王麗君，楊承濤

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

在紡織機(jī)械加工領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床正逐步取代傳統(tǒng)的加工設(shè)備，其普及率日益提高。盡管數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度高、加工精度高，但也存在對(duì)操作人員技術(shù)水平要求高、設(shè)備昂貴、投資成本高等問題。為此，如何提高數(shù)控機(jī)床的利用率、減少設(shè)備的故障和停機(jī)時(shí)間，已是我國工程技術(shù)關(guān)注的課題之一，而虛擬制造技術(shù)和仿真技術(shù)正是解決這類問題的有效途徑。筆者在此撰文簡單介紹已開發(fā)利用的數(shù)控鏜銑床虛擬仿真技術(shù)，希望能有助于從事國內(nèi)相關(guān)專業(yè)的同行參考。

1 虛擬仿真數(shù)控機(jī)床的建模

依據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的三坐標(biāo)數(shù)控鏜銑床用CATIA軟件進(jìn)行機(jī)床部件的三維實(shí)體造型建模，如主軸、床身、導(dǎo)軌、刀庫等；接著以STL格式輸入到VERICUT軟件系統(tǒng)中進(jìn)行組裝，組裝時(shí)應(yīng)把握其裝配約束關(guān)系（即幾何約束關(guān)系、運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系和排斥約束關(guān)系）設(shè)定機(jī)床坐標(biāo)系、部件坐標(biāo)系和它們之間的關(guān)系，然后根據(jù)機(jī)床的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行裝配。

虛擬仿真數(shù)控機(jī)床建模完成后，要設(shè)置各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如工作行程范圍、刀具補(bǔ)償?shù)?，其中主軸中心到主軸端面的距離和主軸線的偏移距離參數(shù)較為重要，應(yīng)正確設(shè)置，以免影響仿真結(jié)果的正確性。圖1為應(yīng)用VERICUT軟件建立的虛擬仿真數(shù)控機(jī)床模型。

圖1 虛擬仿真數(shù)控機(jī)床模型

2 虛擬仿真數(shù)控鏜銑床應(yīng)用研究

通過虛擬仿真數(shù)控機(jī)床的建立，除對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行論證和虛擬設(shè)計(jì)好所應(yīng)用的機(jī)床夾具外，主要是對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行仿真論證，以解決刀具運(yùn)動(dòng)軌跡錯(cuò)誤、刀具干擾選擇錯(cuò)誤等問題，圖2為虛擬仿真數(shù)控鏜銑床仿真加工的流程示意圖。同時(shí)，利

圖2 虛擬仿真數(shù)控鏜銑床仿真加工流程

用虛擬仿真技術(shù)可以進(jìn)行加工過程的優(yōu)化，以充分利用機(jī)床和提高生產(chǎn)率。

2.1 驗(yàn)證數(shù)控加工過程的錯(cuò)誤

進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，通過CAD／CAM系統(tǒng)應(yīng)用MasterCAM、Keller等軟件將零件的加工信息轉(zhuǎn)換為STL格式輸入到仿真加工系統(tǒng)生成數(shù)控加工程序，最后進(jìn)行仿真加工，驗(yàn)證程序軌跡是否存在錯(cuò)誤。在實(shí)際工作中，由于輸入數(shù)據(jù)有誤造成仿真加工時(shí)零件形狀錯(cuò)誤與輸入圖形信息不符，如刀具未進(jìn)行補(bǔ)償、未抬刀、啃刀等，此時(shí)可返回原圖形信息輸入模擬數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢驗(yàn)校正干涉碰撞錯(cuò)誤，這是數(shù)控加工經(jīng)常產(chǎn)生的錯(cuò)誤之一。驗(yàn)證時(shí)觀察刀具對(duì)非加工部件，如對(duì)工作臺(tái)、夾具等的干涉、碰撞及對(duì)工件非加工表面的碰撞，也可對(duì)經(jīng)常發(fā)生的干涉現(xiàn)象進(jìn)行專門的驗(yàn)證。

2.2 優(yōu)化數(shù)控加工程序

應(yīng)用VERICUT軟件時(shí)，其帶有在知識(shí)庫基礎(chǔ)上建立的優(yōu)化模塊（OPITPATH），根據(jù)所加工小樣的類型選擇加工機(jī)床參數(shù)、應(yīng)用刀具參數(shù)、金屬切削數(shù)據(jù)庫等知識(shí)進(jìn)行加工過程的優(yōu)化，其優(yōu)化內(nèi)容主要為粗加工、精加工及高速切削加工時(shí)的優(yōu)化。

2.2.1 粗加工優(yōu)化

為提高生產(chǎn)效率、達(dá)到盡快去除粗加工余量的目的，根據(jù)已給出的進(jìn)給量對(duì)刀具走刀路徑上應(yīng)去除的金屬材料進(jìn)行速度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)粗加工安全、穩(wěn)定、高效率。

2.2.2 精加工優(yōu)化

切削力的變化是影響加工尺寸精度和表面粗糙度的主要因素，為此在刀具切入、切出時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)進(jìn)給率，使其切削力產(chǎn)生較小的變化，減少振動(dòng)，從而提高加工質(zhì)量、延長刀具的使用壽命。值得注意的是，在用球狀銑刀加工傾斜面或曲面時(shí)進(jìn)給量會(huì)有較大影響，加以適當(dāng)調(diào)節(jié)則可使切削平滑、順利地進(jìn)行。

2.2.3 高速切削加工優(yōu)化

在工件刀具不產(chǎn)生振動(dòng)的前提下，高速切削是切削加工的發(fā)展方向，通過高速切削不僅可提高生產(chǎn)效率，同時(shí)會(huì)降低工件的表面粗糙度值。減少切削力的優(yōu)化方法主要是控制進(jìn)給量，保持較為穩(wěn)定的切削力和切屑去除率，通過實(shí)際應(yīng)用對(duì)球狀銑刀加大進(jìn)給率，提高主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行精加工的效果較好。當(dāng)然也可采用優(yōu)化切削速度，即對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行精加工優(yōu)化，達(dá)到提高表面質(zhì)量的目的。

3 應(yīng)用特點(diǎn)

利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)數(shù)控加工進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過一段時(shí)間應(yīng)用獲得較為顯著的效益，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 提高生產(chǎn)效率

通過仿真切削加工的優(yōu)化，提高了加工過程的合理性，針對(duì)不同加工對(duì)象優(yōu)化切削速度和進(jìn)給量，使其達(dá)到最優(yōu)切削狀態(tài)，減少刀具的非正常損壞，從而減少輔助時(shí)間，提高加工效率。

3.2 提高加工質(zhì)量

據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)制造業(yè)新機(jī)研制過程中加工廢品的30%是由于工人操作不當(dāng)造成，60%是由于數(shù)控程序錯(cuò)誤造成，10%是其他原因而形成；為此，利用該仿真系統(tǒng)可模擬加工過程，提高了數(shù)控編程的正確性，可以大大減少廢品的產(chǎn)生。

3.3 減少數(shù)控機(jī)床事故

數(shù)控加工時(shí)，刀具的碰撞、干涉會(huì)導(dǎo)致較大的損失，采用虛擬仿真技術(shù)可以避免并減少機(jī)床和刀具在加工時(shí)不必要的損失。

3.4 縮短新產(chǎn)品的研制周期

新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，加工出合格的關(guān)鍵零、部件是其中重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)方法試制單一零件耗時(shí)費(fèi)力，容易出現(xiàn)廢品，而通過虛擬仿真技術(shù)則可基本上驗(yàn)證了所編數(shù)控程序的正確性和可靠性，為新品試制節(jié)省了大量時(shí)間，降低了新品試制的成本和研發(fā)周期。

4 結(jié)語

隨著自動(dòng)化制造技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控加工已成為機(jī)械加工的主流加工手段之一，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用已日益普及，在數(shù)控加工中開發(fā)和應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，提高了價(jià)值昂貴的數(shù)控機(jī)床利用率，減少了機(jī)床故障及輔助時(shí)間，提高了產(chǎn)品零件的加工質(zhì)量，并有利于企業(yè)員工的繼續(xù)教育和培訓(xùn)。而這些經(jīng)實(shí)踐證明已取得顯著經(jīng)濟(jì)效益，筆者希望通過該文的介紹能對(duì)國內(nèi)從事數(shù)控加工技術(shù)的同行有所裨益。

［1］楊承濤.柔性制造系統(tǒng)［M］.西安：西安地圖出版社，2006.

［2］陳麗萍.虛擬儀器技術(shù)在數(shù)控仿真中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002（4）：11－14.

［3］盛亮.基于實(shí)體的數(shù)控加工仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)博士論文，2005：97－98.

［4］張樹生，楊茂奎，朱名銓，等.虛擬制造技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：334－344.