1、整體葉輪UG 數控編程和Vericut 加工仿真1 前言2 UG 五軸后處理創建2.1 A-C 雙轉臺五軸聯動數控機床運動學變換針對實驗室自主開發的AC 雙轉臺五軸數控機床進行運動學分析，建立坐標系以描述機床的運動，如圖1 所示。其中A 軸和C 軸為兩個回轉軸，C 軸隨A 軸運動；Csys_W 為與工件固聯的工件坐標系（且與C 軸固聯）；Csys_T 為與刀具固聯的刀具坐標系，其原點設在刀位點上，其坐標軸方向與機床坐標系一致；Csys_A為與定軸A 固聯的坐標系，其原點O m 為兩回轉軸的交點，其坐標軸方向與機床坐標系一致。則其運動關系即是刀具坐標系Csys_T相對于工件坐標系Csys_W 的

2、變換關系，它可進一步分解為Csys_T相對于Csys_A的平動和Csys_A 相對于Csys_W的轉動。初始狀態下，轉動軸C 的軸線平行于刀具坐標系的Z 軸；此時，工作臺與Z 軸垂直，工件坐標系的方向與機床坐標系一致，刀具坐標系原點O t 與工件坐標系原點O w 重合，記交點O m 的位置向量記為r m (m x , m y , m z 。在刀具坐標系中，刀具的位置和刀軸向量分別為T000T 和001。記機床平動軸相對于初始狀態的位置為r s (X , Y , Z ，回轉軸A 和軸C 相對于初始狀態的角度為A 和C ，此時，工件坐標系中刀軸方向和刀位向量分別為u (i ,j , k 和r p

3、(x , y , z 。1Y X mm圖1 A-C 雙轉臺坐標系通過機床坐標系變換，可得：ij k 0T =T (r m R z (C R x (A T (r s -r m 0010T x y z 1T =T (r m R z (C R x (A T (r s -r m 0001T 100m x T (r 010m y m =001m z 001100X -m x T (r 010Y -m y s -r m =001Z -m z 0011.1）2.2）2.3） 2.4） 2 （ （cos C -sin C sin C cos CR z (C =000001000 （2.5） 0100 （2.6

4、） 010010cos A -sin AR x (A =0sin A cos A 000將式（2.3）到（2.6）分別代人式（2.1）、（2.2）得：i sin A sin C j -sin A cos C = k cos A 00（2.7）x m x +(X -m x cos C -(Y -m y cos A sin C +(Z -m z sin A sin C y m -(X -m sin C +(Y -m cos A cos C -(Z -m sin A cos C x y z =x （2.8）z m z +(Y -m y sin A +(Z -m z cos A 11由（2.7）和（2

5、.8）得：A =k A arccos(k , k A =1, -1 （2.9）C =arctan(i /j -k C , k C =0, 1 （2.10） X =(x -m x cos C +(y -m y sin C +m x （2.11）Y =-(x -m x cos A sin C +(y -m y cos A cos C +(z -m z sin A +m y （2.12） Z =(x -m x sin A sin C -(y -m y sin A cos C +(z -m z cos A +m z （2.13）2.2 UG Post/Builder創建五軸后處理使用UG NX模塊生成

6、刀軌后，其中會包含GOTO 點和其它機床控制的指令信息。由于不同的數控機床控制系統對NC 程序格式有著不同的要求（數控機床的控制器不同，所使用的NC 程序格式也就不一樣），數控機床的結構形式也有所差異，故刀軌源文件不能直接被數控機床使用。因此，NX CAM中的刀軌必須經過處理轉換成特定機床控制器能夠接受的NC 代碼格式，這一處理過程稱為“后處理”17。首先分析實驗室的五軸聯動數控機床結構和數控系統，測量機床的主要結構參數（如行程、精度等），從而用NX Post Builder創建符合機床控制系統的NC 處理程序。后處理流程如圖8所示。3 圖2 UG 后處理流程創建五軸后處理的流程如下： (1

7、新建后處理文件運行UG NX/Post Builder，新建五軸后處理程序，命名為HPDM_5axis.pui，機床類型選擇Mill ，結構型式選擇5-Axis with Dual Rotary Tables，點擊“OK ”進入后處理設置接口，如圖3所示。圖3 新建五軸后處理程序(2 第4軸參數設置在“5-Axis Mill”下選擇“Fourth Axis”選項，設置“Machine Zero To 4th Axis Center”，“Axis Limits”設為090°，如圖4所示。點擊“Configure ”按鍵彈出“Rotary Axis Configure”對話框，第4軸選擇

8、YZ 平面，“Word Leader”設為“A ”；第5軸選擇XY 平面，“Word Leader”設為“C ”，點擊“OK ”保存設置（圖5）。4 圖4 第4軸參數設置對話框 圖5 回轉軸結構設置對話框（3）第5軸參數設置在“5-Axis Mill”下選擇“Fifth Axis”選項，設置“4th Axis Center To 5th Axis Center”，“Axis Limits”設為-99999.99999999.999°，如圖6所示。 5圖6 第5軸參數設置對話框（4）Rapid Move（快速運動）格式設置點開Program & Tool Path 選項卡，在左

9、側樹形結構窗口中選擇Tool Path 下的Motion ，如圖7所示。 圖7 打開Motion 項目框點擊右側窗口的Rapid Move節點，彈出Event:Rapid Move對話框，如圖8所示。 圖8 打開Rapid Move設置框在Rapid Move對話框中，將Work Plane Change選框改成未選中，修改后的結果如圖9所示。 圖9 修改Rapid Move格式修改前后的輸出的部分G 代碼如下所示。 刀軌CLF 文件：GOTO/-20.0243,57.2574,-59.7373 GOTO/-20.1996,57.5340,-59.5972 GOTO/-20.2262,57.7

10、796,-59.3407 PAINT/COLOR,211 RAPIDGOTO/-10.4622,94.6649,-6.7182,0.0000000,0.0000000,1.0000000PAINT/COLOR,186GOHOME/0.0000,0.0000,10.0000 PAINT/SPEED,10 PAINT/TOOL,NOMORE END-OF-PATH修改Rapid Move前的G 代碼： N6150 G00 Z-61.651 N6160 X34.01 Y56.126 N6170 Z-61.407 N6180 X34.25 Y56.028 N6190 Z-61.064 N6200 X3

11、4.339 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 代碼： 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 M023 整體葉輪加工總體方案3.1 葉輪毛坯設計為了減小五軸銑削的加工量，

12、在數控車床上將毛坯車削加工出葉輪回轉體的基本形狀。整體葉輪的毛坯形狀如圖10所示。圖10 整體葉輪毛坯3.2 葉輪加工工藝路線擬定工藝路線的出發點是使零件的幾何形狀、尺寸精度以及位置精度等技術要求能得到保證。工藝路線的擬定一般需要做兩個方面的工作：一是根據生產綱領確定加工工序和工藝內容，依據工序的集中和分散程度來劃分工藝：二是選擇工藝基準，即主要選擇定位基準和檢驗基準。在生產綱領已確定為批量生產的條件下，盡量采用工序集中的原則，通過減少工件安裝的次數來提高生產率。除此之外，還應盡量考慮經濟精度以便使生產成本盡量下降。根據以上原則，擬定的工藝路線如下：10 開槽 20 去尖角 30 粗銑葉片 4

13、0 粗銑流道 50 粗銑圓臺 60 半精銑葉片 70 精銑葉片8090 100 110 120 130半精銑流道 半精銑圓臺 精銑流道 精銑圓臺 清根鉗工去毛刺3.3 主要切削用量的選擇 4 整體葉輪加工路徑編程4.1 開槽采用帶錐倒角的平頭銑刀（ 6mm ）。采用可變軸曲面輪廓銑（Variable Contour），刀軸控制方式采用相對于驅動（Normal to Drive）。程序的參數設置如下：a 驅動方法采用曲面區域（Surface Area）； b 驅動幾何選用流道曲面，如圖11所示；c 刀軸控制方式采用相對于驅動，前置角為0°，側傾角為15°；d 切削區域中曲面%

14、（Surface%）的初始步長和終止步長分別設為15、90，最初的終點和最后的終點都設為95； e 步數設為20，公差設為0.1；f 設置Stock 余量30mm ，每層切深2mm ，最終余量0.3mm ；g 非切削運動分離選擇間隙，安全平面為工件上表面向上偏移10mm ，退刀方式為手工圓弧相切離開，進刀方式為圓弧相切逼近。 圖11 開槽刀軌4.2 粗精銑葉片采用帶錐倒角的平頭銑刀（6mm ），曲面驅動方式，刀軸控制方式采用側刃驅動，側傾角設為30°。工藝參數如下：進給速度f=300mm/min，主軸轉速n=1700r/min，切削深度t=2mm，余量為0.5mm 。所需加工時間T

15、3=90min 。曲面驅動方式，刀軸控制方式采用相對于，前置角設為0°，側傾角設為-60°。采用硬質合金球頭銑刀（6mm ），工藝參數如下：進給速度f=600mm/min，主軸轉速n=2100r/min，半精銑余量為0.1mm ，精銑余量為0mm 。a 驅動方法采用曲面區域（Surface Area）；b 驅動幾何依次選取壓力面、圓角面和吸力面； c 刀軸控制方式采用側刃驅動，側傾角為30°；d 切削區域中曲面%（Surface%）的初始步長和終止步長分別設為-1、101； e 半精銑步數設為150、公差為0.05，精銑步數為300、公差為0.05； f 半精銑最

16、終余量0.1mm ，精銑余量為0.0mm 。 圖12 半精銑葉片刀軌4.3 粗精銑流道采用硬質合金球頭銑刀（ 6mm ），進給速度f=600mm/min，主軸轉速n=2100r/min，半精銑余量為0.1mm ，精銑余量為0mm 。a 驅動方法采用曲面區域（Surface Area）；b 驅動幾何依次選取流道曲面；c 刀軸控制方式采用相對于驅動，前置角為2°，側傾角為15°；d 切削區域中曲面%（Surface%）的初始步長為5；e 半精銑步數設為150、公差為0.05，精銑步數為300、公差為0.05；f 半精銑最終余量0.1mm ，精銑余量為0.0mm 。 圖13 半精

17、銑流道刀軌4.4 圓臺加工粗銑圓臺采用硬質合金球頭銑刀（ 6mm ），固定軸曲面輪廓銑。進給速度f=300mm/min，主軸轉速n=1700r/min，余量0.1mm 。葉輪加工結果如圖14所示。 圖14 葉輪加工結果5 基于Vericut 的五軸加工仿真數控機床加工仿真主要解決以下問題1：(1 驗證數控程序的正確性，減少零件首件調試風險，增加程序的可信度；(2 模擬數控機床的實際運動，檢查潛在的碰撞錯誤，降低機床碰撞的風險；(3 優化程序，提高加工效率，延長刀具壽命。VERICUT 是一款專為制造業設計的CNC 數控機床加工仿真軟件和優化軟件。VERICUT 取代了傳統的切削實驗部件方式，通

18、過模擬整個機床加工過程和校驗加工程序的準確性，來幫助用戶清楚編程錯誤和改進切削效率。VERICUT 軟件由NC 程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、優化路徑模塊、多軸模塊、高級機床特征模塊、實體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成。能進行NC 程序優化、縮短加工時間，可檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤。具有真實的三維實體顯示效果，切削模型可測量尺寸，并能保存模型供檢驗、后續工序切削加工。VERICUT 軟件已廣泛應用于航空、模具制造等行業，其最大特點是可仿真各種CNC 系統，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC 程序。5.1 構建五軸聯動數控銑床仿真平臺（1） 定義機床部件結構樹a 定義部件：Ba