船用螺旋槳數控加工干涉仿真及刀軸方向控制技術研究

張勝文，劉傳倫，朱成順，方喜峰

(江蘇科技大學，江蘇鎮江 212003）

船用螺旋槳數控加工干涉仿真及刀軸方向控制技術研究

張勝文，劉傳倫，朱成順，方喜峰

(江蘇科技大學，江蘇鎮江 212003）

干涉檢測是螺旋槳數控加工中的關鍵問題，如果在加工過程中發生干涉，會破壞機床甚至造成重大損失。基于UG軟件，構建了螺旋槳加工仿真平臺，利用該平臺進行螺旋槳加工過程仿真和干涉分析；在虛擬環境中，檢驗數控程序是否干涉；針對虛擬仿真過程中發現的發生干涉的刀位點，反復自動調整刀軸矢量，計算出無干涉刀軸矢量數據，優化數控程序，以避免干涉碰撞，提高了數控程序編程效率。

螺旋槳數控加工；仿真平臺；刀軸方向；干涉

螺旋槳是影響艦船航行的重要零部件，改善螺旋槳的加工精度能夠改善艦船的綜合性能。船用螺旋槳相鄰葉片之間的空間狹小，在徑向越靠近槳轂處通道越窄，因此，在螺旋槳葉片的加工過程中，刀具、機床與其他相鄰葉片易發生干涉。因此，采用數控機床加工螺旋槳必須不斷調整刀具傾角，以防止發生干涉和碰撞。

五坐標數控銑削技術在自由曲面加工中得到了廣泛應用［1］。對于自由曲面的干涉問題，國內外專家進行了大量的研究［2］，這些研究主要考慮刀具與被加工曲面之間的干涉檢查，忽視了刀具、機床與工件其他部分的干涉問題。

目前主流的數控加工商業軟件在刀具路徑規劃、干涉分析和仿真方面提供了策略，但在刀具軌跡優化、無干涉編程等方面還有待完善。仿真加工是數控加工的重要技術之一，它利用計算機仿真驗證復雜曲面數控加工程序的正確性、可靠性并預測實際切削過程［3］。文中利用UG軟件的二次開發平臺，提出了一種能夠自動進行干涉檢查并優化刀軸角度的方法，提高了編程人員的工作效率。以船用螺旋槳為研究對象，運用機構學理論，建立了五軸機床模型［4］，然后利用齊次變換矩陣和正向、逆向運動學相結合的方法建立了螺旋槳數控加工仿真模型，并成功地進行了仿真實驗。

1 構建螺旋槳加工仿真平臺的原理與方法

UG軟件的CAM模塊具有強大的五軸數控編程功能，能夠方便地產生精確的刀具路徑。由于UG軟件在生成葉片的加工程序時很難充分考慮機床的具體結構信息，故這些加工軌跡后置處理后生成的數控加工程序可靠性低，易出現碰撞、干涉缺陷，不能直接應用于數控機床進行加工。

文中采用UG軟件建立機床實體裝配模型和螺旋槳的模型；建立機床位置變量；利用齊次坐標變換計算各個機床部件相對于參考坐標系的運動關系；根據機床部件之間的實際連接關系，計算出刀具坐標系相對于基坐標系的齊次坐標系的變換矩陣，建立機床運動方程；在得到刀具姿位數據的條件下，根據機床運動方程計算出機床各個零部件的位置；更新位置變量值，并進行干涉分析，判斷機床與螺旋槳之間是否發生干涉，如果存在干涉，則調整刀軸位置，重新計算機床零部件位置，直到找到無干涉刀軸角度為止。五坐標數控機床仿真系統的原理如圖1所示。

圖1 螺旋槳仿真原理圖

數控加工虛擬仿真可以通過軟件模擬螺旋槳加工過程，從而實現在虛擬的環境下檢驗數控加工程序，無需試切就能夠得到理想的數控程序。建立機床、零件毛坯、夾具和刀具的實體幾何模型，建立用于調整機床零部件之間位置的表達式變量；建立UG二次開發框架；導入刀位軌跡數據，計算機床模型上零部件的位置數據，更新機床上零部件位置；將零件毛坯和刀具、機床的幾何模型進行布爾運算，判斷是否存在干涉；如果不存在干涉則導入下一個刀位點的數據，如果存在干涉則調整刀具主軸位置重新計算；最后得到零件的加工數據，實現對加工過程的完全模擬。根據數控模擬加工的過程，數控加工仿真的主要流程如圖2所示。

圖2 船用螺旋槳仿真流程圖

2 建立數控機床的仿真模型

建立機床裝配體模型，如圖3所示。

圖3 船用螺旋槳數控加工機床裝配圖

對于螺旋槳數控機床，可以認為是由3個移動副和2個旋轉副按照一定順序連接構成。建立機床各個部件之間的運動關系。機床零部件之間的相對位置關系可以由UG表達式變量進行調整。建立機床模型的參數變量，X軸的變量P16，Y軸的變量P17，Z軸的變量P18，A軸的變量P19，C軸的變量P20，可以通過更改表達式的值而更改零部件位置。使用UG/OPEN MenuScript語言添加菜單按鈕，使用VC++6.0編寫菜單按鈕對應的回調程序。

3 求解機床運動部件的位置變量

根據螺旋槳工藝和船用螺旋槳的材料，選用φ60的球形銑刀切削螺旋槳葉片。UG軟件的CAM模塊具有強大的五軸數控編程功能，能夠方便地產生精確的刀具姿位數據。利用UG軟件的CAM模塊可以得到刀具軌跡數據，該數據的常用格式是:

“GOTO/”后面的數字表示刀具中心點在工件坐標系中的坐標值 (xc，yc，zc）和刀具主軸的單位向量α= ［i，j，k］T；定義工件坐標系為Ow，刀具可繞X軸轉動角度A；繞Z軸轉動角度C。根據UG加工模塊得到的刀具主軸矢量數據計算出機床轉角A、C的值。

空間某點平移齊次變換表示為:

在五軸數控機床中，刀軸矢量K=［i，j，k］T為單位矢量。可以認為該矢量是由矢量α=［0，0，1］T繞Z軸旋轉角度C，再繞X軸旋轉角度A后所得。根據坐標變換原理可得:

從刀具軌跡數據中，能夠得到 K= ［i，j，k］T的數據，根據以上公式可以計算出A、C的角度值。為了確定機床各個部件的位置，必須計算A、C軸旋轉中心OA的坐標值 (xA，yA，zA）。假設球頭刀具中心到旋轉中心OA的距離定義為d，根據坐標變換原理可得公式:

式中:(x，y，z）是刀具軌跡數據中刀具位置坐標。

在編寫回調程序的過程中，使用上述方法計算出xA，yA，zA，A，C的值，并求出 UG變量 P16、P17、P18、P19、P20的值，利用UG軟件的函數更新變量和模型，使機床零部件的位置更新，然后利用干涉檢查函數進行干涉計算。

4 干涉處理

根據干涉計算結果，如果不存在干涉，該組數據輸出到刀具軌跡文件，然后進行下一組數據的計算；如果存在干涉，如圖4所示，在仿真環境中，機床與槳葉發生干涉后，在工件坐標系下，調整刀具主軸方向。以刀具中心為圓心繞徑向旋轉步長為br，繞軸向旋轉步長為bc，繞徑向旋轉角度為mbr，m為徑向搜索次數；繞軸向旋轉角度為nbc，n為軸向搜索次數，刀具主軸每旋轉一個步長，則重新計算機床零部件的位置，并進行干涉檢查，直到搜索到無干涉刀具主軸方向為止。

圖4 刀具主軸調整示意圖

計算公式為:

如果最后沒有找到無干涉主軸位置，則說明該點是機床不可加工點，因此需要更換刀具或者更換銑頭，或者采用人工打磨的方法進行加工。

5 仿真實驗驗證

在UG軟件中構建機床后處理器，將優化后的刀具軌跡數據導入后處理器，生成數控機床能夠識別的G代碼。加工仿真是虛擬制造的重要內容［5］，VERICUT軟件能夠直觀地模擬數控加工過程，而且能顯示機床的運行過程以及虛擬的工作環境。應用VERICUT軟件構建的五軸機床的虛擬仿真加工平臺，能夠檢查機床碰撞、干涉和過切現象［6］。在VERICUT軟件建立仿真加工平臺，設置程序原點，導入數控程序，進行虛擬加工，仿真加工結果如圖5所示。

圖5 螺旋槳加工仿真過程

檢查仿真結果，發現整個加工過程中沒有干涉和碰撞現象，驗證了螺旋槳數控程序的正確性。

6 討論

針對船用螺旋槳數控加工編程過程中的干涉問題，提出了調整刀軸角度的方法以避免碰撞。利用UG二次開發平臺，開發了刀軸方向優化程序，自動對刀具軌跡數據進行優化，快速地生成無干涉的刀具軌跡數據，提高了編程效率。構建了數控仿真加工平臺，對優化后的數控程序進行了仿真驗證，驗證了該方法效果良好。

在數控加工過程中，除了考慮干涉問題，還有切削參數優化、切削效率優化等因素，文中提出的方法僅從機床結構和避免干涉的方面對刀具軌跡進行優化，忽略了被加工件的表面質量和切削效率，優化邊界條件不夠全面，有待進一步深入研究。

［1］樊文剛，李建勇，蔡永林.圓環面刀具五坐標數控加工旋轉切觸刀位算法［J］.機械工程學報，2011(19）:187－192.

［2］PARK JW，CHO H U，CHUNG CW，et al.Modeling and Grinding Large Sculptured Surface by Robotic Digitization［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26(9）:2087－2091.

［3］周濟，周艷紅.數控加工技術［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［4］鄭飂默，林滸，卜霄菲，等.五軸機床通用運動學模型的設計［J］.小型微型計算機系統，2010，31(10）:1965-1969.

［5］崔海龍，關立文，滑勇之，等.基于VERICUT二次開發的數控加工切削力仿真研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(5）:9－12.

［6］楊晗.基于VERICUT立式車銑復合虛擬加工仿真的研究與應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(10）:94－96.

Research on the Interference Simulation of Marine Propeller CNC Machining and the Tool Axis Direction Control Technology

ZHANG Shengwen，LIU Zhuanlun，ZHU Chengshun，FANG Xifeng
(Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China）

Interference detection is the key issue in the propeller CNCmachining.If interference occurs in the process，themachine will be destroyed or even significant losses are resulted in.Propellermachining simulation platform was built based on UG software.With the platform，propeller process simulation and interference analysis were carried out.The NC program was checked in a virtual environment to judgewhether therewas interference.At the interference points found in the virtual simulation process，tool axis vectors were adjusted automatically，no interference tool axis vector datawere calculated，the NC program was optimized.So collisions can be avoided，NC programming efficiency is increased.

Propeller CNCmachining；Simulation platform；Tool axis direction；Interference

TP391.9

A

1001－3881(2014）10－022－3

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.006

2013－04－08

船舶先進設計制造技術省級重點實驗室開放研究基金；江蘇科技大學研究生創新計劃 (YCX11S_06）

張勝文 (1963—），男，本科，教授，研究方向為成組技術、CAD/CAM、數控加工。E－mail:swzhang2003@163.com。