基于PowerMILL五軸機床運動仿真的探索與應用

白銀礦冶職業技術學院 甘肅白銀 730900

1 序言

五軸數控加工可減少工件的裝夾次數，改善加工質量，提高加工效率。航空加工零件結構多樣、復雜，五軸數控加工可滿足加工要求，但也給數控編程人員帶來了新的挑戰。數控程序編完后，未仿真的數控程序安全性和正確性很低，直接傳輸到機床進行加工，會導致首件試切時間延長，加工效率降低。為了更有效地利用五軸機床，需要模擬機床加工過程，避免干涉。五軸數控加工仿真分為代碼前仿真和代碼后仿真。前者驗證刀具和夾具等附件是否存在干涉，進、退刀是否合理；后者主要是驗證程序的正確性，同時也檢測刀具與機床夾具是否存在干涉等問題。

2 搭建五軸機床模型

五軸數控機床有3個線性軸和2個旋轉軸，常見的五軸機床結構有雙擺臺結構、雙擺頭結構、單擺頭+單轉臺結構、非正交結構、附加旋轉工作臺以及車銑復合加工中心。本文以雙擺臺結構的五軸機床為例，搭建五軸機床模型。雙擺臺五軸機床坐標軸如圖1所示，有3個線性軸X、Y、Z和2個旋轉軸A、C。建立機床模型時，根據機床實際結構，先構建機床組件樹（見圖2）。組件樹需要從毛坯和刀具兩方面依次找到各自對應的運動關系，雙擺臺五軸機床，刀具安裝在Z軸，毛坯安裝在C軸工作臺面。

圖1 五軸機床坐標軸

圖2 五軸機床組件樹

對于雙擺臺五軸機床，從圖2可以看出，刀具依附在Z軸，Z軸依附在X軸，X軸依附在Y軸，由此得出：Y軸移動就會帶動X軸和Z軸移動，Z軸的移動僅僅帶動刀具上下移動。毛坯依附在C軸工作臺，C軸依附在A軸，旋轉A軸就會帶動C軸和毛坯旋轉，C軸的旋轉僅僅帶動毛坯旋轉。

創建機床三維模型，用NX軟件創建機床各組件三維模型。為了便于配置五軸機床，在坐標系原點創建工作臺組件，再以工作臺為基準創建其余組件，裝配后如圖3所示。將機床各組件輸出并轉換為.dmt文件格式。注意：機床各組件要和機床運動控制.mtd文件放在同一個文件夾中，否則調出機床模型會出錯報警。

圖3 NX創建的五軸機床模型

3 配置五軸機床

創建機床運動控制.mtd文件，1個完整的機床配置文件中有3部分，機床靜止部件、床身table運動部件和主軸head運動部件。機床靜止部件可以沒有，如機床底座、機床外殼、顯示器等。

根據組件樹創建運動控制文件，A、C軸控制文件設定如圖4所示。其中，A軸控制文件部分內容如下。

圖4 A、C 軸控制文件

設定線性軸控制文件如下。

4 仿真驗證

開啟PowerMILL軟件加載機床運動控制文件，調入已搭建的五軸機床模型，如圖5所示，在手動模式下移動機床各坐標軸，檢查坐標軸移動范圍和運動方向，經測試符合實際機床運動要求。之后用搭建的五軸數控機床模型完成葉輪仿真加工，檢查刀具和機床夾具等附件是否存在干涉。設定機床碰撞檢測功能，如果仿真加工中有干涉和碰撞，暫停加工并顯示報警信息，根據報警信息修改加工策略，優化加工工藝。若工作臺和主軸發生碰撞，仿真暫停在碰撞處，如圖6所示。

圖5 五軸機床模型

要解決碰撞有三種方法，一是增加工件的裝夾高度，二是增加刀具裝夾長度，三是修改加工策略，限制A軸的擺角范圍。優先選擇限制擺角避免干涉碰撞。當A軸的擺角＞90°時，工作臺和主軸最容易發生碰撞，一般選擇增加工件的裝夾高度解決干涉問題。工件應安裝在工作臺的回轉中心，避免A、C軸聯動再次發生干涉。

圖6 工作臺與主軸發生碰撞

工件裝夾高度合理，才能保證工作臺和主軸之間保持一定的安全間隙。裝夾高度過低，工作臺和主軸會發生干涉；裝夾過高，加工剛性不足，易發生振動影響加工質量。裝夾示意如圖7所示，L為工作臺半徑，L1為最小安全間隙，L2為主軸單邊距離，D為刀具半徑，U為工件裝夾偏差，&Max為A軸的最大擺角，H理論為夾具最小理論安全高度，H實際為夾具實際最小安全高度。

圖7 裝夾示意

由此可推導出工件裝夾高度理論計算公式如下。

實際裝夾中，夾具中心和工作臺回轉中心有偏差，為了加工安全，需要計算出實際安全高度H實際。

根據已知條件計算出工件的實際裝夾高度為121.5mm，工作臺和主軸不會發生干涉。仿真驗證如圖8所示，將工件裝夾高度調整后，完全滿足加工要求。

圖8 仿真驗證

5 結束語

針對PowerMILL五軸機床運動仿真，通過搭建五軸數控機床、創建運動控制文件，完成了五軸機床仿真文件，并進行了仿真驗證，證明通過此方法可以檢驗五軸數控仿真刀具和夾具等附件是否存在干涉，進、退刀是否合理等技術問題，在五軸實際應用中有一定意義。