基于UG的整体叶轮加工编程和Vericut的五轴加工仿真 - 图文

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Om 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Ot与工件坐标系原点Ow重合，记交点Om的位置向量记为rm(mx,my,mz)。在刀具坐标系中，刀具的位置和刀轴向量分别为

T??

[000]T 和

?[001]。记机床平动轴相对于初始状态的位置为rs(X,Y,Z)，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u(i,?j,k)和rp(x,y,z)。

1

ZtXtYtOtrZwrs?rmYwwOwCXZmrmAXmYmOm图1 A-C双转台坐标系

通过机床坐标系变换，可得：

[ijk0]T?T(rm)?Rz(C)?Rx(A)?T(rs?rm)?[0010]T [xyz1]T?T(rm)?Rz(C)?Rx(A)?T(rs?rm)?[0001]T??100mx?T(r010my?m)????001m? z??0001????100X?mx?T(r010Y?my?s?rm)????001Z?m? z??0001??1.1）

2.2）

2.3） 2.4） 2

（ （（（?cosC?sinC?sinCcosCRz(C)???00?0?000100?0?? （2.5） 0??1?0?0?? （2.6） 0??1?00?1?0cosA?sinARx(A)???0sinAcosA?00?0将式（2.3）到（2.6）分别代人式（2.1）、（2.2）得：

?i??sinA?sinC??j???sinA?cosC?????? ?k???cosA???0?0??? （2.7）

?x??mx?(X?mx)?cosC?(Y?my)?cosA?sinC?(Z?mz)?sinA?sinC??y??m?(X?m)?sinC?(Y?m)?cosA?cosC?(Z?m)?sinA?cosC?xyz????x?（2.8）

?z???mz?(Y?my)?sinA?(Z?mz)?cosA????11????由（2.7）和（2.8）得：

A?kA?arccos(k),kA?1,?1 （2.9）

C?arctan(i/j)?kC??,kC?0,1 （2.10） X?(x?mx)?cosC?(y?my)?sinC?mx （2.11）

Y??(x?mx)?cosA?sinC?(y?my)?cosA?cosC?(z?mz)?sinA?my （2.12） Z?(x?mx)?sinA?sinC?(y?my)?sinA?cosC?(z?mz)?cosA?mz （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。

3

读取事件事件处理输出格式 NC/POSTNC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0~90°，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）。

4

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-99999.999~99999.999°，如图6所示。

5

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。

6

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。

7

刀轨CLF文件：

GOTO/-20.0243,57.2574,-59.7373 GOTO/-20.1996,57.5340,-59.5972 GOTO/-20.2262,57.7796,-59.3407 PAINT/COLOR,211 RAPID

GOTO/-10.4622,94.6649,-6.7182,0.0000000,0.0000000,1.0000000

PAINT/COLOR,186

GOHOME/0.0000,0.0000,10.0000 PAINT/SPEED,10 PAINT/TOOL,NOMORE END-OF-PATH

修改Rapid Move前的G代码： N6150 G00 Z-61.651 N6160 X34.01 Y56.126 N6170 Z-61.407 N6180 X34.25 Y56.028 N6190 Z-61.064 N6200 X34.339 Y55.992 N6210 Z-6.718 A0.0 N6220 Y-88.836 N6230 Z10. N6240 X0.0 Y0.0 N6250 M05 M02

修改Rapid Move后的G代码： N6150 X34.01 Y56.126 Z-61.651 N6160 X34.25 Y56.028 Z-61.407 N6170 X34.339 Y55.992 Z-61.064 N6180 G00 Y-88.836 Z-6.718 A0.0 N6190 X0.0 Y0.0 Z10. N6200 M05 M02

3 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

8

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

90 100 110 120 130

半精铣流道 半精铣圆台 精铣流道 精铣圆台 清根

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 主轴转速（r/min） 铣削深度（mm） 最终余量（mm） 进给速度（mm/min）

粗铣 1700 2 0.3 300 半精铣 2100 0.2 0.1 600 精铣 2100 0.1 0 600 4 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。

2

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T3?90min。

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：Base>X>Y>A>C>Ataack>Fixture>Stock>Design。按顺序添加组件及其模型，

并装配定位。

b) 定义部件：Base>Z>Spindle>Tool。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

按照加工工艺流程添加数控NC程序，设置仿真速度和干涉检查项，运行加工过程仿真，仿真结果如图18所示。仿真加工过程中，可以检查刀具与工件、刀具与机床等部件是否碰撞。

图18 仿真加工结果

5.3 加工代码优化

选择加工程序“banjingxiliudao_A1.txt”，到刀具管理器中设置刀具的优化参数，打开优化控制选项，设置优化输出文件为“banjingxiliudao_A1_youhua.txt”，启动优化仿真。

6 结论

7 参考文献

[1] 杨胜群．VERICUT7.0中文版数控加工仿真技术．北京：清华大学出版社，2010

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zwd7.html