基于UG和VERICUT的五轴加工碰撞分析与刀路优化研究.pdf

制造与工艺 Manufacturing and Process74 今日制造与升级 2023.80 引言随着数控加工技术的进步，普通数控机床已经不能满足复杂零件生产线的精细化技术要求。五轴数控加工技术是目前能够解决复杂结构及曲面造型零件加工的最优方法之一，五轴数控加工机床具有加工精度高、加工表面质量高、切削速度快、工艺范围广、自动化及智能化程度高等诸多优势。但在零件生产制造的过程中，五轴加工相较于三轴加工而言多出了2个旋转轴，因此刀具与加工表面之间的相对位置有了更大的变化空间，在加工过程中易发生干涉碰撞导致损失巨大等问题1。查阅文献发现，目前研究解决五轴数控加工中的碰撞问题有以下几种方法：基于实体模型，利用刀杆实体与零件实体进行布尔运算，检查它们是否在同一时刻占据同一空间，以此为碰撞检查的依据2；基于可视锥等数学理论的碰撞检验研究3；基于动态 OBB 层次树的全局干涉碰撞检测算法，根据分离轴理论，实现每个加工位置的全局干涉碰撞检测4；利用虚拟仿真技术，构建虚拟机床用于零件加工干涉碰撞检查，验证数控加工程序，优化切削参数，提高加工效率5。文中拟采用基于 UG 和 VERICUT 仿真的方法，首先利用 UG 对零件的加工流程进行设计，包括构建零件模型、创建加工环境、选择加工刀具、生成切削轨迹、完成自动编程生成 NC 代码等。然后通过 VERICUT 进行虚拟机床的搭建及程序优化，包括按照实际机床1 1搭建机床模型、建立机床坐标系、建立毛坯及夹具模型、建立刀具模型、设计机床的数控系统、设计刀具补偿等。在VERICUT 中导入 NC 代码开始切削仿真，查看仿真分析报告和优化结果，通过对模型的分析比较，找出加工中的过切、少切、碰撞、干涉等现象的错误或警告，修改 NC 代码后继续仿真，直到没有报警提示。将修订好的程序在五轴数控加工机床上进行实际加工，验证方案的正确性和可靠性。1 零件加工过程仿真1.1 构建零件模型利用 UG 构建的叶轮零件模型如图1所示，该叶轮共有12片叶片，直径（1000.2）mm，高度为（880.2）mm。叶轮作为一种典型的复杂曲面零件，在加工中经常因为相邻叶片之间气流通道过于狭窄出现加工干涉，并且叶轮零件还具有叶片薄、刀轴变化多等特点，在加工中极易出现刀具碰撞现象。故文中以叶轮零件的加工过程为例进行仿真设计，分析碰撞问题并优化刀具路线，并在五轴数控加工中心进行实际加工验证。图1 叶轮零件模型摘要文章以某复杂曲面零件为例，基于 UG 和 VERICUT 搭建机床模型及加工环境，通过仿真分析及加工工艺规划，完成零件的自动编程和仿真加工，分析碰撞问题并优化刀具路线，最后在五轴数控加工中心上进行实际加工验证。关键词五轴加工；刀具碰撞；仿真优化中图分类号TG659 文献标志码A基于UG和VERICUT的五轴加工 碰撞分析与刀路优化研究王丹（大连职业技术学院，辽宁大连116037）制造与工艺 Manufacturing and Process2023.8 今日制造与升级 751.2 加工过程设置及自动编程根据加工要求选择机床、设定坐标系、选择安全距离等。叶轮五轴加工工艺过程及参数要求见表1，加工时可以根据机床实际情况修改或调整主轴转速及进给速度。按照要求选择刀具类型并设定刀具参数，加工采用立铣刀和球头铣刀分别进行叶轮零件的粗加工和精加工。依次创建叶轮由粗加工半精加工精加工的加工环境，包括叶轮整体粗加工、叶片倒扣粗加工、叶片曲面半精加工、流道曲面半精加工、包覆曲面半精加工、叶片曲面精加工、流道曲面精加工、包覆曲面精加工，加工仿真确认无误之后生成 NC 代码。表1 叶轮五轴加工工艺过程及参数要求工序名称加工内容刀具选择主轴转速（r/min）进给速度（r/min）粗加工叶轮整体粗加工立铣刀D20R5130003000叶片倒扣粗加工130003000半精加工叶片曲面半精加工球头铣刀D2TAP7130003000流道曲面半精加工130003000包覆曲面半精加工130003000精加工叶片曲面精加工球头铣刀D2TAP7150003500流道曲面精加工150003500包覆曲面精加工1500035002 VERICUT虚拟机床的搭建及程序优化经过 UG 自动生成的叶轮 NC 加工程序很难人工判别其正确性，可以利用 VERICUT 构建与实际机床一致的虚拟加工环境，将 UG 自动编程的结果导入，检测刀具与毛坯、机床部件及夹具之间的相对位置，提前观察加工中是否出现碰撞或干涉等问题。采用 VERICUT 仿真叶轮零件加工的研究路线如图2所示。是1234否是否需要完善仿真完成程序完善干涉碰撞检测测量数据检测模型对比程序名称刀具名称仿真时间刀具结构参数最大/最小转速最大/最小进给错误/警告数量机床/控制系统形貌检查尺寸检查工序配置VT仿真仿真结果检测仿真报告图2 VERICUT仿真加工流程2.1 加工过程仿真VERICUT 配有丰富的机床库，支持行业中现有的机床类型，也可以自己搭建机床。文中可以直接从VERICUT 库中调用德玛吉 DMU50机床的相关参数，根据机床的实际运动部件之间运动关系添加机床刀具、零件毛坯、机床夹具文件，设置加工参数。可以通过实时转变角度对机床运动状况进行全面观察，及时发现机床与刀具直接的位置关系和运动关系。若在仿真过程中无过切、少切、碰撞、干涉等现象的错误或警告，说明该零件的加工过程安全可靠，仿真效果如图3所示。图3 VERICUT仿真效果2.2 加工程序优化利用 VERICUT 对叶轮加工数控程序进行优化。首先针对切削用量进行进给率与时间改进优化，在切削轨迹未变化的前提下提供更加理想的进给速度，从而提高加工效率。基于 VERICUT 的自动对比功能，根据刀具的受力、主轴功率、最大切厚以及最大允许的进给率等要素而给定的切削条件，计算出最大可靠的进给速度。通过分析刀具的几何外形和参数、毛坯和刀具的材料属性、具体的切削刃几何形状以及 VERICUT 中每一刀的切削接触状况，可以计算出理想的进给速度。打开 VERICUT 中的“优化控制”选择“优化”，然后应用“确定”，开始仿真，仿真完成后出现对比结果，如图4所示。通过优化大大缩短了零件的加工时间，与初始加工程序相比，节省时间约20.94%。优化后的 Force 力分析如图5所示，图中的两条红色虚线显示了最大削厚的极限和刀具受力的极限，优化后可以明显看到，无论是削厚还是总力都在极限值以下并且均匀，这样不仅节省了加工时间，也提高了刀具使用寿命。3 实际加工验证经过仿真加工验证的程序不存在碰撞干涉等问题，为了进一步校对加工工艺、切削参数及加工程序的正确性，采用 DMU50机床对叶轮零件进行了实际加工验证。实际加工零件如图6所示，加工结果表明，经过仿真及优化之后的程序能够获得满足加工要求的叶轮零件，同时优化的切削参数能够有效提高加工效率，节约生产成本。4 结束语文章对叶轮零件的数控仿真加工技术进行了研究，以制造与工艺 Manufacturing and Process76 今日制造与升级 2023.8提前避免出现五轴数控机床在加工中出现干涉碰撞等问题为目的，基于 UG 构建零件模型和完成自动编程，基于VERICUT 建立真实的数控机床仿真加工环境，对刀具与工件毛坯、机床部件及夹具等进行检测。文章介绍了仿真加工过程，通过仿真加工避免了因 NC 代码错误导致碰撞或干涉等问题，验证了数控程序的正确性，减少了试切时间，提高了产品生产效率。虚拟仿真结合实践验证，在实际加工之前通过软件模拟仿真调整加工条件，得到最优方案后再到机床试验，有利于企业降低新产品研发及试制的成本，提高企业经济效益。同时，该研究还可为其他复杂曲面零件的数控仿真加工提供一定的技术经验。参考文献1 刘江然.基于UG和VERICUT的五轴加工中心数控加工与仿真研究J.石家庄职业技术学院学报，2022（4）：24-31.2 颜建清.基于OCC的数控机床防碰撞系统研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.3 段裕刚，刘志兵，王西彬，等.基于可视锥理论的五轴加工刀具碰撞检验方法J.计算机集成制造系统，2014（11）：2814-2819.4 彭芳瑜，苏永春，邹孝明，等.大型螺旋桨五轴加工中基于方向包围盒层次树的全局干涉碰撞检测J.中国机械工程，2007（2）：304-307.5 陆建军，仲秋，胡劲松.基于NCSIMUL的五轴机床虚拟仿真技术研究J.组合机床与自动化加工技术，2022（1）：67-70.课题项目大连职业技术学院（大连开放大学）校级科研课题（课题编号：ZK2023YB04）作者简介王丹（1986），女，辽宁大连人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为数控加工技术与机械加工工艺。图4 优化计算结果图5 优化后的Force力分析图图6 叶轮零件