（机械工程专业论文）仿真技术在复杂零件数控加工中的应用.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i 够o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a s t e r ，st h e s i s0 f e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y w i t hc n c m a c h i n i n g o f c o m p l e xp a l t s b y h a nz h i y ，0 n g u n d e rt h es u p e i s i o no f p r o f e s s o rl uj 洫h u i s e n i o re n g i n e e rx u p e n gc h e n g 3 e n l o re n 2 m e e r x u 上j e n gc n e n g z h e n g z l l o ua i r c r a rc o l t d n o v e m b e r 2 0 1 2 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：曼鱼差加l l 吼月l 穸日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盎蟹透2 口f l 年f 2 月伊日 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 摘要 随着产品竞争的激烈，产品研制周期缩短，由于零件形状越来越复杂，机床刀具 轨迹的生成过程中一般不考虑机床的具体结构和工件的装夹方式，若还是以借助零件 的c a d 图形，取坐标点位检查程序，然后再在数控机床上试加工，验证程序的准确性， 研制周期将会严重滞后，而且研制风险也会增大。 为确保数控程序的正确性，在实际加工前采取仿真的方法对加工程序进行验证并 修正。 借助计算机辅助设计制造软件一c a t i a 实现三维环境下的刀具加工轨迹仿真，并 验证在后置处理前，刀具轨迹的正确性。 通过后置处理，生成数控机床可识别的代码，在程序下发，开始真实制造之前， 借助v e r 工c u t 数控加工仿真软件进行数控程序的仿真，模拟真实加工环境，检测加工 过程中可能存在的问题。 通过仿真技术的应用，在复杂零件的加工中，消除了由于程序错误导致的切伤工 件、损坏夹具、折断刀具或碰撞机床的现象；减少了废品和重复地调试程序；大幅度 地提高了加工效率，改善了加工质量，缩短了研制周期，对现代制造业的发展具有重 要意义。 关键词：仿真，c a t i a ，v e r i c u t 工程硕士学位论文 仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 a b s t r a c t a st h ep r o d u c to fi n t e n s ec o i n p e t i t i o n ，s h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l e ， t h ei n c r e a s i n g l yc o m p l e xs h a p ep a r t s ，m a c h i n et o o lp a t hg e n e r a t i o n p r o c e s si sg e n e r a l l yn o tc o n s i d e r e dt h es p e c i f i cs t r u c t u r eo ft h e m a c h i n et o o l a n dt h ew o r k p i e c ec l a m p i n g ，o rw i t ht h ep a r t so ft h ec a dg r a p h i c s ，t a k et h e c o o r d i n a t ep o i n ti n s p e c t i o np r o c e d u r e s ，a n dt h e nt e s tp r o c e s s i n go nc n c m a c h i n et o o l st ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ep r o g r a md e v e l o p m e n tc y c l ew i l l b es e r i o u s l yl a g g i n gb e h i n d ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fr i s kw i l li n c r e a s e t a k e nb e f o r et h ea c t u a lm a c h i n i n gs i m u l a t i o nm e t h o do fp r o c e s s i n g p r o c e d u r e st oe n s u r et h ec o r r e c t n e s so ft h en cp r o g r a mv e r i f i c a t i o n a n d c o r r e c ti o n w i t h c o m p u t e r a i d e dd e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n gs o f t w a r e c a t i a 3 d e n v i r o n m e n tt 0 0 1 i n gt r a j e c t o r ys i m u l a t i o n ，a n dv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e t 0 0 1p a t hb e f o r ep o s t p r o c e s s i n g c n cm a c h i n et o o l sc a nb ei d e n t i f i e dt h r o u g hp o s t p r o c e s s i n g ， g e n e r a t e c o d e ， is s u e du n d e rt h ep r o g r a m ，b e f o r es t a r t i n gt h er e a lm a n u f a c t u r i n g ，w i t h o fv e r i c u tc n cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rt h en cp r o g r a ms i m u l a t i o n ， t os i m u l a t et h er e a lp r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t ， t h e r em a yb ep r o b l e m si nt h e d e t e c ti o np r o c e s s t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yi nt h ep r o c e s s i n go f c o m p l e xp a r t s ， e li m i n a t e ， d a m a g e d u et oap r o c e d u r a le r r o rl e dt oc u t s w o r k p i e c ef i x t u r e s ， b r o k e nt o o lo rc o l l i s i o nm a c h i n e ：r e d u c es c r a pa n d r e p e a t e d l yd e b u g g e r ：s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ， i m p r o v ep r o c e s s i n gq u a l i t ya n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nm a n u f a c t u r i n g k e y w o r d s ：s i m u l a t i o n ，c a t i a ，v e r i c u t i i 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 目录 1 绪论1 1 1国内外研究状况1 1 2 现阶段工厂存在的问题3 2 零件的建模4 2 1 建模的基本概念和要求4 2 2 建模的基本原理4 2 3 零件的建模过程4 3 零件的加工仿真7 3 1 零件的加工难点7 3 2 基于c a t i a 的刀位数据仿真实例7 3 2 1 建立虚拟的加工环境7 3 2 1 1 建立机床模型8 3 2 1 2 建立夹具模型1 0 3 2 1 3 建立刀具模型1 2 3 2 2 创建数控加工操作1 2 3 2 2 1 零件操作定义1 2 3 2 2 2 上平面铣削1 3 3 2 2 3 刀路仿真1 4 3 2 2 4 型腔铣削加工1 5 3 2 2 5 轮廓铣削加工1 6 3 2 3 整机仿真模拟1 7 3 3 基于v e r i c u t 的数控程序仿真实例1 8 3 3 1 机床的构建1 8 3 3 1 1c a t i a 输出机床模型1 8 3 3 1 2v e r i c u t 导入机床模型1 9 3 3 1 3 机床参数设置2 1 3 3 2 控制系统设置2 3 3 3 3 刀具构建2 3 3 3 3 1 创建刀具2 4 3 3 3 2 设置刀具装夹点2 6 3 3 3 3 刀具文件的保存2 6 n l 工程硕士学位论文 仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 3 3 3 4 刀具的测试2 7 3 3 4 添加数控程序2 7 3 3 5 添加夹具、毛坯和工序模型2 7 3 3 6 定义加工坐标系g 5 4 2 8 3 3 7 工位配置2 8 3 3 8 运行数控程序仿真2 9 3 3 9 仿真加工质量检查3 l 3 3 9 1 测量功能3 l 3 3 9 2 自动比较功能3 2 3 2 9 3 比较测定器3 3 3 3 9 4 检查功能3 3 3 3 1 0 优化切削速度3 3 4 试验件加工验证及影响仿真准确性的因素3 5 4 1 试验件加工验证3 5 4 2 影响仿真准确性的因素3 6 5 结论3 8 攻读学位期间获奖和发表论文情况3 9 致谢4 0 参考文献4 l 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 1 绪论 1 1 国内外研究状况 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ，v a ) 是一项综合集成计算机图形学、人机交互 技术、传感技术、人工智能等技术领域，它通过计算机设备创建出逼真的三维嗅觉、 视觉、听觉等感觉，作为参与者的人使用适当装置，自然地在虚拟世界里体验和交互。 虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何 事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现 的。而“虚拟 是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种 特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控 制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。 从本质上讲，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供 诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用 户操作，从而减轻用户的负担，提高系统的工作效率。 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环境。 与传统的计算机人一机界面( 如键盘、鼠标器、图形用户界面以及流行的w i n d o w s 等) 相比，虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。传统的人一机界面将用 户和计算机视为两个独立的实体，而将界面视为信息交换的媒介，由用户把要求或指 令输入计算机，计算机对信息或受控对象作出动作反馈。虚拟现实则将用户和计算机 视为一个整体，通过各种直观的工具将信息进行可视化，形成一个逼真的环境，用户 直接置身于这种三维信息空间中自由地使用各种信息，并由此控制计算机。 早在2 0 世纪6 0 年代初，随着c a d 技术的发展，人们就开始研究立体声与三维立 体显示相结合的计算机系统。8 0 年代，j a r o nl a n i e r 提出了”虚拟现实”v r ( v i r t u a l r e a l i t y ) 的观点，目的在于建立一种新的用户界面，使用户可以置身于计算机所表 示的三维空间资料库环境中，并可以通过眼、手、耳或特殊的空间三维装置在这个环 境中”环游”，创造出一种”亲临其境”的感觉。9 0 年代发展成为一种新兴技术，并在 制造业中迅速得到应用。 虚拟现实可广泛用于各个领域，将虚拟现实技术应用于工程设计制造中，模拟整 个生产过程及产品的使用过程，对生产质量进行模拟监控，对可能发生质量问题的环 节加以控制，这就是虚拟制造。虚拟制造并不是真实的制造过程，它不产生真实产品， 不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型在计算机上完成 制造过程。 绪论 工程硕士学位论文 在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生 了很大变化，在2 0 世纪3 0 6 0 年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、 通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；7 0 年代更加重视降低生产成本， 如：日本丰田公司采用准时化生产；8 0 年代提高产品质量成为主要目标；进入9 0 年 代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益 生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强 企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。 基于虚拟现实技术的虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 技术是在一个统一模 型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在 三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助 建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各 种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而 更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期 设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量 的最优化、生产效率的最大化。 随着机械加工零件复杂程度、精度要求的不断提高、加工材料种类不断变化，复 合材料、合金材料应用越来越普遍，数控加工程序也越来越复杂，如何保证数控加工 程序的正确性、实现数控程序优化，以及如何提高数控设备利用率、降低数控机床的 安全隐患就成为制造企业面临的现实问题。虚拟仿真技术作为先进制造技术的关键技 术之一，其技术的应用成为制造企业加工过程中亟待解决的重大研究课题，也是有效 提高数控设备利用率、提升数控技术应用水平的技术关键。 近几年，数控技术得到了快速发展，但加工零件的n c 代码在实际加工前通常需 要进行试切，以检验n c 代码的正确性和被加工零件是否达到工艺要求，这一过程不 仅周期长、劳动强度大，而且成本高。数控仿真系统是采用计算机建模和仿真技术来 模拟实际数控加工环境，从而部分和完全代替了试切环节，减少设计和制造周期及成 本。利用数控仿真系统还可以检验数控加工中出现的各种现象。在虚拟制造中，通过 对数控机床及系统的建模进而虚拟地仿真数控加工过程，不仅能节省资源、避免风险， 而且可以通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对机床操作人员进行培训， 帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。人能够凭直觉感知计算机产生的 三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案或更改方案时能够在真实制造之前在虚拟 环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做 出评估与优化。系统具有仿真效果真实感强、实时性好的优点。 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 1 2 现阶段工厂存在的问题 我所在的单位作为机械加工车间主要承担各类高精度零件的数控加工任务。在以 前编制一项新品加工程序，主要是借助零件的c a d 图形，取坐标点位，逐行逐句的手 工编写程序段，编写完成后在数控机床上试加工，验证程序的准确性。如果程序中出 现指令代码、进退刀设置、坐标点位等错误，就会造成零件超差，甚至报废，给工厂 造成很大的损失，影响产品的研制进度。 随着产品竞争的激烈，产品研制周期缩短，若还是以原来的编程方式、验证程序 准确性的方式研制产品，周期将会严重滞后，而且研制风险也会增大。由于零件形状 越来越复杂，机床刀具轨迹的生成过程中一般不考虑机床的具体结构和工件的装夹方 式，所以不能确保编写出的数控加工程序能够安全、正确的执行，尽管目前在工艺规 划和刀具轨迹生成等技术方面已经取得了很大的进展，但是由于这些零件形状的复杂 多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序并不存在任何问题仍十分困 难。如果能在零件制造前，就能验证程序准确性，提前发现程序错误，可以避免因试 加工造成的零件报废，避免重复的编写程序，提高工作效率，节省大量时间。 本文以某机械加工零件为例，通过计算机仿真技术的应用，提高复杂零件加工程 序的准确性。 零件的建模工程硕士学位论文 2 零件的建模 2 1 建模的基本概念和要求 建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描 述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造 一个实体的模型。在c a d c a m 中，产品或零部件的设计思想和工程信息是以具有一定 结构的数字化模型方式存储在计算机内部的，并经过适当转换提供给生产过程各个环 节，从而构成统一的产品数据模型。模型一般由数据、数据结构、算法三部分组成。 建模技术是系统的核心，建模的过程依赖于计算机的软硬件环境、面向产品的创 造性过程。建模技术应满足以下要求： 1 建模系统应具备信息描述的完整性 2 建模技术应贯穿产品生命周期的整个过程 3 建模技术应为企业信息集成创造条件 2 2 建模的基本原理 实体建模是定义一些基本体素，通过基本体素的集合运算或变形操作生成复杂形 体的一种建模技术，其特点在于三维立体的表面与其实体同时生成。 由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，因此能完整地描述物体的所有 几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息。 实体建模的优点： 1 可以提供实体完整的信息； 2 可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能； 3 能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到n c 刀具轨迹的生成。 实体建模的方法：按照物体生成的方法不同可分为体素法和扫描法。 2 3 零件的建模过程 借助计算机辅助设计制造软件c a t i a ，建立复杂零件的实体模型。在建模过程 中尽量按照零件的工艺路线顺序，安排各个实体特征的操作，这样有利于工序模型的 输出，避免重复的工作。 由于零件壁厚薄，加工时极易变形，故采用先粗加工，再精加工，中间进行零件 的去应力时效，减少变形对尺寸精度的影响。工艺基准的选取应尽量与设计基准一致， 这里选取零件的两个直径为2 0 的孔及零件大面作为工艺的定位基准。在加工大面时 钻孔，保证了孔与面的垂直度，有利于提高定位基准的精度。 4 工程硕士学位论文 仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 该零件的工艺路线见表2 1 ： 表2 1 工艺路线表 工序加工部位方法加工方式 1 零件大面粗加工面铣削 2零件腔体粗加工型腔铣削 3 零件外轮廓粗加工轮廓铣削 4 零件大面精加工面铣削 5 零件腔体精加工型腔铣削 6 零件外轮廓精加工轮廓铣削 按照表2 1 中工艺路线的顺序，先建立零件的毛坯，然后是基准平面，工作量最 大的是零件的型腔建模，这也是零件的核心部位，这里需要大量的采用拉伸切除操作， 而且切除的外形复杂，尽量按照设计基准建模，最后是零件的外轮廓。 具体的建模过程是： ( 1 ) 按照毛坯尺寸拉伸得到板材实体。 ( 2 ) 切除板材两大面，单边留2 姗余量，建立粗加工基准平面。 ( 3 ) 尽量按照设计基准，绘制型腔轮廓草图截面( 单边留2 衄余量) 并作拉伸切除， 得到各个深度的型腔。 ( 4 ) 绘制零件外轮廓截面( 单边留2 姗余量) 并作拉伸切除。 ( 5 ) 切除板材两大面余量，建立精加工基准平面。 ( 6 ) 绘制最终型腔轮廓草图截面并作拉伸切除，得到最终型腔。 ( 7 ) 拉伸切除得到最终零件的外轮廓。 ( 8 ) 倒出根部圆角r 3 。 按照以上建模思路，在c a t i a 建模模块中建立的零件如图2 1 所示。 零件的建模 工程硕士学位论文 图2 1 零件三维实体图 模型建立完成后，按照工序的顺序，依次保存各个工序的实体，方法是：例如在 产品树上右键单击工序1 的最后一个特征操作，选择“定义工作对象 ，然后点击另 存为，将文件以“c a t p a r t 为后缀保存，文件名为“g x l ”，用相同的方法来保存其 他工序实体。 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 3 零件的加工仿真 3 1 零件的加工难点 该零件( 见图2 1 ) 是我厂最新研制产品的关键件，材料为铝合金，以前都是以 铸件为毛坯，现在改为预拉伸板材进行加工。工件正面由舱门轮廓外形及高精度孔系 组成，反面腔体内结构形状复杂，由多个槽腔组合而成，多条加强筋分布在槽腔之间， 腔体外形和深度各不相同，几何尺寸较多。加强筋的厚度及高度也各不相同，有的中 间开有缺口，槽腔中还存在两处凸台。零件整体的加工精度和表面质量要求高。由于 重量的限制，该腔体材料去除率达9 0 ，刚性较差。该工件属于高精度、异形复杂腔 体类零件，是数控加工的典型对象之一。 若采用手工编程方式，程序坐标点位数量庞大，材料去除部分的加工轨迹还要在 a u t o c a d 平面图中画出，加工中极易出现切伤工件、损坏夹具、折断刀具或碰撞机床 的现象，因此在编程过程中既要考虑刀具轨迹的正确，又要考虑刀具与夹具、机床是 否会发生干涉碰撞，这些都大大地增加了编程员的工作难度。为了降低工作难度及效 率，采用计算机辅助编程方式，运用仿真技术来避免问题的产生。 根据在仿真过程中的数据驱动是采用c l ( c u t t e rl o c a t i o n ，即刀位) 数据还是 采用n c 代码，数控加工仿真可分为两类：一类是基于后置处理前的数据( c l 数据) 所进行的仿真；另一类是基于n c 程序的数控加工过程仿真n4 i 。前者可以借助面向制 造行业的c a d c a e c a m 高端软件c a t i a 相关模块来实现，而基于n c 代码的加工仿真 则需要借助v e r i c u t 仿真软件来完成。 3 2 基于c a t i a 的刀位数据仿真实例 计算机自动编程生成的程序为刀位数据，通过后置处理软件才能将刀位数据转化 为机床识别的n c 代码。刀位数据是否正确直接关系到n c 代码的正确性，因此我们要 先进行刀位数据的仿真。 3 2 1 建立虚拟的加工环境 虚拟的加工环境，包括机床模型、夹具模型、刀具模型。机床模型不仅要建立三 维实体，还要赋予各个部件的运动关系，实现机床运动仿真，这需要在机床模拟模块 ( v n c ) 下完成。建立夹具模型时要注意夹具与工件的位置要按照真实的状态摆放，仿 真时才能得到准确的结果。刀具模型在n c 加工模块里就包含有一般刀具模型的定义， 如立铣刀、球头刀、钻头、面铣刀等，复杂刀具需要在相关的库中建立，创建好后刀 具也会被自动带入到仿真环境中。 零件的加工仿真工程硕士学位论文 3 2 1 1 建立机床模型 该零件是在三轴立式数控加工中心上进行加工，我们要建立一台同型号的机床， 这个过程包括机床实体建模、机床模型组装、机床参数设置。 一、机床实体建模 通过测量真实部件的尺寸，对机床各个部件进行实体造型。这里需要注意的是测 量数据一定要准确，全面，三维实体一定能够真实的反映实际部件的形状大小。 三轴立式数控加工中心的机床部件主要包括床身、x 轴部件、y 轴部件、z 轴部 件和刀库，其中床身为固定部件。首先进入机械设计模块的零件造型模块，利用拉伸、 切除命令，根据机床部件的实际尺寸，创建机床部件的三维实体模型，并以后缀名为 “c a t p a r t 的文件分别保存，如图3 1 所示。 二、机床模型组装 按照实际机床结构，利用c a t i a 机械设计模块下的装配设计模块，对各个部件进 行组装。首先进入装配设计模块，鼠标选中窗口左侧产品树中“产品1 ”，然后选择 銎d a o g u n 鼋圆 。舞d a 。g l l 涨d a o 舭1 ) 么心 - a p 刚c 醐o n s 鸭豫 了 蔷滋溢茏纛瀚叠盛溺羹浚盔盛 w 。臻k t a b | e 一馨蠹y z 半回i ： 卜 飞嘘d 。| 要_ 一夔懑d 平面 i 、 一；童霉一。弓芘、 眵， 喝 工程硕士学位论文 仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 框，将取向箭头设为相向，确定后完成y 轴方向部件导轨下表面与床身的装配。选择 “接触约束命令，左键依次单击y 轴方向部件导轨一侧面，和床身凹槽与之配合一 侧面，单击确定按钮，完成y 轴方向部件导轨侧面与床身的装配。至此y 轴方向部件 就与机床床身装配完成。 用同样的方法依次完成x 轴方向部件( 工作台) 与y 轴方向部件装配，z 轴方向部 件( 主轴) 与床身的装配，并以后缀名为“c a t p r o d u c t ”的文件保存( 如图3 2 ) 。 三、机床参数设置 这个需要在“n cm a c h i n et 0 0 lb u i l d e r ”模块下完成。该模块允许用户更详细 的描述在装配设计模块下创建的机床，内容包括定义各个部件运动，机床的原点，x y z 轴的行程，刀具和工件的安装点( 当机床加工时，刀具和工件附着的位置) 。这里需 要注意的是一定要先删除已有的约束，然后在定义运动副的时候创建新的约束。 首先进入c a t i a ，打开“n cm a c h i n et 0 0 1b u i l d e r ”模块，从“文件”菜单中 选择“打开”，重新打开之前创建的机床装配文件。删除左侧产品树中“约束 节点。 存在的约束中不要包括任何运动信息；在定义运动副的时候新的约束将被创建。 图3 2 机床装配实体图 选择“新机床”命令；一个n c 控制节点被添加在产品树中，“机械结构”节点被 添加在“应用”节点下。展开n c 控制节点，我们可以看到刀具和工件的安装节点， 这两个是用来定义在机床刀具路径模拟模块下，发出换刀指令时，切削刀具安装的位 置，以及工件放置的位置。选择“固定的零件 命令，左键单击床身实体，在弹出的 对话框中点击确定，此时就将床身设置为固定的零件。 下面我们来创建运动副。首先创建y 轴方向部件与床身的运动副，我们选择运动 副工具栏中的移动副命令，弹出对话框，允许用户通过直线和平面来定义运动副，我 9 零件的加工仿真工程硕士学位论文 们选择y 轴方向部件导轨的上表面和y 方向一条直线，以及在床身上与y 轴方向部件 装配相对应的平面和直线。最后点选“长度驱动”选项，点击确定完成y 轴方向部件 与床身的运动副创建。用同样的方法依次创建x 轴方向部件( 工作台) 与y 轴方向部件 平移运动副，z 轴方向部件( 主轴) 与床身平移运动副。 设置机床的行程可以通过“行程限制命令来完成。选择该命令后，在弹出对话框 的中可以设置每个轴的行程；默认设置为1 0 0 0 0 0 咖。警告范围栏中是用来定义当各 个轴超出行程之前需要设定的距离范围。在机床刀具轨迹模拟模块下，警告范围会有 颜色指示。警告范围可以以行程的百分数来表示，也可以是绝对值。在下限中设置最 小值，在上限中设置最大值。 通过“原点位置 命令设置机床原点位置。在原点位置观察器对话框中，点击新 建按钮，打开原点位置编辑对话框，拖动各个轴数值条中的灰色箭头，创建一个机床 原点。点击关闭按钮后，一个原点位置名称就被添加在原点位置观察器对话框中。再 点击关闭按钮，完成机床原点位置的创建。 定义工件安装及刀具安装点。在产品树上“n c c o n t r o l l e r ”节点内有两个节点， 分别是“w o r k p i e c em o u n tp o i n t ( 工件安装点) ”和“t 0 0 1m o u n tp o i n t ( 刀具安装 点) ”。工件安装点可设在工作台上表面的任意位置，最好设置在中心位置，刀具安 装点在z 轴主轴下端面的中心处，为了方便，可以先在工作台表面中心位置和主轴下 端面的中心处各创建一个点。用鼠标左键双击“w o r k p i e c em o u n tp o i n t 节点，此 时机床模型上出现绿色的罗盘，将罗盘中心移动到工作台上表面中心位置创建的点 上，再用鼠标左键单击工作台部件，弹出设定位置对话框，按“确定 即可完成工件 接合点的设置( 当然，也可改变x 轴、y 轴的坐标来调整罗盘的位置) ，用相同的方法 来设置刀具接合点。 完成以上操作后，以后缀名为“c a t p r o d u c t 的文件保存在与机床各部件文件所 在的同一文件夹内。 3 2 1 2 建立夹具模型 由于该零件总体形状为长方体板式零件，长度和宽度尺寸较大，内部为槽腔结构， 刚性较差，并且为新产品试制，批量较小，故采用组合夹具对零件进行定位和夹紧。 首先进入c a t i a 的装配设计模块，点选“现有部件 命令，在弹出的对话框中打 开前面我们创建的工序实体，例如g x l c a t p a r t 。在窗口左侧的产品树上就会产生一 个“g x l 的零件节点，鼠标右键单击“产品1 ”，选择“部件”命令下的“新建产品” 命令，产品树中出现一个“产品2 ”的节点，并与“g x l ”节点并列，在属性中将其 命名为“夹具 。至此就完成了夹具体与零件的结构树创建。 然后在“夹具 的节点处右键选择“部件”命令下的“新建零件命令，在弹出 l o 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 的对话框上选择“否”，产品树中在夹具节点下就产生了一个“零件1 的零件节点。 双击“零件1 节点下的“零件集合体”节点，此时窗口界面就会自动切换到零件设 计模块，下面我们就可以参照零件实体，选择合理的夹紧位置，设计第一个压板实体。 其他的压板也可以用同样的方法创建，节点与“零件l 节点并列。点击保存为后缀 名为“c a t p r o d u c t 的文件。 压板和机床之间有螺栓连接，螺栓位置需要参照零件在机床工作台的位置来确 定，因此我们要首先调入机床模型，将零件放在工作台上，然后在设计螺栓位置。 调入机床模型的方法是：打开刚才创建的后缀名为“c a t p r o d u c t 的夹具与零件 的组合体模型文件，进入加工模块下的2 5 轴数控加工模块，在左侧的产品树中，右 键单击”p a r to p e r a t i o n1 ”节点，选择“从文件中分配机床”选项，在弹出的对话 框中，选择之前创建好的后缀名为“c a t p r o d u c t 的机床组合件模型。此时机床就被 添加在了加工模块界面下。 现在的界面里包括机床模型、夹具压板模型，工序零件模型。我们进入加工模拟 模块下的机床模拟模块，选择工件自动安装命令，界面中就会出现一个红绿色表示 的连接器符号，这就表明在之前定义的机床上的工件安装点，与工件的加工坐标系之 间建立了联系，工件就被放在了工作台上。 现在我们开始创建螺栓实体。再次进入装配设计模块，在“夹具 的节点处右键 选择“部件 命令下的“新建零件 命令，在弹出的对话框上选择“否”，产品树中 在夹具节点下就产生了一个零件节点。双击新建的零件节点下的“零件集合体”节点， 此时窗口界面就会自动切换到零件设计模块，下面我们就可以参照零件实体，机床工 作台上的t 型槽，选择合理的固定位置，设计螺栓实体。最终的产品结构树如图3 3 所示。 图3 3 产品结构树 夹具实体设计完成后，通过装配设计模块下的约束工具栏，给夹具零件之间添加 约束，将他们组装在一起。然后再将零件的上表面与压板的下表面添加接触约束，螺 零件的加工仿真工程硕士学位论文 栓与工作台t 型槽添加接触约束，至此我们就完成了夹具实体的设计( 如图3 4 所示) ， 点击保存为后缀名“c a t p r o c e s s 的文件。 图3 4 夹具实体放置位置图 3 2 1 3 建立刀具模型 刀具模型在n c 加工模块里就包含有各种刀具模型的定义，此项内容将在3 1 2 创建数控加工操作中详细叙述。 3 2 2 创建数控加工操作 根据加工工序内容，在n c 制造模块下完成每道工序的加工操作。软件本身提供 了很多加工操作，如平面铣削、钻孔、槽腔铣削、曲面加工等。选取好操作后，软件 可以自动生成刀具轨迹，这个过程就是计算机自动编程。 由于该零件的主要特征包括槽腔、外形轮廓、和平面三部分，所以我们重点介绍 槽腔铣削、轮廓铣削、平面铣削三个加工基本操作。 3 2 2 1 零件操作定义 零件操作定义主要是设置数控加工的机床、加工的坐标系统、用于加工的零件毛 坯、加工的目标零件、夹具模型、安全平面等内容。 ( 1 ) 双击之前创建的后缀名为“c a t p r o c e s s 文件，打开进入2 5 轴数控加工 模块。在产品树中，双击p r o c e s s 节点中的p a r to p e r a t i o n 1 节点，弹出p a r t o p e r a t i o n 对话框。 ( 2 ) 选择加工机床。之前我们已经调入了机床模型，所以在这里机床已经选择 完成了。 ( 3 ) 设定加工坐标系。在p a r t 。p e r a t i 。n 对话框中，单击劐按钮进行定义数 控加工的加工坐标系，在弹出的对话框中，将鼠标移动到坐标系上，单击x 、y 、z 三个轴和原点可以分别选择相应的元素进行定义，这里保持默认状态，也就是将加工 1 2 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 零件的坐标系作为加工坐标系。在轴名称文本框中，可以输入文字来重新命名加工坐 标系，这里将坐标系名称修改为m a c h i n i n ga x i s 1 。单击确定按钮，返回到p a r t o p e r a 、t i o n 对话框中。 ( 4 ) 选择加工目标零件。在p a r to p e r a t i o n 对话框中，选择g e o m e t r y 选项卡， 一i 单击囡l 按钮，选择一个目标加工零件。接着在特征树中，选择g x l 节点下的p a r t b o d y 零件，选择零件后，双击鼠标，返回到p a r to p e r a t i o n 对话框中。 ( 5 ) 选择毛坯。在p a r to p e r a t i o n 对话框中，单击“毛坯选择”按钮u ，接 着在产品树中选择毛坯零件节点下的零件，选择零件后，双击鼠标，返回到p a r t o p e r a t i o n 对话框中。 ( 6 ) 选择夹具。单击“夹具选择”按钮叮l ，方法与选择加工目标零件和毛坯 艘l 操作步骤相同。 - ( 7 ) 选择安全平面。在p a r to p e r a t i o n 对话框中，单击“安全平面”按钮口i ， 在几何显示区中，选择毛坯零件的上表面，完成选择后，自动回到p a r to p e r a t i o n 对话框中。接着在几何显示区中，右击s a f e t yp l a n e 字样，在弹出的快捷菜单中选 择o f f s e t 命令，即对所选择的平面进行偏置，重新建立一个安全平面。此时系统弹 出编辑参数对话框，在厚度文本框中输入5 0 ，也就是将前面所选择的毛坯面沿着z 轴偏置5 0 姗，形成新的安全平面。 3 2 2 2 上平面铣削 ( 1 ) 在工具栏中单击“平面铣削按钮1 ，接着在选择特征树中p a r to p e r a t i o n 节点下的加工程序1 ，弹出平面加工1 对话框，在该对话框中，列出了5 个加工参 数设置标签，分别是刀具路径、几何参数、刀具参数、进给率和进退刀。 ( 2 ) 在几何参数标签中，将鼠标移动到感应区中的零件上表面，定义平面铣的 加工区域。在感应区中，如果鼠标移动到其上面，颜色改变。将鼠标移动到感应区上 表面，该区域的颜色从深红色变成橙黄色，单击鼠标左键，对话框消失，接着在几何 显示区中选择g x l 零件的上表面。返回到对话框中，相应的区域变成深绿色。几何参 数标签的图标从红灯变为绿灯，表示必要的几何区域定义已经完成，当然还可以继续 定义其他可选择的参数。 ( 3 ) 在平面加工1 对话框中，双击轮廓偏置：o 咖字样，弹出编辑参数对话框， 在轮廓偏置文本框中输入一5 姗，作为刀路在零件轮廓向外偏置5 咖。 ( 4 ) 单击刀具参数标签，选择平面铣刀，将刀具名称修改为t 1 面铣刀d 5 0 r 5 。 刀具号( t o o ln u m b e r ) 改为1 。如果要对刀具参数进行修改，可以在相应尺寸上双 零件的加工仿真工程硕士学位论文 击，然后在弹出的对话框中进行修改；或者在对话框中单击“更多”按钮，展开刀具 参数的隐藏部分，在其中对向右的参数进行修改，其他参数保持默认状态。 ( 5 ) 单击刀具路径标签，设置刀具路径参数。在刀具路径形式下拉列表框中， 选择b a c ka n df o r t h ( 往复切削) ，将刀具路径设置为往返，其他参数保持默认状态。 ( 6 ) 单击进退刀标签。在该对话框中，定义刀具的进刀和退刀路径。在宏指令 管理列表框中，选择进刀，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择激活命令，该选 项变为黄灯指示，表示打开，此时仍然需要对进刀路径进行定义。同样的方法激活退 刀。选中进刀，在模式下拉列表框中选择b u i l db yu s e r ，表示用户自己定义进刀路 线。此时对话框下方出现一系列的按钮，可以定义和编辑进刀路径。首先单击按钮， 增加一条圆弧路径，并双击圆弧半径，将进刀半径修改为2 0 舳。单击按钮，增加一 条切线；单击按钮，增加一条轴向运动。选中退刀，在模式下拉列表框中选择轴向。 3 2 2 3 刀路仿真 在完成刀路参数设置之后，可以进行刀路仿真。需要说明的是，这里的仿真环境 包括刀具，夹具，工序实体和毛坯，并不包括机床，严格的说这里的仿真应该叫做切 削过程仿真。通过仿真，用户可以看到刀具的切削运动过程，以及材料切除的过程。 在这个过程中，用户可以发现刀具与夹具之间是否有碰撞、干涉；刀具在加工过程中 是否有过切；进退刀设置、切削参数是否合理，从而可以不断的调整完善刀路。 在平面铣削1 对话框中单击“刀路仿真”按钮，系统对刀路进行计算，计算完 成后，弹出如图3 5 所示的对话框，在几何显示区显示了刀路的情况，包括刀具的尺 j e 寸、进刀、退刀、刀路的形式。在对话框中单击“切削过程仿真按钮熏，显示了 图3 5f a c i n g 1 对话框 零件毛坯和刀具。单击播放按钮，也可以观看切削模拟。 在刀路仿真对话框中，单击“加工结果拍照”按钮，切换到拍照窗口中。几何显 示区中出现了当前已经完成设置的加工操作加工后的零件情况。在加工零件表面上， 可以用鼠标单击某一点，弹出对话框，显示改点当前的切削情况。对话框中给出了对 1 4 工程硕士学位论文仿真技术在复杂零件数控加工中的应用 该点进行加工的操作名称、加工余量、该点的坐标值和