基于UG的整体叶轮加工编程和Vericut的五轴加工仿真_图文

1、整体叶轮UG 数控编程和Vericut 加工仿真1 前言2 UG 五轴后处理创建2.1 A-C 双转台五轴联动数控机床运动学变换针对实验室自主开发的AC 双转台五轴数控机床进行运动学分析，建立坐标系以描述机床的运动，如图1 所示。其中A 轴和C 轴为两个回转轴，C 轴随A 轴运动；Csys_W 为与工件固联的工件坐标系（且与C 轴固联）；Csys_T 为与刀具固联的刀具坐标系，其原点设在刀位点上，其坐标轴方向与机床坐标系一致；Csys_A为与定轴A 固联的坐标系，其原点O m 为两回转轴的交点，其坐标轴方向与机床坐标系一致。则其运动关系即是刀具坐标系Csys_T相对于工件坐标系Csys_W 的

2、变换关系，它可进一步分解为Csys_T相对于Csys_A的平动和Csys_A 相对于Csys_W的转动。初始状态下，转动轴C 的轴线平行于刀具坐标系的Z 轴；此时，工作台与Z 轴垂直，工件坐标系的方向与机床坐标系一致，刀具坐标系原点O t 与工件坐标系原点O w 重合，记交点O m 的位置向量记为r m (m x , m y , m z 。在刀具坐标系中，刀具的位置和刀轴向量分别为T000T 和001。记机床平动轴相对于初始状态的位置为r s (X , Y , Z ，回转轴A 和轴C 相对于初始状态的角度为A 和C ，此时，工件坐标系中刀轴方向和刀位向量分别为u (i ,j , k 和r p

3、(x , y , z 。1Y X mm图1 A-C 双转台坐标系通过机床坐标系变换，可得：ij k 0T =T (r m R z (C R x (A T (r s -r m 0010T x y z 1T =T (r m R z (C R x (A T (r s -r m 0001T 100m x T (r 010m y m =001m z 001100X -m x T (r 010Y -m y s -r m =001Z -m z 0011.1）2.2）2.3） 2.4） 2 （ （cos C -sin C sin C cos CR z (C =000001000 （2.5） 0100 （2.6

4、） 010010cos A -sin AR x (A =0sin A cos A 000将式（2.3）到（2.6）分别代人式（2.1）、（2.2）得：i sin A sin C j -sin A cos C = k cos A 00（2.7）x m x +(X -m x cos C -(Y -m y cos A sin C +(Z -m z sin A sin C y m -(X -m sin C +(Y -m cos A cos C -(Z -m sin A cos C x y z =x （2.8）z m z +(Y -m y sin A +(Z -m z cos A 11由（2.7）和（2

5、.8）得：A =k A arccos(k , k A =1, -1 （2.9）C =arctan(i /j -k C , k C =0, 1 （2.10） X =(x -m x cos C +(y -m y sin C +m x （2.11）Y =-(x -m x cos A sin C +(y -m y cos A cos C +(z -m z sin A +m y （2.12） Z =(x -m x sin A sin C -(y -m y sin A cos C +(z -m z cos A +m z （2.13）2.2 UG Post/Builder创建五轴后处理使用UG NX模块生成

6、刀轨后，其中会包含GOTO 点和其它机床控制的指令信息。由于不同的数控机床控制系统对NC 程序格式有着不同的要求（数控机床的控制器不同，所使用的NC 程序格式也就不一样），数控机床的结构形式也有所差异，故刀轨源文件不能直接被数控机床使用。因此，NX CAM中的刀轨必须经过处理转换成特定机床控制器能够接受的NC 代码格式，这一处理过程称为“后处理”17。首先分析实验室的五轴联动数控机床结构和数控系统，测量机床的主要结构参数（如行程、精度等），从而用NX Post Builder创建符合机床控制系统的NC 处理程序。后处理流程如图8所示。3 图2 UG 后处理流程创建五轴后处理的流程如下： (1

7、新建后处理文件运行UG NX/Post Builder，新建五轴后处理程序，命名为HPDM_5axis.pui，机床类型选择Mill ，结构型式选择5-Axis with Dual Rotary Tables，点击“OK ”进入后处理设置接口，如图3所示。图3 新建五轴后处理程序(2 第4轴参数设置在“5-Axis Mill”下选择“Fourth Axis”选项，设置“Machine Zero To 4th Axis Center”，“Axis Limits”设为090°，如图4所示。点击“Configure ”按键弹出“Rotary Axis Configure”对话框，第4轴选择

8、YZ 平面，“Word Leader”设为“A ”；第5轴选择XY 平面，“Word Leader”设为“C ”，点击“OK ”保存设置（图5）。4 图4 第4轴参数设置对话框 图5 回转轴结构设置对话框（3）第5轴参数设置在“5-Axis Mill”下选择“Fifth Axis”选项，设置“4th Axis Center To 5th Axis Center”，“Axis Limits”设为-99999.99999999.999°，如图6所示。 5图6 第5轴参数设置对话框（4）Rapid Move（快速运动）格式设置点开Program & Tool Path 选项卡，在左

9、侧树形结构窗口中选择Tool Path 下的Motion ，如图7所示。 图7 打开Motion 项目框点击右侧窗口的Rapid Move节点，弹出Event:Rapid Move对话框，如图8所示。 图8 打开Rapid Move设置框在Rapid Move对话框中，将Work Plane Change选框改成未选中，修改后的结果如图9所示。 图9 修改Rapid Move格式修改前后的输出的部分G 代码如下所示。 刀轨CLF 文件：GOTO/-20.0243,57.2574,-59.7373 GOTO/-20.1996,57.5340,-59.5972 GOTO/-20.2262,57.7

10、796,-59.3407 PAINT/COLOR,211 RAPIDGOTO/-10.4622,94.6649,-6.7182,0.0000000,0.0000000,1.0000000PAINT/COLOR,186GOHOME/0.0000,0.0000,10.0000 PAINT/SPEED,10 PAINT/TOOL,NOMORE END-OF-PATH修改Rapid Move前的G 代码： N6150 G00 Z-61.651 N6160 X34.01 Y56.126 N6170 Z-61.407 N6180 X34.25 Y56.028 N6190 Z-61.064 N6200 X3

11、4.339 Y55.992 N6210 Z-6.718 A0.0 N6220 Y-88.836 N6230 Z10. N6240 X0.0 Y0.0 N6250 M05 M02修改Rapid Move后的G 代码： N6150 X34.01 Y56.126 Z-61.651 N6160 X34.25 Y56.028 Z-61.407 N6170 X34.339 Y55.992 Z-61.064 N6180 G00 Y-88.836 Z-6.718 A0.0 N6190 X0.0 Y0.0 Z10. N6200 M05 M023 整体叶轮加工总体方案3.1 叶轮毛坯设计为了减小五轴铣削的加工量，

12、在数控车床上将毛坯车削加工出叶轮回转体的基本形状。整体叶轮的毛坯形状如图10所示。图10 整体叶轮毛坯3.2 叶轮加工工艺路线拟定工艺路线的出发点是使零件的几何形状、尺寸精度以及位置精度等技术要求能得到保证。工艺路线的拟定一般需要做两个方面的工作：一是根据生产纲领确定加工工序和工艺内容，依据工序的集中和分散程度来划分工艺：二是选择工艺基准，即主要选择定位基准和检验基准。在生产纲领已确定为批量生产的条件下，尽量采用工序集中的原则，通过减少工件安装的次数来提高生产率。除此之外，还应尽量考虑经济精度以便使生产成本尽量下降。根据以上原则，拟定的工艺路线如下：10 开槽 20 去尖角 30 粗铣叶片 4

13、0 粗铣流道 50 粗铣圆台 60 半精铣叶片 70 精铣叶片8090 100 110 120 130半精铣流道 半精铣圆台 精铣流道 精铣圆台 清根钳工去毛刺3.3 主要切削用量的选择 4 整体叶轮加工路径编程4.1 开槽采用带锥倒角的平头铣刀（ 6mm ）。采用可变轴曲面轮廓铣（Variable Contour），刀轴控制方式采用相对于驱动（Normal to Drive）。程序的参数设置如下：a 驱动方法采用曲面区域（Surface Area）； b 驱动几何选用流道曲面，如图11所示；c 刀轴控制方式采用相对于驱动，前置角为0°，侧倾角为15°；d 切削区域中曲面%

14、（Surface%）的初始步长和终止步长分别设为15、90，最初的终点和最后的终点都设为95； e 步数设为20，公差设为0.1；f 设置Stock 余量30mm ，每层切深2mm ，最终余量0.3mm ；g 非切削运动分离选择间隙，安全平面为工件上表面向上偏移10mm ，退刀方式为手工圆弧相切离开，进刀方式为圆弧相切逼近。 图11 开槽刀轨4.2 粗精铣叶片采用带锥倒角的平头铣刀（6mm ），曲面驱动方式，刀轴控制方式采用侧刃驱动，侧倾角设为30°。工艺参数如下：进给速度f=300mm/min，主轴转速n=1700r/min，切削深度t=2mm，余量为0.5mm 。所需加工时间T

15、3=90min 。曲面驱动方式，刀轴控制方式采用相对于，前置角设为0°，侧倾角设为-60°。采用硬质合金球头铣刀（6mm ），工艺参数如下：进给速度f=600mm/min，主轴转速n=2100r/min，半精铣余量为0.1mm ，精铣余量为0mm 。a 驱动方法采用曲面区域（Surface Area）；b 驱动几何依次选取压力面、圆角面和吸力面； c 刀轴控制方式采用侧刃驱动，侧倾角为30°；d 切削区域中曲面%（Surface%）的初始步长和终止步长分别设为-1、101； e 半精铣步数设为150、公差为0.05，精铣步数为300、公差为0.05； f 半精铣最

16、终余量0.1mm ，精铣余量为0.0mm 。 图12 半精铣叶片刀轨4.3 粗精铣流道采用硬质合金球头铣刀（ 6mm ），进给速度f=600mm/min，主轴转速n=2100r/min，半精铣余量为0.1mm ，精铣余量为0mm 。a 驱动方法采用曲面区域（Surface Area）；b 驱动几何依次选取流道曲面；c 刀轴控制方式采用相对于驱动，前置角为2°，侧倾角为15°；d 切削区域中曲面%（Surface%）的初始步长为5；e 半精铣步数设为150、公差为0.05，精铣步数为300、公差为0.05；f 半精铣最终余量0.1mm ，精铣余量为0.0mm 。 图13 半精

17、铣流道刀轨4.4 圆台加工粗铣圆台采用硬质合金球头铣刀（ 6mm ），固定轴曲面轮廓铣。进给速度f=300mm/min，主轴转速n=1700r/min，余量0.1mm 。叶轮加工结果如图14所示。 图14 叶轮加工结果5 基于Vericut 的五轴加工仿真数控机床加工仿真主要解决以下问题1：(1 验证数控程序的正确性，减少零件首件调试风险，增加程序的可信度；(2 模拟数控机床的实际运动，检查潜在的碰撞错误，降低机床碰撞的风险；(3 优化程序，提高加工效率，延长刀具寿命。VERICUT 是一款专为制造业设计的CNC 数控机床加工仿真软件和优化软件。VERICUT 取代了传统的切削实验部件方式，通

18、过模拟整个机床加工过程和校验加工程序的准确性，来帮助用户清楚编程错误和改进切削效率。VERICUT 软件由NC 程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成。能进行NC 程序优化、缩短加工时间，可检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误。具有真实的三维实体显示效果，切削模型可测量尺寸，并能保存模型供检验、后续工序切削加工。VERICUT 软件已广泛应用于航空、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC 系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC 程序。5.1 构建五轴联动数控铣床仿真平台（1） 定义机床部件结构树a 定义部件：Ba