“組件類型”下拉列表框中選擇“旋轉型刀（dāo）具”時，可創建平頭銑刀或球（qiú）頭銑刀等，按要求輸入刀具切削刃結構尺寸即可。通過這種（zhǒng）方法，創建本文研（yán）究所需的刀具。
圖 2-6 旋轉型刀具對話（huà）框（kuàng）
2.3.3 VERICUT其他參數的設定
建（jiàn）立（lì）完機床和刀具庫後，需要設定數控程序加工基準，也就是實際加工中（zhōng）所說的對刀（dāo）。VERICUT提供（gòng）的對刀方式有“基於工（gōng）作偏（piān）置”、“機床零（líng）點”、“工作偏置”、“程序零點”、“輸入程序零點”、“RTCP旋轉點偏置”及“RPCP旋（xuán）轉點偏置”。本文使用程序零點對刀，打開G代碼（mǎ）偏置對話框（kuàng）如圖2-7所示。一般情況下主軸上（shàng）不帶旋轉軸的機床對刀時，選擇Spindle組件（jiàn），如果主軸上有旋轉軸，選擇主軸上的旋轉（zhuǎn）軸來（lái）對刀，主軸上有兩個或兩個（gè）以上的旋（xuán）轉軸，選（xuǎn）擇主軸分支上線性軸下連（lián）續的旋轉軸對刀。
圖 2-7 G 代碼偏置對話框
2.3.4 VERICUT虛擬仿真環境驗證
構建好了機（jī）床模（mó）型後，下麵添加已經實際驗證過無碰撞的數控程序來進行數控加工仿真，驗證HSC75虛擬機床的正確性。操作步驟如下：
（1）右擊項目樹中（zhōng）“控製”→“打開”→“hei530.ctl”，加載hei530.ctl控製文件（jiàn）。
（2）在組件模型樹中添加（jiā）已經創建好的（de）夾具和（hé）毛坯模型文件。
（3）設置加工坐標係，右擊“坐標（biāo）係統”→“添加新的坐標係”，創建（jiàn）一個Csys 1的坐標係，然後將坐標係移動到毛坯上表麵的中心，使Csys 1與編程加工（gōng）坐標係重合。
（4）設置G—代（dài）碼偏置（zhì），在偏置名中選擇“程序零點”，子係統名為“1”，點擊添（tiān）加。選擇“從”特征為“組件”，名（míng）字為“B”，選擇“到（dào）”特（tè）征為“組件”，名字（zì）為“Csys 1”。
（5）加載（zǎi）之前所創建的刀具庫
（6）添加（jiā）數控程序
（7）在VERICUT主（zhǔ）窗口中，點擊（jī）右下角的“重置模型”按鈕，再點擊“仿真到末端”，開始數控加工過程仿真，仿真結果（guǒ）和自動-比較報告如圖2-8所示。
圖 2-8 仿真（zhēn）結果和（hé）自（zì）動-比較報告
仿真結果圖沒有顯示紅色區域，說明刀具沒有與夾具、工作台（tái）等發生碰撞；自動—比較分析報告隻顯示最大殘留部分，無過（guò）切（qiē）信息，說明工件無過切（qiē）現象。這就驗證了數控仿真環境 HSC75 虛擬機床的（de）正確性。
2.4 本章小結
本章節中，在 VERICUT 建立虛擬的數控（kòng）機床實體、控製係（xì）統、刀庫、坐標係統等,創建一個數控仿真環境，檢驗機床各部件（jiàn）之間、刀具與夾具之間及刀具與毛坯之間的幹涉和碰（pèng）撞，為後續檢查（chá）葉（yè）輪加工幹涉做準備（bèi）。同（tóng）時，總結出幾點利用VERICUT軟件進行虛擬數控機床建模的關鍵（jiàn）技術。第一，根據實際數控機床各個運動坐標軸和主要部件的運動邏輯關（guān）係來建立正確的機床運動組件拓（tuò）撲關係；第二，在（zài）UG中創建（jiàn）機床三維模型，需要注意建模坐標係（xì）與VERICUT中的機床坐標係相（xiàng）重合，方便後續裝配機床；第三，設置G—代碼（mǎ）偏置時需要考慮機床的（de）結構（gòu），不同的機床結構對應（yīng）不同（tóng）的G—代碼偏置。
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