基于虛擬制造技術的復雜曲面工件加工質量分析*

崔浪浪　蒙　赟

(貴州航天林泉電機有限公司, 貴州 貴陽 550008)

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基于虛擬制造技術的復雜曲面工件加工質量分析*

崔浪浪蒙赟

(貴州航天林泉電機有限公司, 貴州 貴陽 550008)

隨著航天、航空等技術的發展，復雜曲面零件的應用日益廣泛，復雜曲面工件加工過程受力情況復雜，因此該類工件是公認的制造工藝難題。將虛擬制造技術應用到曲面工件加工中，并以“S”試件為例詳細建立了曲面工件的虛擬加工模型，最后通過五軸機床銑削實驗驗證了虛擬加工模型的實用性與正確性。說明了虛擬加工技術為提高曲面工件加工精度及加工效率提供了有力的技術支撐。

虛擬制造；復雜曲面；“S”試件；五軸機床

虛擬制造技術是基于計算機進行的一種模擬產品完整制造生命周期的一體化仿真技術，其精髓在于利用計算機技術實現產品制造過程中各工序環節能夠達到的理想效果，并結合實時和經驗數據，規避產品生產中各環節可能出現的加工風險以及對現有產品的生產過程進行優化[1]。

復雜曲面零件被廣泛應用于航空、航天以及船舶領域。由于其具有薄壁、材料去除量大、曲率不連續等特點，因此必須采用五軸聯動數控計算進行加工。但是，由于五軸數控機床中存在旋轉軸，使得機床各軸在進行插補運算時無法避免非線性誤差，為保證工件加工精度，編程難度很大[2]。而且由于曲面曲率不連續因素的存在，在機床高速加工過程中會出現刀軸矢量突變的情況，從而造成刀具損壞或工件報廢。因此，將計算機虛擬制造技術應用于復雜曲面工件加工實際對于提高加工精度大有裨益。我國重慶大學鄭太雄[3]等研究了虛擬制造中產品建模技術；哈爾濱工業大學馬玉林[4]、姚英學[5]等對數控切削仿真技術及虛擬加工檢測單元進行了研制。

“S”形檢測試件是由中行工業成飛提出的一種機床加工精度檢測試件[6]，如圖1所示，在試件形面中融入了復雜曲面所共有的薄壁特征，曲率不連續特征、扭曲角特征以及開閉角轉換特征。因此，筆者以“S”試件為例對基于虛擬制造技術的復雜曲面工件的加工仿真進行分析與研究。

1　虛擬制造技術及流程

虛擬制造技術是基于計算機平臺運用虛擬加工仿真軟件對目標工件進行虛擬加工的一種先進制造技術[7]。例如：VNC系統、NSee2000軟件以及VERICUT均為目前使用范圍較廣的加工仿真軟件。虛擬加工流程如圖2所示。首先，在CAD軟件中建立刀具模型、夾具模型、工件模型、機床部件幾何模型以及機床運動模型，并將機床運動模型及其幾何模型導入虛擬軟件中；其次，應用CAM軟件，例如UG等，生成工件模型的數控加工代碼，結合已建立的機床模型，求取與機床結構相適應的機床后置指令。將后置指令導入虛擬加工軟件中，設置系統參數，例如原點坐標系、刀具補償半徑等；加載數控程序，指定各加工程序所采用的刀具號；最后，仿真結果分析，將虛擬加工后的模型與設計模型進行比對，查看仿真誤差，并依據兩種模型的比對結論，對加工工序、加工程序、加工參數進行優化。

2　“S”試件為例的加工仿真分析

2.1“S”試件工藝規劃

“S”試件的尺寸如圖3所示，由于“S”試件的曲面的幾何特征為直紋面，且存在開閉角轉換特征，因此，三軸機床無法加工，必須采用五軸機床進行加工[8]。考慮到試件底座為矩形結構，故選擇矩形毛坯對其進行加工，加工工序流程卡如表1所示。首先以矩形毛坯的兩相鄰邊為基準，確定毛坯的坐標系原點，即圖3中距兩條邊分別為100mm和120mm的點；之后以毛坯原點為基礎加工4個φ20mm的沉孔作為試件的裝夾孔；最后用四顆螺釘通過4個φ20mm的沉孔將毛坯裝夾在機床上進行“S”緣條粗加工、精加工及中心孔的加工(測量基準)。

表1　“S”試件加工工序卡

2.2“S”試件數控指令編制

2.2.1“S”試件前置指令編制

“S”試件的數控前置指令(刀具軌跡)以加工工序卡為指導基于UGCAM環境編制。工序1采用型腔銑的加工方法，銑削模式為跟隨周邊銑；工序2、工序3及工序7在鉆削加工環境中完成，針對工序2、3然后鉆通孔，最后锪沉頭孔，完成加工。工序4和工序5是“S”試件加工的重點工序，考慮到該試件由直紋面構成，直紋面母線上各點的法矢量方向各異，在機床加工過程中，只能在某一點處保證刀具曲面與“S”試件形面具有相同的法矢，這將導致在計算刀位數據時產生誤差。因此，工序4和工序5采取分層側銑的加工方法，將刀具軌跡誤差減小。其中工序4沿刀軸方向分為4層，工序5沿刀軸方向分為5層，銑削模式為可變輪廓銑。各工序的加工方法確定之后，按照表1所示，為每道工序定義刀具參數，并完成各工序切削參數及進給速度的設置，即可在UGCAM中生成加工“S”試件的刀具軌跡。加工刀具軌跡如圖4所示，刀具軌跡由刀心點坐標(x,y,z)和刀軸矢量(i,j,k)構成。

2.2.2“S”試件后置指令編制

“S”試件的幾何曲面特征必須采取五軸機床進行加工。五軸機床的運動軸由3根平動軸和2個轉動軸組成，三根平動軸分別為X軸、Y軸、Z軸，繞X軸轉動的為A軸，繞Y軸轉動的為B軸，繞Z軸轉動的為C軸，任意選兩根轉動軸與三根平動軸組合即構成了五軸機床。不同的組合可以得到不同的機床拓撲結構，每種機床拓撲結構只能識別與之相適應的后置指令(NC代碼)。后置指令由刀具軌跡反解出的五軸運動參數構成。本文主要對AB擺類型機床的后置指令進行推導，其他類型機床的后置指令可以通過文中所闡述的方法得到。

在加工過程中AB擺機床涉及到三類坐標之間的變換，如圖5所示，圖中OW-XWYWZW為工件坐標系，Ot-XtYtZt為刀具坐標系，Om-XmYmZm為機床定軸坐標系。在Ot-XtYtZt坐標系中刀心點的位置為[0 0 0]T，刀軸矢量為[0 0 1]T，假設Rh(hx,hy,hz)為工件坐標系中的刀心點位置，U(ux,uy,uz)為工件坐標系中的刀軸方向，則工件的切削成型函數如式(1)、(2)所示。

[uxuyuz0]T=T(rs+rm)·RY(φB)·

RX(φA)·T(-rm)[0 0 1 0]T

(1)

[hxhyhz1]T=T(rs+rm)·RY(φB)·

RX(φA)·T(-rm)[0 0 0 1]T

(2)

式中：

其中：sx、sy、sz分別為X軸、Y軸、Z軸的初始位置；φA和φB分別為A軸、B軸的初始位置；L為刀心點至A軸、B軸交點距離(即刀具擺長)。

將T和R代入式(1)、(2)可得BA擺頭機床的運動學模型：

(3)

(4)

求解式(3)、(4)即可得到機床各運動軸的位移量：

φA=arcsin(-uy)-π/2≤φA≤π/2

(5)

φB=arctan(ux/uz)-π/2≤φB≤π/2

(6)

sx=hx+L·cosφAsinφB

(7)

sy=hy-L·sinφA

(8)

sz=hz+L·cosφAcosφB-L

(9)

2.2.3“S”試件加工仿真

“S”試件數控程序生成之后，需要驗證其正確性，以及模擬該試件的加工過程，發現加工過程中的薄弱環節，并對加工誤差進行分析。“S”試件的所有加工仿真過程均在VERICUT機床仿真環境中完成。首先在VERICUT中建立起BA擺頭機床的虛擬加工環境[9]，如圖6所示。然后給虛擬機床添加刀具庫及定義加工過程中的三類坐標系；最后加載所生成的后置指令，即可對“S”試件進行加工仿真。仿真過程如圖7所示。

仿真加工過程中可以觀察走刀過程是否出現碰刀、干涉等情況來判斷后置指令的正確性。仿真結束后可以測量試件的加工誤差來判斷后置指令的精確性。

3　切削實驗

切削實驗所在型號為V5-1030-ABJ的國產五軸AB擺頭機床上進行，機床結構如圖8所示。該機床配備AB擺頭，能夠實現一次裝夾完成復雜曲面的加工，在提高加工精度的同時，也提高了機床的加工效率。

按表1所示“S”試件的加工工藝流程，將刀具安裝入庫，并將試件毛坯安裝到機床工作臺上，將上節所仿真的數控程序導入到機床數控系統中，便可實現“S”試件的加工。試件加工過程如圖9所示，加工成型試件如圖10所示。

曲面法向誤差是衡量曲面類工件加工精度的主要指標，其定義是指工件加工成型的輪廓與工件的設計輪廓在加工面法向上的距離[10]。利用三坐標測量機對“S”試件的法向誤差進行測量，依次取“S”緣條10mm、22.5mm、30mm高度上的25個點共75個點進行測量，測量點如圖11所示，測量過程如圖12所示。

圖13為仿真結果與實測結果對比圖，從圖中可以看出仿真結果與試驗結果在量值上有一定的差異，但是兩者的演變趨勢卻是一致的。因此，本文所述的仿真流程能夠對加工進行指導，發現工件加工的薄弱環節與難點，對工件的加工程序進行優化。

4　結語

基于“S”試件這一典型復雜曲面，詳細說明了曲面類工件的虛擬加工技術。文章從“S”試件的加工工藝流程，數控加工后置指令算法，VERICUT數控加工仿真環境等方面詳細論述了“S”試件曲面的虛擬仿真技術，并通過數控銑削實驗驗證了該技術的正確性和精確性。虛擬仿真技術的成功運用能夠極大地降低工件的報廢率。為保障機床的加工精度，提高機床的加工效率提供了技術支撐。

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[3]鄭太雄,何玉林,劉成俊. 虛擬制造中的產品建模技術[J]. 重慶大學學報：自然科學版，2002,25(9).

[4]馬玉林,孫宏偉.基于質量保證的數控切削仿真技術研究與展望[J].制造業自動化，2000(4):16-19.

[5]姚英學,李榮彬.面向加工質量預測的虛擬加工檢測單元的研制[J].中國機械工程，2009，20(5):520-524.

[6]宋智勇,崔雅文.綜合檢測數控銑床精度的“S”形檢測試件及其檢測方法.中國,CN101000285A[P].2007-1-16.

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Complexsurfacepartsprocessingqualityanalysisbasedonvirtualmanufacturingtechnology

CUILanglang，MENGYun

(GuizhouAerospaceLinquanMotorCo.,Ltd.,Guiyang550008,CHN)

Withthedevelopmentofaerospace,aviationandothertechnology,theapplicationofcomplexsurfacepartswidespread.Theprocessingforceofcomplexsurfacepartsiscomplex,andthereforesuchpartsareproventohardtoprocess.Inthispaper,virtualmanufacturingtechnologywillbeappliedtosurfacepartsmachining,andthe“S”specimenofthevirtualmodelisestablished.Through5-axismillingmachineexperimentstoverifythepracticalityandthecorrectnessofthevirtualprocessmodel.Itdescribesvirtualprocessingtechnologytoprovideastrongtechnicalsupportforimprovingthesurfacemachiningaccuracyandprocessingefficiency.

virtualmanufacturing;complexsurfaces; "S"specimen;five-axismachine

TH161+.5

A

崔浪浪，男，1987年生，助理工程師，碩士，主要從事航天用高效率風機葉輪葉片，高功率密度、低噪聲電機技術研究。

(編輯譚弘穎)(2015-10-08)

160209

*國家科技重大專項:國產高檔數控機床與數控系統在飛機筋肋梁等加工單元中的應用(2013ZX0401-021)