航空整體葉輪五軸數控加工仿真及參數優化研究（上）
2016-11-21 來源（yuán）：天（tiān）津（jīn）職（zhí）業技術師範大學 作者：盧輝
摘要
航空整體葉輪的（de）加工手（shǒu）段、加工精（jīng）度和加工（gōng）表麵質量直接影響（xiǎng）葉輪的工作性能，對（duì）發動機性能有決定性的影響。作為一種典型的通道類複雜高精度零件，其葉片間流道間距較小，葉片扭曲度大，其幾（jǐ）結構（gòu）複雜對加工（gōng）造成很大困難，主要（yào）采用五軸（zhóu）數控機床進行加工。雖然（rán）目前進行了針對航（háng）空整體葉輪較多的加工仿真及參數優化研究工作，但仍存在如下問題：
(1)在參數優化研究方麵（miàn），未考慮機床穩定性（xìng）問題，在機床穩（wěn）定的前提下（xià）開展加工參數優化研究，才（cái）能同時保證五軸加工的效率和（hé）質量。
(2)由於葉片扭曲大，通常CAM軟（ruǎn）件生成的數控程序隻考慮刀具與工件（jiàn）的幹涉，未考慮機床（chuáng）主軸與夾具、工作台（tái）的碰撞，不能完全確保刀具軌跡的正確（què）性和（hé）機（jī）床的安（ān）全性，因而需要考慮具（jù）體工藝係統，進行更全麵的（de）幾何仿真研究。針對以上問題，本文的主要研究（jiū）工作如下：
1.基於VERICUT的航空整體葉輪加工數控仿真建模。
在VERICUT 環境下建（jiàn）立虛擬（nǐ）的數（shù）控機床實體、控製係統、刀庫、坐標係統等（děng），創建數控仿真環境，實現針對具體工藝係統的幾（jǐ）何仿真，有效避免機床主軸、刀具與工（gōng）作台、夾具之間碰撞。
2.提出（chū）基（jī）於齊次變換的航空整體葉輪數控程序後處理（lǐ）算法。
首先針對海德漢i TNC530數控係統的傾斜加工麵功能，通過對CLSF刀位軌跡進行齊次變換運算，提出了機床運動坐標的數控（kòng）程序後處理算法。使用UG NX8.5/Post Builder編寫後處理文件，通過NC代碼分析、VERICUT仿真驗證後處理方法的正確性。
3.基於（yú）Cutpro9.0的工藝係統顫振穩定域（yù）獲取。
首先采用力傳感器（qì）和加速度傳感（gǎn）器，通過（guò）錘擊實驗（yàn）來獲（huò）取機床-刀具和（hé）機床-工件的頻響函數。然後采用Cutpro9.0的動力學仿真功能，在給定的徑向切削深度（切寬）條（tiáo）件下，進行顫（chàn）振穩定域仿真，獲得表征（zhēng）主軸轉速和軸（zhóu）向切深關（guān）係穩定（dìng）域葉瓣圖。
4.基於幾何仿真和動力學仿真（zhēn）的切削參數優化（huà）。
在工藝係（xì）統顫振穩定域（yù）仿真的基礎上（shàng），以切削時間為優化目標，切削深（shēn）度、主軸轉速、每齒進給量為實驗因素，設（shè）計三因素四水平的正交試驗，通過幾何仿真獲得切削時（shí）間。根據極差分析和（hé）方差（chà）分析（xī），得出三（sān）組（zǔ）較（jiào）短（duǎn）切削時間的加工參數。對初步優化得到的三組（zǔ）切削參數進（jìn）一步進行動（dòng）力學仿真（zhēn），根據仿真（zhēn）結果確定最優工藝參（cān）數。
關鍵詞:航空整（zhěng）體葉輪,幾何仿真,動力學仿真,參數優化,正交試驗
第 1 章 緒論
1.1 課題研究背景
航（háng）空整體葉輪是典型的通道類複雜（zá）零件，其葉片間流道間距較小，葉片扭曲度大，其幾何結構（gòu）複雜對加工（gōng）造成很大困難。加工方法、加工精度和（hé）加工表麵質量直接影響葉輪的工作（zuò）性能，對發動機（jī）性能有（yǒu）決定性的影響。航空整體葉輪因（yīn）其曲麵的複雜性（xìng）和加工精度高，使其成為典（diǎn）型的難加工零件[1-4]。
目前航空整體葉輪的加工一般（bān）采用數控（kòng）多軸技術、電解技術、放電技術、鑄造技（jì）術等加工方法。鑄造加工整體葉輪的特點是成本較低，適用於大批（pī）量的葉輪生（shēng）產。這種（zhǒng）加工方（fāng）法的不足之處在於會產生內部結構缺陷，如砂眼、氣孔等。這可能導致葉片強度差，並最終影響成型零件的工（gōng）作性能。電（diàn）火花和電解加工可應用於各種難加工材料，加工穩定性高，零件（jiàn）質量（liàng）較好。放電加工的缺點是加工（gōng）效率低，成本高；而（ér）電解（jiě）加（jiā）工效率（lǜ）較高（gāo），但精度較低。數控多軸技術可以加工多種類（lèi）型的葉輪（lún），加工精度高，表麵光（guāng）潔度好，因此航空（kōng）整體（tǐ）葉輪加工常采用數控多軸技術[5]。
對於航空鋁整體葉輪（lún）來說，使（shǐ）用五軸機床進（jìn）行高速切（qiē）削是最佳的加（jiā）工方法。但當前航空整體葉輪（lún）五軸加工（gōng）過程仍存（cún）在（zài）很多工藝問題，比如葉（yè）輪粗加工效率低，薄壁件加（jiā）工易出現顫振導（dǎo）致葉片表麵光潔（jié）度差，切削參數選取不當導致（zhì）刀具折斷等。此外，到目前為止，切削參數的選擇尚未有一個完善的方法理論進行指導，實際生產加工中切削（xuē）工藝參（cān）數往往取決於工藝人員的經驗。對於高速（sù）高精加（jiā）工來說，尤其是葉輪具有複（fù）雜曲麵薄壁類（lèi）零件，往往很（hěn）難獲得預期的加（jiā）工質量（liàng）。其根本原（yuán）因在於（yú）設定高速切削參數（shù）中沒有考慮（lǜ）機床的動力學特性，沒有考慮刀具振動對工件質量的影響，沒有考慮（lǜ）機床各軸的行程極限和加速度方麵（miàn）的差異（yì）[6]。
1.2 課題的目的及意義
五軸加工航空（kōng）整體葉輪過程中，刀（dāo）軸變化頻繁易發生碰撞，且葉片厚度（dù）薄（báo）容易（yì）發生顫振，這些因素製約著航空整體葉輪的高效高精加工。因此，本文（wén）通過建立VERICUT仿真環境檢查刀具軌跡避免機床與（yǔ）刀具發生碰撞，使用cutpro9.0軟件進行（háng）顫振穩定（dìng）域分析和切削過程仿真，預測刀具振動、工件振動、切削力、表麵（miàn）粗糙度、主軸功（gōng）率等，為合理地選（xuǎn）擇加工參數避免發生顫振，能夠使（shǐ）五軸機床實現（xiàn）高速高精加工。本文研究內容有助於（yú）指（zhǐ）導葉輪實際加工的切削參數的選（xuǎn）擇，能（néng）夠為同類零件的（de）加工提供參（cān）考（kǎo），具有（yǒu）重要的工程（chéng）應用價值。
1.3 國內外（wài）研究現（xiàn）狀
1.3.1 高速切削技（jì）術（shù）研究現狀
20 世紀 30 年（nián）代德國 Salomon 博士提出高速切削加工（HSM 或（huò） HSC）概念，隨著切削速（sù）度提（tí）高到一定（dìng）峰值後，切削溫（wēn）度（dù）反而下（xià）降[7]。此後幾十年高速切削加工的研究處於停滯狀態。從 1950 年開始世界各國開始對高速切削加工展開（kāi）大規模研究，主（zhǔ）要是歐美發達國家、蘇聯、澳大利亞（yà）、日（rì）本等國家[8-10]。這一時期稱為高速切削理論研究的探索階段。到了 20 世紀（jì） 70 年代，高速切（qiē）削加工進入應用基礎研究階段。1972 年到 1978 年美國（guó）洛克希德導彈與空間公司研究小組主要研究高速加工應用於生產加工的可行性[11]。1980 年代高速切削加工研（yán）究開（kāi）始進（jìn）入應用研究階段。1979 年（nián）美國高級研究工程局開始對高速切削工藝係（xì）統做全麵的研究，包括高速刀具、高速機床、高速工藝等方（fāng）麵[12]。1984 年至 1988 年德國研究（jiū）技（jì）術部對高速切（qiē）削金屬和非金屬材料、高速（sù）切削電主軸係統（tǒng）等研究，為高速切削技術應用於實際加工打下結實的基礎[13]。進入 20 實（shí）際 90 年代（dài）後，隨著（zhe）直線電（diàn）機，機床電主軸、高速切削刀具的出現（xiàn），高速切削加工機床不斷出現在國際市場，高速切削加工進入到工業應用階（jiē）段[14-17]。
相（xiàng）對於國（guó）外（wài），國內對高速切削研究起步比較晚，從 1980 年國內各大研究機（jī）構和大學開始對高速切削進行全麵研究。1980 年山（shān）東大學開始對高速切削中切削溫度、切削力、切屑、刀具壽命（mìng）等研究[18]。20 世（shì）紀 90 年代後，北京理工大學研究了高速切削的刀具與切削力[19]，廣東（dōng）工業大學研究了高主（zhǔ）軸轉速的電主軸（zhóu）技術、直（zhí）線電動機（jī）進給係統[20]，天津大（dà）學和大連理工大學從切削原理方（fāng）麵入手（shǒu）研究（jiū）高速切削加工[21]。盡管國內的高速切削技術與西方（fāng）工業（yè）發達國家還（hái）有很大差距，但是經過國內大學的研究（jiū）者努力和奮鬥，國內也出現了一批高速（sù）切削機床，如大連機床廠生產的高速（sù）加工中心。
高速切削與傳統加工相比具有以下優點（diǎn），1)高速切削主軸轉速高，切削速度快，單位時（shí）間內去除材料體積增大，縮短切削時間，提（tí）高（gāo）加工效率。2)高速切削時，切削深度小，進給（gěi）速度快（kuài），故（gù）其切削力小。3）高速切削時，切屑以很快地（dì）速度排除，帶走大部分的熱量，工件熱變形小。4）高速切削中隨著切削速度提高，切削力逐漸減小，而切削力（lì）是切削過程中振（zhèn）動的主（zhǔ）要來源，因而（ér）減少切削振動，提高表麵粗糙度（dù）。5）高速切削可加工（gōng）淬（cuì）硬材料，減少電火花放電加工。正是由於高速切削具（jù）有以上特點，高速切削技（jì）術廣泛應用於航空航天、汽車、模具等行業，尤其是在航空行業應用（yòng）最多。航空製（zhì）造（zào）中大（dà）部分是輕合金材料，且大都是薄（báo）壁（bì）類（lèi）零件，切削中容易變形。高速切削技術切（qiē）削速度快，切（qiē）削力小，特別（bié）適用（yòng）於航空類（lèi）零件加工（gōng）。
1.3.2 數控加工仿真技術研究現狀
用於數控仿真和切削參數優化（huà）方麵的係統軟件主要有以下（xià）兩類：幾何（hé）仿真軟件和動力學仿真軟（ruǎn）件，幾何仿（fǎng）真是完成數控（kòng）程序的（de）幾何仿真、進（jìn）行刀具與機床、夾具的碰撞檢查以及對數控代碼的優化。目前，關於數控加工幾何仿真的研究（jiū）已經很成熟了，並且有很多幾何仿真軟件應用於實際生產中。幾何仿真軟件最具代表性的軟件是CGTEC公司的VERICUT軟件[22]。VERICUT是交互仿真的NC程序（xù）數據（jù）去除材料過程。VERICUT軟件仿真（zhēn）可以替換昂貴的NC數據驗證過程，並且可以優化材料去除率。VERICUT通過仿真NC程序，可以減少或消除傳統費時費力的數控程序試切驗證過程。到了90年代很多CAD/CAM集成軟件推出幾何仿真模塊，比如英國的Power MILL，美國的（de）Master CAM, 德國西門子公司（sī）的UG NX等軟件。這些CAD/CAM集成軟件隻（zhī）能進行前置代碼仿真，不能進行後置代碼仿真。在國內，1994年6月哈工大研發的三維動態圖形仿真器（qì）NCMPS[23]。1994年11月由清華（huá）大學和華中科技大學合作研發的HMPS[24]。北京航空航天（tiān）大學開發的集成在CAD/CAM係列軟件中的仿真模塊。
動力學仿真則須通過仿真（zhēn）切削過程中的主軸功率、切削力等預測加工精度和加工（gōng）表麵（miàn）質量，為調整（zhěng）和優化切削（xuē）參數提供依據，最終達到優化結果。隨著計算機仿真技術的發展和對切（qiē）削原理的研究越來越深入，目前以優化切削參（cān）數為目（mù）的動力學仿真係統研究進展也（yě）很快。國外有加拿大UBC大學MAL實驗室[25]開發的Cutpro9.0、英國（guó）的Meltal Max，其（qí）中Cutpro9.0軟件可以利用虛擬現實和仿（fǎng）真技術對高速加（jiā）工過（guò）程中的切（qiē）削力、功率、扭矩、切屑厚度、振動情況等進行預測，以確定（dìng）無顫振條件下的主軸轉速、進給（gěi）量和切深，在保證良好表麵質量的（de）前提下提高材料的（de）去除速率。這些軟件已在包括波音、加普惠等數十加跨國公司得（dé）到了廣泛的應用，並取（qǔ）得了很好的效（xiào）果。國內目前主要有北航自主開發的銑削加工動力學仿真係（xì）統Simu Cut和數控機床動力學特性參數測試與分析（xī）Dyna Cut係統。該係統功（gōng）能與Cutpro9.0基本類似，且已在國內（nèi）軍工口幾（jǐ）十家企業得到初步應用，不足之（zhī）處是目前僅（jǐn）限於銑削加工仿真[26-27]。
1.3.3 切削顫振研究現（xiàn）狀
切削過程由於（yú）主軸（zhóu）的旋轉運動和刀（dāo）具切削工件產生（shēng）的切削力不可避免（miǎn）會出現振動情況。尤（yóu）其是當（dāng）切削參數選取不當或切削量過大時，刀具的振動會更（gèng）加激烈。切削過程中產生的振動，會影響加工質量和生產效率（lǜ），嚴重時甚至會導致刀具斷裂，因此通常都是對切削加工不利的。切削振動主要表現在影響加工的表麵光潔度、切削效率（lǜ）、刀具壽命、機床精度。多（duō）年來，國內外很多研（yán）究（jiū）者對切削振動進行深入的研究（jiū），取得了可喜的成效。
在國外，Tobias[28]和Tlusy[29]通過對切削過程中（zhōng）的顫振現象的研究，提（tí）出了有關於主軸轉速和切削深度的穩定臨界（jiè）切削深度（dù）表達式，並對銑削穩定性進行了時域分（fèn）析。Y.Altintas[30]通（tōng）過切削過程仿真建立動態銑削力（lì）的模型，提出了球頭銑刀進（jìn）行穩定切削的方法，從而得（dé）到了切削深度與主軸轉速的顫振穩定分析解。該方法僅需要獲取整個工藝係統的傳遞函數(FRF)，切削力係數，徑向切深及統刀齒數，通過較少量的計算得到較（jiào）精確的穩定性曲線。由於該方（fāng）法對方向（xiàng）係數做傅（fù）裏葉變換後僅取零次諧波分量，因此該方法被稱為零階求解方法(Zero Oder solution, ZOA)。Sata T等[31]在機床-刀具和（hé）機床-工件等動力學模態參數（shù）對切削穩定性影響分析的基（jī）礎上，給（gěi）出了切削（xuē）速度、每齒進給量（liàng）和刀軸切削角度的控製策（cè）略，得出了一種預測和控製顫振的方法。Gagnol等（děng）[32]通過采用（yòng）與速度無關的頻響函數來實現（xiàn）顫振穩定域預測，提出的顫振（zhèn）穩（wěn）定域預測模型中（zhōng）考慮了主軸（zhóu）轉速對刀尖點頻響函數的影響。
在（zài）國（guó）內，師漢民（mín）等人[33-35]提出（chū）切削中（zhōng）發生顫振（zhèn）時，振幅大到一定值之（zhī）後趨於穩定，這是因為切削用量有限，當（dāng）刀具振幅比較大時刀具有一部分已經脫離工件不參與切削。機床顫振振幅穩定模型主要受到兩個非線性因素影響，第（dì）一刀具切削（xuē）中脫離工件（jiàn）不參與切削，第二切削力的非線性特性。熊國良等[36]采用廣義傅裏葉級數法分析圓柱立銑刀的顫振問題，研究了主軸的陀螺效應對工（gōng）藝係統穩定性的影響。石莉等[37]采用小波分析法對切削力信號進行分析，根據切削力的波動來預測切（qiē）削顫振，得到產生顫振的切削力信號範圍，從而給避免顫振提（tí）供一個參考。劉安民等[38]通過分（fèn）析加工噪音來判斷是否發生顫振，從分（fèn）析（xī）顫振噪音中得到顫振頻率，從而不需要測量機床-工件和機床-刀具的傳（chuán）遞函數，就可以建立動態切削力模型，得到（dào）主軸轉速和（hé）切削深度的穩定曲線。
1.3.4 切削（xuē）參數優化研究現狀
在國內，閆國（guó）琛[39]對（duì）S50C模具鋼高速切削加工進行工藝（yì）參數優（yōu）化研究，采用（yòng）正交試驗得出模具鋼表麵粗糙度影響因素的（de）規律情況，並基於BP 神經網絡和遺傳算法進行工藝參數優化。陳展翼[40]通過高速銑削（xuē）試驗對鈦合金TC4材料進（jìn）行正交試驗得到切削參數對表（biǎo）麵粗糙度的影響規律，並利用遺傳優化算法實現了銑削加（jiā）工（gōng）參數優化。黃豪[41]基於不同切削方式的切（qiē）削（xuē）原理是相同的理論，針對（duì）不同（tóng）的切削方（fāng）式建立統一的數學模型，在遺傳算（suàn）法中加入模擬退火算法算（suàn）子，提出混合遺傳算法並對其（qí）進行（háng）測試和（hé）驗證。莊光法[42]對油管接（jiē）箍內壁的車削加工中易發生（shēng）變（biàn）形超（chāo）差，加工效率（lǜ）低下等（děng）問題（tí），采用Deform軟件和正交試驗（yàn）進行切削力預（yù）測得出切削因素對切削力影響的（de）主次因素，並基於粒子群算法以最（zuì）小圓度誤差和最大生產率為目標進行切削參數優（yōu）化。
在國外，H. Kurtaran[43]通過耦（ǒu）合響應曲麵法（RSM）與開發的遺（yí）傳（chuán）算法（GA）以最小表麵粗糙度為優化目標進（jìn）行切削參數的優化。首先使用RSM建立表麵粗糙度值的數學模（mó）型，再通（tōng）過遺傳算法（fǎ）進一步優化（huà）切削參數（shù），最（zuì）終得到最佳（jiā）切（qiē）削參數。Franci Cus[44]基於神經網絡對切削（xuē）參（cān）數進行多目標進（jìn）行優化，通（tōng）過充分（fèn）考慮技術、經濟等（děng）因素多目（mù）標優（yōu）化。為了達到更精確的預測（cè）結（jié）果，該神經（jīng）網絡優化算法能夠實現對重要的切削（xuē）參數簡單、快速和高效的優化。該方法適用於快速確定最佳切削參數的加工。Petropoulos[45]等提出使用幾何（hé）規劃方法（fǎ）進行數控車切削參數優化，該優化方法綜合考慮機床的最大主軸（zhóu）功率和切（qiē）削速度等因素，以最小生產成本為優化目標。但該模型約束條件多，計算（suàn）量大（dà），效率低下。Eskicioglu和Jha考慮了這個（gè）問題[46]，提出了基（jī）於幾何規劃法和拉格朗日（rì）乘數法的算（suàn）法，以減少約束數目，減少運算量。1.4 本文主要研究內（nèi）容 航空整體葉輪的加工手段、加工精度（dù）和（hé）加工（gōng）表麵質量直接影響葉輪的工作性能，對發動機性（xìng）能有決定性的影響。作為一種典型（xíng）的通道（dào）類複雜高（gāo）精度零（líng）件，其葉（yè）片間流（liú）道間距較小，葉片扭曲度大，其幾（jǐ）何（hé）結（jié）構複雜對加工造成很大困難（nán），主要采用五軸數控機床進行加工（gōng）。雖然（rán）目前進行了針（zhēn）對航空（kōng）整體葉輪較多的加工仿真及參（cān）數優化研究工作，但（dàn）仍存在如下問題：（1）在參數優化研（yán）究方麵，未考慮機床穩定性問題，在機床穩（wěn）定的前提下開展加工參數優化研究，才能同時保（bǎo）證五軸加工的效（xiào）率和質量。（2）由於葉片扭曲大（dà），通常CAM軟件（jiàn）生成的數控程（chéng）序隻考慮刀具與（yǔ）工件的（de）幹涉，未考慮機床主軸與夾具（jù）、工作台的碰（pèng）撞，不能完全確保刀具軌跡的正確性和機床的（de）安全性，因而需要考慮具體工藝係統，進行更全（quán）麵的幾何仿真研究。針對以上問題（tí），本文的主（zhǔ）要研究工作如下：
1.基於VERICUT的航空整體葉輪加工（gōng）數控仿真建（jiàn）模。在 VERICUT 環境下建立虛擬的數控機床實體、控製（zhì）係統、刀庫、坐（zuò）標係統等,創建數控仿真環境，實現針對具體工藝係統的（de）幾何仿真，有效避免機床主軸、刀具（jù）與工作台（tái）、夾具之間碰撞。
2.提出（chū）基於齊次變換的航空整體葉輪數控程序後處理算法。首先針對海德漢i TNC530數控係統的傾斜加工麵功能，通過（guò）對CLSF刀位軌跡（jì）進行齊次變換運算（suàn），提出（chū）了機床運動坐標的數控程序後處理算法。使用UG NX8.5/Post Builder編寫後處理文件，通過NC代碼分析（xī）、VERICUT仿真驗證後處理方法的正確性。
3.基於Cutpro9.0的工藝係統（tǒng）顫振穩定域獲取。首先采（cǎi）用力傳感器和加速度傳感器，通過錘擊實驗來獲取機床-刀具和機床-工件（jiàn）的（de）頻響函（hán）數。然後采用Cutpro9.0的動力學仿真功能，在給定的徑向切削深度（切寬）條件下，進行顫振穩（wěn）定域仿真，獲得表征主軸（zhóu）轉速和軸向切深（shēn）關係穩定域葉瓣圖。
4.基於幾何仿真和動力學仿真的切削參數優化。在工（gōng）藝係統顫振穩定域仿真的基礎上，以切削時間為優化目標，切削深度（dù）、主軸轉速、每（měi）齒（chǐ）進（jìn）給量為實驗因素，設計三因素四水平的正交試驗，通過（guò）幾何仿真獲得切削時間（jiān）。根據極差分析和（hé）方差分析，得（dé）出三組較短切削時間的加工（gōng）參數。對（duì）初（chū）步優化得到的三組切削參數進一步進行動力學仿（fǎng）真（zhēn），根據仿真結果確（què）定最優工（gōng）藝參數。
第 2 章 葉輪（lún）五軸數控加工幾何仿真
2.1 概述
由於航空整體葉輪五（wǔ）軸加工過程中刀軸變化頻繁，容易產生刀具幹涉或（huò）過切現（xiàn）象。隨著主（zhǔ）軸的擺動或工作台的旋轉，如果考慮不周全，主軸與工作台或主軸與夾具（jù）之間極易發生（shēng）碰撞。為了解（jiě）決這（zhè）一問題，本節在VERICUT 環境下建立虛擬的數控機（jī）床實體、控製係統（tǒng）、刀庫、坐標係統等，創建數控仿真環境，實現針對（duì）具體工藝係統的幾何仿真，有（yǒu）效避免機（jī）床主軸、刀具與工作（zuò）台、夾具之間碰撞考慮機床刀具與夾具、工（gōng）件之間的碰撞（zhuàng），檢查過切現象。
2.2 VERICUT軟件簡介
2.2.1 VERICUT簡介
美國（guó）CGTEC公司的VERICUT軟件是最具代表（biǎo）性的幾何仿真軟件。其主要功（gōng）能是完成數控程序的幾何（hé）仿真、進行刀具與機床、夾具的碰撞檢查以及對數控代（dài）碼的優化。VERICUT可以與世界上主流的CAM軟件進行（háng）對接，主要（yào）解決模（mó）型轉換、NC程（chéng）序傳輸等問題（tí），提高加工過程仿真的效率。隨（suí）著數控技術在實際生產應用越來越多，VERICUT軟件也得到（dào）了廣泛（fàn）應用。目（mù）前，國外很多大的航空公司汽（qì）車公司比如加拿大的龐巴迪公司、德（dé）國的大眾汽車公司、美國的波（bō）音公司等都已經把VERICUT軟件應用到生產實踐中，在國（guó）內使用VERICUT的公司有青島海爾股份有限（xiàn）公司、天津汽車模（mó）具股份有（yǒu）限公司、沈陽飛（fēi）機（jī）製造公司[47]。
VERICUT是交互仿真的NC程序數據去除材料過程。VERICUT軟件仿真可以替換昂（áng）貴的（de）NC數據驗證過（guò）程（chéng），並且可以優化材料去除率。VERICUT通過仿真NC程（chéng）序（xù），可以減少或消除傳統費時費力（lì）的數控程序試切驗證過程（chéng）。它還可以優化程序中進給速度和（hé）主軸轉速提高加工效率。這些能夠為企業以較低的成本進行生產（chǎn），創造（zào）更高的利潤。VERICUT能夠核實NC程序的準確性，能夠（gòu）確（què）保加工完成的產品與設計的產品相匹配（pèi）[48]。
2.2.2 VERICUT係統功能模塊
1.驗證與仿真模（mó）塊
VERICUT模擬仿真可（kě）以進行（háng）5軸銑（xǐ）削，鑽孔和線切割，以及車銑複合（hé）等仿真。類似加工零件的要求，VERICUT仿真也（yě）需要NC程序數據，毛坯模型，以（yǐ）及加工中（zhōng）所需的刀具模型。VERICUT幾乎可以仿（fǎng）真任何格（gé）式的數控程序，比如G、M代碼（mǎ）數據以及APT文（wén）件。驗證處理的結果是加工完成的實體模型（xíng）和錯誤信息報告的日誌文件。仿真結果得到實體模型可以（yǐ）進行檢測，查看零件的過切或欠切情況，還可以保存用作另一個NC程序的毛坯（pī）模型。日誌文（wén）件記錄著在模擬過程中任何加工誤差和（hé）錯誤。VERICUT驗證模塊可以簡化傳（chuán）統的試切驗證過程，減少產品的生產周期，提高生產率。
2. 數控程序優化
VERICUT優化模塊有自動和用戶（hù）自動義（yì）兩種方式，可以最大限度地提（tí）高材料去除率。VERICUT有恒定體積去除率和恒（héng）定切削厚度（dù）這（zhè）兩（liǎng）種優化方法（fǎ）。恒定體積去（qù）除率的原理是通過（guò）設定一個切削體積(Vol)來調節進給速度，
，其中ap為切削深度，ae為切削寬度，F為（wéi）進給速度。當切削體積為零時（shí），說明機床正在空走刀，沒有切削工件，這樣可以適當提高切削速度；當切削體積大於優化庫中設定的值（zhí）時，適當減少切削速度（dù）；當切削體積小於優化（huà）庫中的值時，增加切削（xuē）速度。恒定切削厚（hòu）度的優（yōu）化原理為通過變化進給速度來保持恒定的切削厚度（dù），這種方（fāng）法主（zhǔ）要用於（yú）精加（jiā）工。
2.2.3 VERICUT機床加工仿真（zhēn）過程
要在（zài） VERICUT 中實現加工仿真，首先需要建（jiàn）立（lì）虛（xū）擬機床，選擇控（kòng）製係統，建立加（jiā）工中所需的毛坯和加工刀具，然後輸入 NC 數控程序，設置（zhì）工件坐標係，開始仿真。仿真（zhēn）結束後，對（duì）仿真結果進行分析。仿（fǎng）真（zhēn）操作流程如（rú）圖 2-1 所示。
圖 2-1仿真操作流程圖
1.建立虛（xū）擬數控機床模（mó）型
VERICUT軟件（jiàn）中機（jī）床模型庫中有許多常見的機床模型，包括了數控（kòng）車（chē）床，三（sān）軸加工中心，五軸機床，電火花機床等。如果（guǒ）機床模型庫中，沒（méi）有所需（xū）的機床模型。可以通過三維建模軟件或VERICUT軟件進行建立機床模型，再通過VERICUT定義其機床的（de）運動關係，這樣就可以建立自己所需的機床。
2.建立毛坯和夾具模型
通過測（cè）量實際毛坯和夾（jiá）具（jù）建立三維模型，導入到VERICUT軟件中。建立夾（jiá）具模型主要是檢查（chá）機（jī）床刀具（jù）或主軸與夾具的碰撞情（qíng）況。毛坯模型是VERICUT軟件（jiàn）進行加工仿真的必備條件。
3.建（jiàn）立刀（dāo）具模型
VERICUT仿真與實際加工一樣也（yě）是需要刀具的。VERICUT軟件中有建立刀具和刀柄的（de）專用模塊。
4.設置係統參數（shù）
在進（jìn）行切削仿真之前，還需（xū）要設（shè）置一些（xiē）係統（tǒng）參（cān）數，如（rú）工件坐標係，刀具換刀位置等。
5.加（jiā）工（gōng）仿真
建立完機床模型、夾具模型、刀具模（mó）型等，就可以導入NC數控程序進行加工仿真。
6.仿（fǎng）真結果分析
對於仿真結果（guǒ），可以（yǐ）通過自動對比（bǐ）分析毛坯模型與設計模型的差值，從而得到過切與欠切的情況。還可（kě）以通過查看仿（fǎng）真日誌文件，檢查切削過（guò）程中機床與工（gōng）件（jiàn）之間發生的碰撞情況。通過分析仿真結果對數控程序或裝（zhuāng）夾方案進（jìn）行修改，以達到無（wú）錯誤的（de）仿（fǎng）真結果。
7.程序優化（huà）
通過分析仿真結果，得到無碰撞無（wú）過切的數控程序後，使用VERICUT優化模塊進行切削速度的優化，提高加工效率。VERICUT優化不會改變數控程序原有的刀具軌跡，隻會改變進給速度和主軸轉速。
2.3 建立VERICUT虛擬數控仿真環境
2.3.1 VERICUT虛擬機床的建（jiàn）立
VERICUT虛擬（nǐ）機床的建立過程就是對實際機床進行（háng）測量在三（sān）維軟件中建立機床各部件的模型，導入到VERICUT軟件中按照實（shí）際運動（dòng）邏輯（jí）關係進行“裝（zhuāng）配”。VERICUT構建機床流程：第一建（jiàn）立（lì）機床各部件間運動關係；第二建立機床組件模型；第三設定機床相（xiàng）關參（cān）數。
本文選用（yòng）的是DMG公司的HSC75 linear五軸高速加（jiā）工中心，控製係統是海德漢i TNC530。該五軸機床屬於刀具擺動與工作（zuò）台回轉類型，如圖2-2所示。其機床主要參數如表2-1 所示（shì）。
圖 2-2 德瑪吉 HSC75 機床
表 2-1 德瑪吉 HSC75 機床主要參數
建立虛擬機床（chuáng）模型必須要（yào）了解機床各部件間（jiān）的運動關係以及它們（men）的依附關係，再將機床進行運（yùn）動（dòng）分解。通過分析機床的結構（gòu）可知（zhī）HSC75有兩（liǎng）大運動鏈，主軸運動鏈和毛坯運動鏈。主軸運動鏈：Y軸依附於Base(床身)，Y軸運動（dòng）不影響Base的狀態和位置變化（huà）；Z軸依附於Y軸，並會隨著Y軸（zhóu）的移動而改變位（wèi）置（zhì）；B軸（zhóu）依附於Z軸，並會隨著Z軸的移動而改變位置；主軸依附（fù）於B軸，並會隨著B軸的移動而改變位置；刀具依附於主軸，並會隨著主軸（zhóu）的移動而改變位（wèi）置。即Base→Y→Z→B→Spindle→Tool。毛坯運動鏈：X軸依附於Base，X軸運動不影響（xiǎng）Base的狀態和位置變化；C軸依附於X軸，並會隨著X軸的移動而改變位置；夾具依附（fù）於C軸，並會隨著C軸的移動而改變位置；毛坯依附（fù）於夾具，並會隨著夾具（jù）的移動而改變位置。即Base→X→C→Fixture→Stock。建立的機床組件樹如圖2-3所示。
圖 2-3 HSC75 機床組件樹
建立完機床組件樹後，下麵就需要添加機床各部件的3D模型。為了建模方（fāng）便，本文將在UG軟件（jiàn）中建立機床各部件的三維模型，然後導出STL格式（shì）的機（jī）床模型文件（jiàn），添加到VERICUT中。在UG中建立機床模型的（de）坐標係要和VERICUT中的機（jī）床坐標係一致，建立各個軸（zhóu）的模型時，須（xū）按照機床位於零點位置時各坐（zuò）標軸的位置及狀態來建模，這（zhè）樣能有效減少後續機床調試難度（dù）和時間。由於HSC75五軸機床的B軸旋轉是機床主軸（zhóu）擺動，因此（cǐ）機床主軸在擺動過程中很容易與（yǔ）工作台、夾具等發生碰撞。這就要求機床各運動軸的位置關係一定要與實際位置相一致。而其他機床部件比如機床麵板、機（jī）床外殼等可以（yǐ）進行簡化建模或（huò）者不（bú）需要建模，這樣可以減輕工作量提高VERICUT仿（fǎng）真速度。 導入機床部件模型（xíng）文件後，還需（xū）要進行（háng）機床（chuáng）參（cān）數的（de）設定，如機床機械原點、機床（chuáng）換刀（dāo）位置、機床（chuáng）各軸行程範圍等（děng）。打開“配置”——“機（jī）床（chuáng）設定”，按順序進行設定碰撞檢（jiǎn）測、表、行程極限、軸優先、子程序、機床（chuáng）備忘錄等參數。通過以上（shàng）設（shè）置，就（jiù）完成HSC75機床仿真模型建（jiàn）立如圖2-4所示。
圖 2-4 HSC75 機床仿真模型
2.3.2 VERICUT虛擬刀具庫的建立（lì）
VERICUT軟件中（zhōng）有專用於建立刀具和刀柄（bǐng）的模（mó）塊，可以建立與生產（chǎn）加（jiā）工一致的刀具和刀柄文件（jiàn），如可以建立（lì）立銑刀、球頭銑刀（dāo）、盤銑刀、鑽頭等。選擇“項目”→“刀具”命令，係統彈出圖2-5所示的“刀具管理器（qì）”對話框。該（gāi）對話框主要有4部分顯示區域：刀具（jù）號、刀具參數區、圖形顯示（shì）區（qū）和信息提示區（qū），每個不同（tóng）的區域可（kě）相互作用。
圖（tú） 2-5 刀（dāo）具管理器對話框
在VERICUT係統中（zhōng）的“刀（dāo）具管理”對話框中，用戶可以根據具體應用場（chǎng）合定義（yì）不同的刀（dāo）具類（lèi）型（xíng），包括銑刀、車刀、鏜刀、探針、線切割刀（dāo）具共5種類（lèi）型。本文研究用到的刀具都是銑刀，按形（xíng）狀可（kě）分為平底銑刀、麵銑刀、球頭銑刀、牛鼻銑刀和鑽削銑（xǐ）刀。
在圖2-5所示的“刀具管理器”對話框中選擇“添加（jiā）”→“新”→“銑削”命（mìng）令，係統將彈出圖2-6所示的對（duì）話框。在“組件（jiàn）類型”下拉列表框中選擇不同的選項，對話框中需設置的內容也不一樣。當“組件（jiàn）類型”下拉列表框中選擇（zé）“旋轉型刀具”時，可創建（jiàn）平頭銑刀或球頭銑刀等，按要求輸入刀具切削刃結構尺寸即可。通過這種方法，創建本文研究所需的刀（dāo）具。
圖 2-6 旋轉型刀具對話框
2.3.3 VERICUT其他參數的設定
建立完機床和刀具庫後（hòu），需要（yào）設定數控程序加工（gōng）基準，也就是實際加工中所說的對刀（dāo）。VERICUT提（tí）供的對刀方式有“基於工作（zuò）偏置”、“機床零（líng）點”、“工作偏（piān）置”、“程序（xù）零點”、“輸入程（chéng）序零點”、“RTCP旋轉點偏（piān）置”及“RPCP旋轉點偏置”。本文使用程序零點對刀，打開G代碼偏置（zhì）對話框如圖（tú）2-7所示。一般情（qíng）況下主軸上不帶旋轉軸的（de）機床對刀（dāo）時，選擇Spindle組（zǔ）件，如果主軸上有旋轉軸，選擇主軸上的旋轉軸（zhóu）來對刀，主軸上有兩個或兩個以上的旋轉軸，選擇主軸分支上線性軸下連續的旋轉（zhuǎn）軸對刀。
圖 2-7 G 代碼偏置對話框
2.3.4 VERICUT虛擬仿真環境驗證
構建好了（le）機床模型後，下麵添加已經（jīng）實際驗證過無碰撞的數控程序來進（jìn）行（háng）數控加工仿真，驗證HSC75虛擬機床的正確性。操作步驟如下：
（1）右擊（jī）項目（mù）樹中（zhōng）“控製”→“打開”→“hei530.ctl”，加載hei530.ctl控製文件。
（2）在（zài）組件模型樹中（zhōng）添加已經創建好（hǎo）的夾具和毛坯（pī）模型文件（jiàn）。
（3）設置加工坐標（biāo）係，右擊“坐標（biāo）係統”→“添加（jiā）新的坐標係”，創建（jiàn）一（yī）個Csys 1的坐標係，然後將坐標係移動到毛坯上表麵的中心，使Csys 1與編程加（jiā）工坐標係重合。
（4）設置G—代碼偏（piān）置，在偏置名中（zhōng）選擇“程序零（líng）點”，子係統名為“1”，點擊添加。選擇“從”特征為“組件”，名字為“B”，選擇“到”特征為“組件（jiàn）”，名字為“Csys 1”。
（5）加載之前所創建的刀具庫
（6）添加數（shù）控程序
（7）在VERICUT主窗口中，點擊右下角的“重置模型”按鈕，再點擊“仿真到末端”，開（kāi）始數控加工過程（chéng）仿真（zhēn），仿真結果和自動-比較報告如圖2-8所示。
圖 2-8 仿真結果和自動-比較報告
仿真結果圖（tú）沒有顯示紅色區（qū）域，說明刀具沒有與夾具、工作台等發生碰撞；自動—比較分析報告隻顯示最大殘（cán）留部分，無過切信息，說明工件無過切現象。這（zhè）就驗證了數控仿真環（huán）境 HSC75 虛擬（nǐ）機床的正確性。
2.4 本章小結
本章節中，在 VERICUT 建立虛擬的數控機床（chuáng）實體、控製係統、刀庫、坐標係統等,創（chuàng）建一（yī）個數控仿真環境，檢驗機床（chuáng）各部件之間、刀具與夾具之間及刀具與毛坯之間的幹涉和碰撞，為後續檢查葉輪加工幹涉做準備（bèi）。同時，總（zǒng）結出幾點利（lì）用VERICUT軟件進行虛擬數控機床建模的關鍵技術。第一，根（gēn）據實際數控機床各個運動坐標軸和主要部（bù）件的運動邏輯（jí）關係來建立正確的機床運動組件拓撲關係；第二，在（zài）UG中創建機床三維模型，需要注意建模坐標係與VERICUT中的機床坐標係相重合，方便後續裝配機床；第三（sān），設置G—代碼偏置時需（xū）要考（kǎo）慮機床的結構，不同的機（jī）床結構（gòu）對應不同的G—代碼偏置。
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