基于UG的整体叶轮加工编程和Vericut的五轴加工仿真.doc

整体叶轮UG数控编程和Vericut加工仿真1 前言2 UG五轴后处理创建2.1 A-C双转台五轴联动数控机床运动学变换针对实验室自主开发的AC双转台五轴数控机床进行运动学分析，建立坐标系以描述机床的运动，如图1 所示。其中A 轴和C 轴为两个回转轴，C轴随A轴运动；Csys_W 为与工件固联的工件坐标系（且与C轴固联）；Csys_T 为与刀具固联的刀具坐标系，其原点设在刀位点上，其坐标轴方向与机床坐标系一致；Csys_A为与定轴A 固联的坐标系，其原点 为两回转轴的交点，其坐标轴方向与机床坐标系一致。则其运动关系即是刀具坐标系Csys_T相对于工件坐标系Csys_W 的变换关系，它可进一步分解为Csys_T相对于Csys_A的平动和Csys_A 相对于Csys_W的转动。初始状态下，转动轴C 的轴线平行于刀具坐标系的Z 轴；此时，工作台与Z 轴垂直，工件坐标系的方向与机床坐标系一致，刀具坐标系原点与工件坐标系原点重合，记交点的位置向量记为。在刀具坐标系中，刀具的位置和刀轴向量分别为 和。记机床平动轴相对于初始状态的位置为，回转轴A 和轴C 相对于初始状态的角度为A 和C，此时，工件坐标系中刀轴方向和刀位向量分别为和。图1 A-C双转台坐标系通过机床坐标系变换，可得： （1.1） （2.2） （2.3） （2.4） （2.5） （2.6）将式（2.3）到（2.6）分别代人式（2.1）、（2.2）得： （2.7）（2.8）由（2.7）和（2.8）得： （2.9） （2.10） （2.11） （2.12） （2.13）2.2 UG Post/Builder创建五轴后处理使用UG NX模块生成刀轨后，其中会包含GOTO点和其它机床控制的指令信息。由于不同的数控机床控制系统对NC程序格式有着不同的要求（数控机床的控制器不同，所使用的NC程序格式也就不一样），数控机床的结构形式也有所差异，故刀轨源文件不能直接被数控机床使用。因此，NX CAM中的刀轨必须经过处理转换成特定机床控制器能够接受的NC代码格式，这一处理过程称为“后处理”17。首先分析实验室的五轴联动数控机床结构和数控系统，测量机床的主要结构参数（如行程、精度等），从而用NX Post Builder创建符合机床控制系统的NC处理程序。后处理流程如图8所示。图2 UG后处理流程创建五轴后处理的流程如下：(1) 新建后处理文件运行UG NX/Post Builder，新建五轴后处理程序，命名为HPDM_5axis.pui，机床类型选择Mill，结构型式选择5-Axis with Dual Rotary Tables，点击“OK”进入后处理设置接口，如图3所示。图3 新建五轴后处理程序(2) 第4轴参数设置在“5-Axis Mill”下选择“Fourth Axis”选项，设置“Machine Zero To 4th Axis Center”，“Axis Limits”设为090，如图4所示。点击“Configure”按键弹出“Rotary Axis Configure”对话框，第4轴选择YZ平面，“Word Leader”设为“A”；第5轴选择XY平面，“Word Leader”设为“C”，点击“OK”保存设置（图5）。图4 第4轴参数设置对话框图5 回转轴结构设置对话框（3）第5轴参数设置在“5-Axis Mill”下选择“Fifth Axis”选项，设置“4th Axis Center To 5th Axis Center”，“Axis Limits”设为-99999.99999999.999，如图6所示。图6 第5轴参数设置对话框（4）Rapid Move（快速运动）格式设置点开Program & Tool Path选项卡，在左侧树形结构窗口中选择Tool Path下的Motion，如图7所示。图7 打开Motion项目框点击右侧窗口的Rapid Move节点，弹出Event:Rapid Move对话框，如图8所示。图8 打开Rapid Move设置框在Rapid Move对话框中，将Work Plane Change选框改成未选中，修改后的结果如图9所示。图9 修改Rapid Move格式修改前后的输出的部分G代码如下所示。2刀轨CLF文件：GOTO/-20.0243,57.2574,-59.7373GOTO/-20.1996,57.5340,-59.5972GOTO/-20.2262,57.7796,-59.3407PAINT/COLOR,211RAPIDGOTO/-10.4622,94.6649,-6.7182,0.0000000,0.0000000,1.0000000PAINT/COLOR,186GOHOME/0.0000,0.0000,10.0000PAINT/SPEED,10PAINT/TOOL,NOMOREEND-OF-PATH修改Rapid Move前的G代码：N6150 G00 Z-61.651N6160 X34.01 Y56.126N6170 Z-61.407N6180 X34.25 Y56.028N6190 Z-61.064N6200 X34.339 Y55.992N6210 Z-6.718 A0.0N6220 Y-88.836N6230 Z10.N6240 X0.0 Y0.0N6250 M05 M02修改Rapid Move后的G代码：N6150 X34.01 Y56.126 Z-61.651N6160 X34.25 Y56.028 Z-61.407N6170 X34.339 Y55.992 Z-61.064N6180 G00 Y-88.836 Z-6.718 A0.0N6190 X0.0 Y0.0 Z10.N6200 M05 M023 整体叶轮加工总体方案3.1 叶轮毛坯设计为了减小五轴铣削的加工量，在数控车床上将毛坯车削加工出叶轮回转体的基本形状。整体叶轮的毛坯形状如图10所示。图10 整体叶轮毛坯3.2 叶轮加工工艺路线拟定工艺路线的出发点是使零件的几何形状、尺寸精度以及位置精度等技术要求能得到保证。工艺路线的拟定一般需要做两个方面的工作：一是根据生产纲领确定加工工序和工艺内容，依据工序的集中和分散程度来划分工艺：二是选择工艺基准，即主要选择定位基准和检验基准。在生产纲领已确定为批量生产的条件下，尽量采用工序集中的原则，通过减少工件安装的次数来提高生产率。除此之外，还应尽量考虑经济精度以便使生产成本尽量下降。根据以上原则，拟定的工艺路线如下：10 开槽20 去尖角30 粗铣叶片40 粗铣流道50 粗铣圆台60 半精铣叶片70 精铣叶片80 半精铣流道90 半精铣圆台100 精铣流道110 精铣圆台120 清根130 钳工去毛刺3.3 主要切削用量的选择切削用量的选择如表所示。 工序参数粗铣半精铣精铣主轴转速（r/min）170021002100铣削深度（mm）20.20.1最终余量（mm）0.30.10进给速度（mm/min）3006006004 整体叶轮加工路径编程4.1 开槽采用带锥倒角的平头铣刀（6mm）。采用可变轴曲面轮廓铣（Variable Contour），刀轴控制方式采用相对于驱动（Normal to Drive）。程序的参数设置如下：a) 驱动方法采用曲面区域（Surface Area）；b) 驱动几何选用流道曲面，如图11所示；c) 刀轴控制方式采用相对于驱动，前置角为0，侧倾角为15；d) 切削区域中曲面%（Surface%）的初始步长和终止步长分别设为15、90，最初的终点和最后的终点都设为95；e) 步数设为20，公差设为0.1；f) 设置Stock余量30mm，每层切深2mm，最终余量0.3mm；g) 非切削运动分离选择间隙，安全平面为工件上表面向上偏移10mm，退刀方式为手工圆弧相切离开，进刀方式为圆弧相切逼近。图11 开槽刀轨4.2 粗精铣叶片采用带锥倒角的平头铣刀（6mm），曲面驱动方式，刀轴控制方式采用侧刃驱动，侧倾角设为30。工艺参数如下：进给速度f=300mm/min，主轴转速n=1700r/min，切削深度t=2mm，余量为0.5mm。所需加工时间min。曲面驱动方式，刀轴控制方式采用相对于，前置角设为0，侧倾角设为-60。采用硬质合金球头铣刀（6mm），工艺参数如下：进给速度f=600mm/min，主轴转速n=2100r/min，半精铣余量为0.1mm，精铣余量为0mm。a) 驱动方法采用曲面区域（Surface Area）；b) 驱动几何依次选取压力面、圆角面和吸力面；c) 刀轴控制方式采用侧刃驱动，侧倾角为30；d) 切削区域中曲面%（Surface%）的初始步长和终止步长分别设为-1、101；e) 半精铣步数设为150、公差为0.05，精铣步数为300、公差为0.05；f) 半精铣最终余量0.1mm，精铣余量为0.0mm。图12 半精铣叶片刀轨4.3 粗精铣流道采用硬质合金球头铣刀（6mm），进给速度f=600mm/min，主轴转速n=2100r/min，半精铣余量为0.1mm，精铣余量为0mm。a) 驱动方法采用曲面区域（Surface Area）；b) 驱动几何依次选取流道曲面；c) 刀轴控制方式采用相对于驱动，前置角为2，侧倾角为15；d) 切削区域中曲面%（Surface%）的初始步长为5；e) 半精铣步数设为150、公差为0.05，精铣步数为300、公差为0.05；f) 半精铣最终余量0.1mm，精铣余量为0.0mm。图13 半精铣流道刀轨4.4 圆台加工粗铣圆台采用硬质合金球头铣刀（6mm），固定轴曲面轮廓铣。进给速度f=300mm/min，主轴转速n=1700r/min，余量0.1mm。叶轮加工结果如图14所示。图14 叶轮加工结果5 基于Vericut的五轴加工仿真数控机床加工仿真主要解决以下问题1：(1) 验证数控程序的正确性，减少零件首件调试风险，增加程序的可信度；(2) 模拟数控机床的实际运动，检查潜在的碰撞错误，降低机床碰撞的风险；(3) 优化程序，提高加工效率，延长刀具寿命。VERICUT是一款专为制造业设计的CNC数控机床加工仿真软件和优化软件。VERICUT取代了传统的切削实验部件方式，通过模拟整个机床加工过程和校验加工程序的准确性，来帮助用户清楚编程错误和改进切削效率。VERICUT软件由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成。能进行NC程序优化、缩短加工时间，可检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误。具有真实的三维实体显示效果，切削模型可测量尺寸，并能保存模型供检验、后续工序切削加工。VERICUT软件已广泛应用于航空、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序。5.1 构建五轴联动数控铣床仿真平台（1） 定义机床部件结构树a) 定义部件：BaseXYACAtaackFixtureStockDesign。按顺序添加组件及其模型，并装配定位。b) 定义部件：BaseZSpindleTool。按顺序添加组件及其模型，并装配。 图15 机床结构树图16 五轴机床模型（2） 机床参数设置设置机床的初始位置、机床零点、换刀位置等参数。配置机床控制系统，选择“generic.tcl”为机床五轴机床的控制文件。（3） 建立机床刀具库打开刀具管理器，添加刀柄holder1、1号刀具和2号刀具。1号刀具由刀柄、6球头铣刀和对刀点1组成，2号刀具由刀柄、4球头铣刀和对刀点2组成。刀具库如图17所示。图17 机床刀具库5.2 整体叶轮加工仿真校验按照