0前言
加工仿真是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械加工的加工環(huán)境和加工過程進(jìn)行3D模擬。通過加工仿真,可在計(jì)算機(jī)內(nèi)形象、直觀地模擬機(jī)械加工的全過程,在不消耗實(shí)際材料、不使用真實(shí)機(jī)床設(shè)備的情況下,有效地檢驗(yàn)和分析零件的可加工性及加工工藝的合理性。
在汽輪機(jī)大葉片生產(chǎn)加工前,通過對(duì)汽輪機(jī)大葉片數(shù)控加工程序進(jìn)行加工仿真,可以減少材料浪費(fèi)、延長(zhǎng)機(jī)床和刀具壽命、提高數(shù)控加工程序的可靠性和檢驗(yàn)過程的安全性,有效防止過切、干涉現(xiàn)象的發(fā)生,提高企業(yè)的信息化水平,縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造周期,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
VERICUT軟件是美國(guó)CGTech公司開發(fā)的基于Windows及UNIX系統(tǒng),集數(shù)控加工仿真、干涉校驗(yàn)、工時(shí)工況分析、代碼優(yōu)化等多種功能于一體的軟件。該系統(tǒng)可以以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式建立數(shù)控機(jī)床、刀具、夾具和毛坯模型,在刀位數(shù)據(jù)或NC代碼的驅(qū)動(dòng)下模仿金屬切削加工中走刀軌跡和材料被切除的過程,使用戶以直觀的方式對(duì)工藝規(guī)劃的合理性進(jìn)行評(píng)估,對(duì)是否存在干涉進(jìn)行校驗(yàn),并優(yōu)化走刀軌跡和NC代碼。本文研究并應(yīng)用VERICUT仿真軟件實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)大葉片四坐標(biāo)數(shù)控加工仿真。
1汽輪機(jī)大葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
葉片是汽輪機(jī)的心臟,它在高溫、高壓、高速等復(fù)雜條件下工作,其空氣動(dòng)力性能、加工幾何性能、表面粗糙度、安裝間隙及運(yùn)行工況等因素影響汽輪機(jī)的效率、出力;其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)強(qiáng)度及運(yùn)行方式則對(duì)機(jī)組的安全可靠性起決定性的影響。為了保證汽輪機(jī)的效率和葉片在使用中的安全性,葉片的材料都較為特殊,如材料中含N、iV、N等成分,硬度在360HB以上,加工性較差,同時(shí)葉片汽道部分是一個(gè)光滑的空間曲面,精度要求高,加工難度大。特別是大型汽輪機(jī)末級(jí)葉片(如1000mm以上動(dòng)葉片),其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,葉身長(zhǎng)、型面薄而扭曲,葉型扭轉(zhuǎn)接近90角,葉身中部有空間凸臺(tái)。汽輪機(jī)大葉片結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
2仿真模型的建立
2.1汽輪機(jī)大葉片三維模型的建立
基于汽輪機(jī)大葉片的二維圖紙,在三維繪圖軟件UG中建立大葉片的三維實(shí)體模型。在模擬數(shù)控加工仿真過程中,通過UG與VERICUT的接口NXV,實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)大葉片三維模型從UG到VERICUT的導(dǎo)入。汽輪機(jī)大葉片的二維視圖如圖2所示。
2.2刀具模型的建立
VERICUT仿真為實(shí)體刀具仿真,銑削類刀具一般都是由旋轉(zhuǎn)形切刀和刀柄兩部分組成,在VERICUT系統(tǒng)中用Cutter和Holder來(lái)表示。刀具庫(kù)建立時(shí)需要對(duì)刀具進(jìn)行分析,選擇適合的方法。由于三維葉片加工的特殊性和復(fù)雜性,加工中多采用球形銑刀和圓柱形銑刀,在不同的數(shù)控機(jī)床上使用不同的刀具加工不同種類的三維葉片。
(1)對(duì)于非標(biāo)刀具,需利用CAD才能完成刀具庫(kù)的建立。對(duì)刀柄及一些形狀特殊的刀片需要利用AutoCAD繪制DWG文件,然后另存為DXF文件,以備創(chuàng)建刀具旋轉(zhuǎn)圖形時(shí)使用,建立刀具時(shí)再導(dǎo)入到VERICUT軟件中。
(2)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀具,利用VERICUT軟件的刀具建立功能 ,在刀具模板庫(kù)中,按類別進(jìn)行選擇,根據(jù)刀具的尺寸填寫相應(yīng)的參數(shù),從而建立刀具。這種方法方便快捷,但有局限性,僅適用于標(biāo)準(zhǔn)刀具。
另外,還可以利用UG中已繪制的刀具,通過接口程序?qū)氲絍ERICUT軟件中。這樣可以把大量的歷史刀具應(yīng)用到VERICUT軟件的刀具庫(kù)中,以備仿真時(shí)使用。
2.3機(jī)床模型的建立
2.3.1分析機(jī)床結(jié)構(gòu)
在建立機(jī)床文件之前,首先對(duì)機(jī)床構(gòu)造進(jìn)行分析,分析機(jī)床主軸、進(jìn)給、頂尖、托架等部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在VERICUT軟件中,對(duì)每一個(gè)相對(duì)于機(jī)床底座運(yùn)動(dòng)的部件都要當(dāng)作一個(gè)軸來(lái)處理。但是這些軸并非全部是并列關(guān)系的,許多軸存在嵌套從屬關(guān)系。現(xiàn)以四坐標(biāo)立式加工中心MXR-560V機(jī)床為例,分析機(jī)床結(jié)構(gòu)。
四坐標(biāo)立式加工中心MXR-560V機(jī)床刀具主軸既沿Z軸進(jìn)行移動(dòng)又沿Y軸進(jìn)行移動(dòng),支撐其在Y軸方向移動(dòng)的導(dǎo)軌直接接觸機(jī)床底座,故該部分的部件結(jié)構(gòu)樹的從屬關(guān)系為:機(jī)床底座(Base)>Y軸>Z軸>主軸(Spindle)>刀具(Tool)。對(duì)于MXR-560V機(jī)床來(lái)說(shuō),工件由夾具固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上,轉(zhuǎn)臺(tái)則固定在工作臺(tái)上,而工作臺(tái)沿X軸方向運(yùn)動(dòng),支撐其在X軸方向移動(dòng)的導(dǎo)軌直接接觸機(jī)床底座,故該部分的部件結(jié)構(gòu)樹的從屬關(guān)系為:機(jī)床底座(Base)>X軸>A軸>附屬部件(Attach)>夾具(Fixture)>工件(Stock)。
另外,MXR-560V機(jī)床還包括控制臺(tái)、刀具庫(kù)等機(jī)床附件,作為其它部件(Other)處理,該部分的部件結(jié)構(gòu)樹的從屬關(guān)系為:機(jī)床底座(Base)>Other。
通過以上分析得到MXR-560V機(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹如圖3所示。
2.3.2建立機(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹
根據(jù)分析后得到的機(jī)床部件結(jié)構(gòu),在仿真工具中建立該機(jī)床的結(jié)構(gòu)樹。運(yùn)行VERICUT應(yīng)用程序,創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目文件,顯示部件坐標(biāo)系,顯示部件樹。按照如圖所示的機(jī)床部件結(jié)構(gòu),在部件樹中按級(jí)建立,得到如圖4所示的機(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹。
2.3.3添加機(jī)床模型
在建立如圖3所示的機(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹后,在VERICUT軟件中可加載該機(jī)床,即可調(diào)用該機(jī)床進(jìn)行仿真。但是,只有部件結(jié)構(gòu)樹的機(jī)床在仿真視圖中無(wú)法顯示,不過這并不妨礙加工仿真的進(jìn)行。在加工仿真過程中,如顯示機(jī)床,則需要為機(jī)床添加模型。VERICUT軟件支持在Componenttree(部件樹)中直接構(gòu)建圓柱體、圓臺(tái)和立方體3種模型;其它形狀的模型可以應(yīng)用AutoCAD軟件進(jìn)行三維造型,然后導(dǎo)出為 stl后綴的文件,再由VERICUT軟件讀取建模。新添加的模型默認(rèn)出現(xiàn)在該部件坐標(biāo)系原點(diǎn)處,通過旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、裝配等方式將其布置在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀Ｌ砑幽Ｐ秃蟮臋C(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹如圖5所示。
2.3.4機(jī)床初始位置的設(shè)置
由于主軸(Spindle)和刀具(Tool)的部件坐標(biāo)系原點(diǎn)都在(0,0,0)處,工作臺(tái)X軸的模型原點(diǎn)也設(shè)置在(0,0,0)處。這樣處理之后,添加模型后的機(jī)床主軸與工作臺(tái)是接觸的,需要通過設(shè)置機(jī)床初始位置的方式將機(jī)床調(diào)整到正確的初始位置。設(shè)置機(jī)床初始位置后,機(jī)床不會(huì)立刻回到初始位置。載入控制系統(tǒng)文件后,復(fù)位機(jī)床,機(jī)床回到初始位置(Z軸在最大行程處),如圖6所示。
2.4回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和夾具體模型的建立
在VERICUT中建立實(shí)體模型有兩種方式,一是利用VERICUT本身的實(shí)體建模工具,做出圓柱、圓錐、長(zhǎng)方體等,然后進(jìn)行組合裝配,做出所需的三維實(shí)體;另一種是在AutoCAD或UG、Pro/E等三維實(shí)體造型軟件中做出實(shí)體模型,然后生成stl文件,導(dǎo)入VERICUT中。一般說(shuō)來(lái),夾具體、轉(zhuǎn)臺(tái)、毛坯模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,各部件較多,利用第一種方法比較復(fù)雜,較浪費(fèi)時(shí)間,一般都是利用第二種方法,首先分析零件裝配圖,做出三維實(shí)體圖,生成VERICUT可以讀取的stl文件,然后讀入到VERICUT中,再分別由Translat,Rotate,Assemle等幾個(gè)模塊,裝置好三維實(shí)體的位置。三維實(shí)體調(diào)整如圖7所示。
2.5配置機(jī)床控制系統(tǒng)
數(shù)控文件包含許多條件,通常通過用戶化定制來(lái)滿足不同控制系統(tǒng)需要,例如:不同的數(shù)據(jù)格式,未加解釋的執(zhí)行數(shù)控功能的特殊字符,通過特殊G代碼和值來(lái)執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng),設(shè)置不支持的G代碼等。為更加方便快捷地配置數(shù)控系統(tǒng),一般從一個(gè)熟悉的數(shù)控系統(tǒng)開始配置,推薦加載一個(gè)通用的盡可能接近要配置的數(shù)控系統(tǒng)的控制系統(tǒng)文件,并且沒有不相關(guān)的工作數(shù)據(jù)。
創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目文件,加載數(shù)控加工程序,加載通用機(jī)床控制文件,瀏覽數(shù)控程序內(nèi)容。瀏覽程序中解釋語(yǔ)句描述就是要調(diào)整控制系統(tǒng)配置的內(nèi)容,F、X、Y和Z值小數(shù)點(diǎn)后的格式要分別配置。
對(duì)于封閉作業(yè)的機(jī)床,需要對(duì)機(jī)床的開關(guān)門命令進(jìn)行配置。首先聲明關(guān)閉/開啟門的命令變量,然后定義命令變量對(duì)應(yīng)的動(dòng)作即動(dòng)作對(duì)象和動(dòng)作目標(biāo),最后通過手動(dòng)命令進(jìn)行測(cè)試。
2.6汽輪機(jī)大葉片四坐標(biāo)的加工仿真結(jié)果
將汽輪機(jī)大葉片三維實(shí)體模型導(dǎo)入VERICUT中,利用先前建立的刀具、機(jī)床、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和夾具模塊以及機(jī)床控制系統(tǒng),進(jìn)行汽輪機(jī)大葉片動(dòng)態(tài)加工過程仿真。在加工仿真過程中,實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)大葉片的四坐標(biāo)虛擬加工中的干涉、過切及碰撞檢查。汽輪機(jī)大葉片四坐標(biāo)加工仿真結(jié)果如圖8所示。
3結(jié)束語(yǔ)
本文利用數(shù)控加工仿真軟件VERICUT建立了汽輪機(jī)大葉片四坐標(biāo)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)。通過建立刀具庫(kù)、機(jī)床、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和夾具體以及配置機(jī)床控制系統(tǒng),詳細(xì)介紹各子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)以及子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),建立了仿真系統(tǒng)各模塊的模型。利用數(shù)控加工仿真軟件VERICUT在三維大葉片數(shù)控加工前進(jìn)行模擬仿真,實(shí)現(xiàn)了完整的虛擬加工過程,防止了過切、干涉現(xiàn)象的發(fā)生,避免了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)廢品而造成的損失。
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