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雙主軸車削（xuē）加工中心高效應用及研究

2017-2-13 來源：陝西（xī）國防工業（yè）職業技術學院數控工程學院作（zuò）者：曹旭妍（yán）李斌

摘　要:雙主軸車削（xuē）加工中（zhōng）心結構複（fù）雜（zá）、運動形式多樣,能夠一次裝夾（jiá）下完成零件的所有加工工序,但由於機床結（jié）構較複雜,在（zài）試件加工時往（wǎng）往會發生碰撞、幹（gàn）涉等危險情況,給機床使用帶來風險,同時影響機（jī）床的高效應用。基於（yú）虛（xū）擬仿（fǎng）真技術,以EMCO maxxturn65 雙主（zhǔ）軸（zhóu）車削中（zhōng）心（xīn）為研究對象,在VERICUT 中構建機床虛擬仿真加工係統,並（bìng）進行仿真加（jiā）工。通過仿真（zhēn）加工,檢驗NC 程（chéng）序的正確性,檢測（cè）加工中可能出現的幹涉、碰撞等情況,預知加工（gōng）結果;根據仿（fǎng）真加工,對錯誤的NC 進行糾正,保（bǎo）證機床使用中的安全性,進而提高該（gāi）類機床的（de）應用效率。

關鍵詞:雙主軸車削加（jiā）工中心;虛擬仿真;VERICUT

0.引（yǐn）言

隨著機械製造技（jì）術的不斷發展（zhǎn）,零件結（jié）構形式越來越複雜,對加工精度的要（yào）求也越來越高。加工過程中的多次換（huàn）裝不僅（jǐn）使得零件的加工質量無法得到保障,同時還因（yīn）多次（cì）的工件安裝、對刀等過程大大降低了加工效率。雙主軸車削加工中心能夠使（shǐ）得需要多個加工（gōng）工序的工（gōng）件一次裝夾下（xià）完成所有加工,不僅（jǐn）減少了因（yīn）多次裝夾而導致的加工誤差,還提高了加（jiā）工效（xiào）率,能很好地滿足現代企業生產要求,尤其在航空、航天等領域（yù）,雙（shuāng）主軸車削加工中心的（de）高效應用具（jù）有舉足輕重的作（zuò）用。然而,由於該類機床的結（jié）構及運動形（xíng）式（shì）複雜多樣,在實際應用中存在數（shù）控程序（xù）編寫及正確性（xìng）檢測困（kùn）難的問題,這些問題製約著車削中心的高效應用,給企業快速生產帶來困難[1] 。利用虛擬仿真（zhēn）技術,以實際機床為原型,在虛擬仿真平台中構建機床（chuáng）的仿真加工（gōng）係統（tǒng）,使其具有與實際機床完全一致的加工功能,對工件進行虛擬仿真加工。該方（fāng）式能夠（gòu）在不消耗生產資源的條件下,快速（sù）完成工件的虛擬加（jiā）工,檢驗數（shù）控程序的正確性,同時能夠對加（jiā）工過程中（zhōng）存在的質（zhì）量問題進行預判,為實際加工過程中機床的安全性及高效性提供可靠保障。

1.虛擬仿真係統構建過程

虛擬仿真係統是將實際機床在（zài）計算機中的完全映（yìng）射,具有與實際機床一致的加工功能。該係統在使（shǐ）用過程中不消（xiāo）耗實（shí）際的生產資源,加工過程快,且能夠不斷反（fǎn）複（fù）的進行加工,能很好的解決複雜零件試切（qiē）過程耗時、耗力等問題,對企業新產品研發生產非常重要。根據機床的（de）結構及尺寸,在VERICUT 中建立虛擬機床模型。其主要（yào）過（guò）程（chéng）如圖1 所（suǒ）示。

2.構建虛擬仿真係（xì）統

2. 1　機床結構分析

EMCO maxxturn65 雙主軸（zhóu）車削中心配備（bèi）一個帶有X、Y、Z1 運動軸的刀塔,主軸帶有C1 旋轉軸功能,副主軸帶有Z2、C2 兩（liǎng）個運動軸（zhóu）。如圖2 所示,床身的工作麵為（wéi）高剛度45°易排屑傾斜結構,其上裝有主軸、副主軸（zhóu）和沿床身滑動（dòng）的（de）床鞍,其中主軸固定於床身（shēn）,沿（yán）床身滑動的副主軸與主軸軸向對置,伺服動力刀架固定於沿床鞍X 軸方向滑動的滑板（bǎn）上（shàng）。

圖1　虛擬仿（fǎng）真（zhēn）係統構建過程

圖2　雙主軸車削中心結構

1. 主軸　2. 副（fù）主軸　3. 床身　4. 床鞍5. 滑板　6. 刀架

2. 2　機床參數測量

雙主軸車削中（zhōng）心加（jiā）工過程中工件換（huàn）裝（zhuāng）時機床不停機,因此機床各部件（jiàn）的空間位置精度要求較高[2] 。建立機床的虛擬仿真加工係統時,準確獲（huò）取機床各（gè）運動部件參數是研究的（de）關鍵（jiàn）之一。EMCO maxxturn65雙主（zhǔ）軸車削中心的參數獲取主（zhǔ）要通過測量（liàng）以（yǐ）及（jí）查詢手冊來實現,通過激（jī）光（guāng）尺、卷尺、板尺等（děng）測量工具（jù）完成機床主要外形部件及空間尺寸的（de）測量,關鍵零部件尺寸及機床極（jí）限位置等對建模精度有重要影響的尺寸參數通過查詢機床手冊（cè）或者運行機床後在機床控製麵板中讀取。要（yào）完整的建立機床模型,所（suǒ）需要的機床參數主要有:主軸、副主軸、刀塔、刀具等重要部件尺寸;機床初始位置（zhì）、極限（xiàn）位置;運動軸及部（bù）件間的空間位置;外（wài）形輪廓等。

2. 3　機床建模

建立機床的虛擬模型,不僅（jǐn）需（xū）要完成各運動部件的三維幾何模型,還要（yào）賦予其與實際（jì）機（jī）床相一（yī）致的運（yùn）動關係。VERICUT 軟（ruǎn）件中提供了許多運動軸組件,根據實際機床的運動結構,建（jiàn）立（lì）其運動樹,將各運動部件的三維（wéi）模型加載到（dào）相應的運動組件下即可完成機床模型的建立[3] 。要正確建立機床的運（yùn）動樹,首先要明確機床的運動連。EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心（xīn）包含兩條運動鏈:基座-工件;基座-刀具。根據確定好的運動鏈,在VERICUT 中依次添加相應的運動組（zǔ）件,完成機床運動組件樹的創建,如圖3 所（suǒ）示。創建組件樹僅是完成了機床各運動部（bù）件間運動關係的建立,還（hái）需（xū）添加相應的幾何模型。由於機床機構較複雜（zá）,各運動部件（jiàn）幾何模型在VERICUT 中創建較困難,因此（cǐ）,在三維模型在UG 中建立各部件幾何模型,然後將模（mó）型保存為STL 格式（shì）文件導入到相應的（de）運（yùn）動組件下即（jí）可。

圖3　機床運動（dòng）樹

2. 4　建立刀具庫

VERICUT 中提供了豐富的刀具（jù）設計樣本,根據刀具的具體（tǐ）特征及參（cān）數,選擇所需（xū）結構及尺寸即（jí）可生成刀柄、刀片。刀具生成後,為保（bǎo）證加工（gōng）的順利進行,還需根據實際使用中將（jiāng）要用到的刀具特點及參數,設置刀具的（de）驅動點(對刀點)、安（ān）裝點等參數,如圖4。

圖（tú）4　雙刃刀具建立

2. 5　控製係（xì）統配置

為了滿足用戶需求,VERICUT 係統庫中提供了多種不同類型的控製係統,根據實（shí）際機床,選擇SIEMEND840D係統。VERICUT 係統庫（kù）中所提（tí）供的為通用控製係統,而為滿足雙主軸車（chē）削中心的加工（gōng）功能,生產廠家對其定製了一些特殊的加工代碼,因此需要對所選控製係統進行二（èr）次開發,以保證虛擬加工係統與實際機床具有（yǒu）相同的加工（gōng）功能（néng）。

2. 6　機（jī）床參數設置

構建完機床的幾何模型及相關部件後還需對機床參數進行設（shè）置。機床參數設置的主要目（mù）的就是告知機床當加工中出現錯（cuò）誤、碰撞等問題時能夠及時的進行報警,便於技術人員查找問題（tí）所在,並進行修正。虛擬係統中（zhōng）機床參數主要包括了:機床行程設置、機床各運動軸的初始位置設置、刀具換刀點（diǎn）的（de）設置、碰撞檢測距離設置等,正確設置機床參（cān）數,對（duì）保證仿真（zhēn）加（jiā）工過（guò）程與（yǔ）實際加工的一致性至（zhì）關重（chóng）要。

3.仿真加工

3. 1　NC 程序生成

雙主軸車削中（zhōng）心加工功能強（qiáng）大,工件結構通（tōng）常比較複雜,采用手工編程的方式很難實（shí）現複雜工件（jiàn）的NC 編寫（xiě）。在UG 等三維軟件（jiàn）中建（jiàn）立零件的幾何模型,並利用（yòng）UG 中先進的（de）數控加工功能對工件進行藝處理,生成正確的刀位軌跡文件,但該（gāi）文（wén）件不能直（zhí）接被數控機床所識別,因此需對其（qí）進行後（hòu）置處理。UG 中自帶的後置處（chù）理模塊（kuài）能夠對三（sān）軸及以下刀位軌跡文件進行後置處理,生成機（jī）床能夠直接識別（bié）的NC 程序,而對於三軸以上的複雜文件則無能為力[4] 。針（zhēn）對雙主軸車削中心的結構特點,利用UG 後置處理模塊開發專門的（de）後置處理器MAXX-POST,該後置處理器能夠專門（mén）對適合雙主軸車削中心的工件前置刀（dāo）位軌跡文件進行處理,生產機床（chuáng）能直（zhí）接識別的（de）NC 程序,滿足加工需要。

3. 2　虛擬仿真加（jiā）工及驗證

將UG 中生成的NC 程序添加到虛擬仿真係統中,添加（jiā）毛坯、工件的模型到係統中,進行G 代碼偏置設置(即加工對刀)後,進行仿真加工,如圖5所（suǒ）示。仿真加工中不僅要觀察刀具及工（gōng）件的狀態是否合理（lǐ）,還要根據警（jǐng）告內容分析（xī）存在的問題並進行處（chù）理,確保前置工（gōng）藝過程、NC 程序的正確性。

4.實際驗證

經過虛擬仿（fǎng）真加工,驗證NC 程序（xù）的正確性後,對加工工件進行實例驗證。將經過虛擬仿真驗（yàn）證過的NC 程序載入實際加工（gōng）機床中（zhōng）,對工件（jiàn）進行實際加工。加（jiā）工中刀具的走刀（dāo）路徑與仿真（zhēn）加工一致,沒有幹涉、碰（pèng）撞等問題出現,其加工結（jié）果如圖6 所示。

5.總　結

介紹了在VERICUT 中（zhōng）建立機床虛擬仿真加工係統的一般方法,並以EMCO maxxturn65 雙主軸車削中心為對象（xiàng）,建立（lì）其虛擬仿真加工係統。以一回轉體（tǐ）零件為（wéi）加工樣件,對其進行虛擬仿真加工,檢驗了NC程序的正確性,並對該樣件進行實（shí）際加工。結果表明,該虛（xū）擬仿真加工係（xì）統能夠準確驗證NC 程序的正確性,並正確預知（zhī）加工中可能出現的幹涉（shè）、碰撞等危險（xiǎn）情況,能有效保證機床使用中的安全性及高效（xiào）性。

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