五軸聯動虛擬仿真加工系統的研究與應用

□李 斌

陜西建設機械股份有限公司 西安 710032

1 研究背景

五軸加工中心的應用，不僅可以在一次裝夾下完成五個面的加工任務，避免因重新裝夾而引起的加工誤差，而且還能夠實現對復雜曲面的加工，極大滿足了加工復雜曲面零件的要求[1]。

然而，由于五軸加工中心復雜的結構及運動特點，在進行加工時，數控加工程序的正確性往往較難保證，尤其是在加工試件的過程中，極易出現干涉、碰撞等危險狀況，對機床造成損壞，進而給企業帶來較大損失。

因此，通過應用虛擬仿真技術，建立虛擬仿真系統，對工件進行仿真加工，實現對數控加工程序的檢驗，并對實際加工過程進行模擬演示，可以提高五軸加工中心的安全性和使用效率。

2 五軸加工中心結構

K2X8五軸加工中心是典型的雙回轉工作臺結構，具有X、Y、Z三個直線運動軸，以及分別繞X軸和Z軸旋轉的A、C兩個旋轉軸。這一五軸加工中心能夠實現一次裝夾下對五個面的完整加工，其結構如圖1所示。A軸為傾斜軸，與Z軸夾角為55°。五軸加工中心通過A軸的回轉來實現工作臺不同位置的轉換。

圖1 五軸加工中心結構

3 五軸聯動虛擬仿真加工系統

3.1 系統建立流程

五軸聯動虛擬仿真加工系統根據五軸加工中心的實際結構及加工特點，將機床完全映射到計算機虛擬系統中，在不消耗實際物資、能源的情況下，實現對零件的虛擬仿真加工。虛擬仿真加工高效、準確，能夠可靠反映實際加工中的情況，驗證加工中可能存在的問題，為實際加工提供指導意見[2]。建立五軸聯動虛擬仿真加工系統，需要將機床各運動模塊、運動關系，以及控制系統、刀具、機床的結構參數等完全映射至虛擬系統，確保虛擬仿真加工系統與實際五軸加工中心具有一致的加工能力[3]。建立五軸聯動虛擬仿真加工系統的流程如圖2所示。

圖2 五軸聯動虛擬仿真加工系統建立流程

3.2 五軸加工中心結構建模

通過測量五軸加工中心各運動部件的參數，在三維建模軟件中建立五軸加工中心結構的三維模型，將其保存為.stl格式，并按照各運動軸的運動邏輯關系導入VERICUT軟件。五軸加工中心的參數包括五軸加工中心各組成部件的外形尺寸、安裝位置，以及運動部件間相對位置等，可通過直接測量得到，也可在五軸加工中心手冊中查找得到。

3.3 五軸加工中心結構樹構建

在VERICUT軟件中對五軸加工中心運動關系的定義是通過結構樹來實現的，五軸加工中心運動關系由兩條運動鏈來表達：基座—刀具、基座—工件[4]。根據實際五軸加工中心的運動特點，在VERICUT軟件中建立結構樹，并依次添加五軸加工中心運動軸組件，完成結構樹的創建，如圖3所示。

圖3 五軸加工中心結構樹

在五軸加工中心結構樹上，添加各運動軸的幾何模型至相應組件下，以完成五軸加工中心幾何模型的構建。添加幾何模型時，應考慮五軸加工中心初始位置狀態，按照實際五軸加工中心結構對添加的三維模型進行相關位置和尺寸的調整，使模型與實際五軸加工中心完全一致。五軸加工中心幾何模型如圖4所示。

圖4 五軸加工中心幾何模型

3.4 刀具創建

刀具由刀柄和刀片組成，在VERICUT軟件中可直接建立刀柄及刀片的模型，也可通過三維軟件建模，然后導入VERICUT軟件[5]。K2X8五軸加工中心使用的刀具為回轉體刀具，可直接在VERICUT軟件中創建。完成刀具創建后，設置刀具驅動點，即對刀點，實現刀具調用時的正確使用。圖5所示為VERICUT軟件中創建的刀具庫。

圖5 VERICUT軟件刀具庫

3.5 設置控制系統及五軸加工中心參數

建立五軸加工中心的三維模型后，需要對五軸加工中心的控制系統進行設置。VERICUT軟件提供了多種主流控制系統，可直接進行選取，但對于一些具有特殊功能代碼的五軸加工中心，還需要進行控制系統的二次開發，以滿足五軸加工中心的實際使用需求[6]。

為確保仿真加工中對可能存在的碰撞、干涉能夠準確識別，需要對五軸加工中心的參數進行設置。需要設置的參數包括五軸加工中心行程、碰撞檢測、G代碼偏置等，當加工中出現超程、碰撞等情形時，系統會主動報錯。用戶能夠根據報錯信息，快速確認問題，進而排除問題，提高數控加工程序的準確性和合理性[7-8]。

4 仿真加工及驗證

將葉輪零件的加工毛坯及數控加工程序導入五軸聯動虛擬仿真加工系統中，進行仿真加工，如圖6所示。仿真加工中通過圖形窗口觀察刀具的空間位姿，同時注意是否有干涉、碰撞等現象。完成加工后，設置好檢查精度，通過檢查模塊對加工結果進行檢查，分析是否存在過切、欠切等現象，針對不合理的工藝進行改進、優化。

將經五軸聯動虛擬仿真加工系統驗證的數控加工程序導入實際五軸加工中心，進行實際加工驗證，如圖7所示。加工中機床各運動軸位姿與仿真加工系統完全一致，驗證了仿真加工系統的準確性和可靠性。在后續零件開發中，可使用這一仿真加工系統進行先期驗證，進而提高樣件的設計、加工效率[9]。

圖6 虛擬仿真加工

圖7 葉輪實際加工

5 總結

數控加工程序的獲取及正確性檢驗一直制約著五軸加工中心的安全及高效應用，通過應用虛擬加工技術，構建五軸聯動虛擬仿真加工系統，對復雜零件進行仿真加工，可方便、快速地實現數控加工程序的正確性檢查。通過觀察仿真加工中五軸加工中心的運動軌跡，預知實際加工中可能存在的干涉、碰撞等危險情況，可以保證五軸加工中心實際加工過程的安全性[10]。筆者以K2X8五軸加工中心為原型，建立五軸聯動虛擬仿真加工系統，對葉輪零件進行仿真加工及實際加工驗證，證實了這一仿真加工系統的準確性和可靠性，為實際五軸加工中心的高效應用提供了可靠保障。

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