基于UG的整体叶轮加工编程和Vericut的五轴加工仿真.docx
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基于UG的整体叶轮加工编程和Vericut的五轴加工仿真
整体叶轮UG数控编程和Vericut加工仿真
1前言
2UG五轴后处理创建
2.1A-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
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
与工件坐标系原点
重合，记交点
的位置向量记为
。
在刀具坐标系中，刀具的位置和刀轴向量分别为
和
。
记机床平动轴相对于初始状态的位置为
，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
和
。
图1A-C双转台坐标系
通过机床坐标系变换，可得：
（1.1）
（2.2）
（2.3）
（2.4）
（2.5）
（2.6）
将式（2.3）到（2.6）分别代人式（2.1）、（2.2）得：
（2.7）
（2.8）
由（2.7）和（2.8）得：
（2.9）
（2.10）
（2.11）
（2.12）
（2.13）
2.2UGPost/Builder创建五轴后处理
使用UGNX模块生成刀轨后，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，NXCAM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NXPostBuilder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。
图2UG后处理流程
创建五轴后处理的流程如下：
（1）新建后处理文件
运行UGNX/PostBuilder，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-AxiswithDualRotaryTables，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-AxisMill”下选择“FourthAxis”选项，设置“MachineZeroTo4thAxisCenter”，“AxisLimits”设为0~90°，如图4所示。
点击“Configure”按键弹出“RotaryAxisConfigure”对话框，第4轴选择YZ平面，“WordLeader”设为“A”；第5轴选择XY平面，“WordLeader”设为“C”，点击“OK”保存设置（图5）。
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-AxisMill”下选择“FifthAxis”选项，设置“4thAxisCenterTo5thAxisCenter”，“AxisLimits”设为-99999.999~99999.999°，如图6所示。
图6第5轴参数设置对话框
（4）RapidMove（快速运动）格式设置
点开Program&ToolPath选项卡，在左侧树形结构窗口中选择ToolPath下的Motion，如图7所示。
图7打开Motion项目框
点击右侧窗口的RapidMove节点，弹出Event:
RapidMove对话框，如图8所示。
图8打开RapidMove设置框
在RapidMove对话框中，将WorkPlaneChange选框改成未选中，修改后的结果如图9所示。
图9修改RapidMove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/-20.2262,57.7796,-59.3407
PAINT/COLOR,211
RAPID
GOTO/-10.4622,94.6649,-6.7182,0.0000000,0.0000000,1.0000000
PAINT/COLOR,186
GOHOME/0.0000,0.0000,10.0000
PAINT/SPEED,10
PAINT/TOOL,NOMORE
END-OF-PATH
修改RapidMove前的G代码：
N6150G00Z-61.651
N6160X34.01Y56.126
N6170Z-61.407
N6180X34.25Y56.028
N6190Z-61.064
N6200X34.339Y55.992
N6210Z-6.718A0.0
N6220Y-88.836
N6230Z10.
N6240X0.0Y0.0
N6250M05M02
修改RapidMove后的G代码：
N6150X34.01Y56.126Z-61.651
N6160X34.25Y56.028Z-61.407
N6170X34.339Y55.992Z-61.064
N6180G00Y-88.836Z-6.718A0.0
N6190X0.0Y0.0Z10.
N6200M05M02
3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，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：
开槽
去尖角
粗铣叶片
粗铣流道
粗铣圆台
半精铣叶片
精铣叶片
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
切削用量的选择如表所示。
工序
参数
粗铣
半精铣
精铣
主轴转速（r/min）
1700
2100
2100
铣削深度（mm）
2
0.2
0.1
最终余量（mm）
0.3
0.1
0
进给速度（mm/min）
300
600
600
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（VariableContour），刀轴控制方式采用相对于驱动（NormaltoDrive）。
程序的参数设置如下：
a）驱动方法采用曲面区域（SurfaceArea）；
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%（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
min。
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（SurfaceArea）；
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（SurfaceArea）；
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：
Base>X>Y>A>C>Ataack>Fixture>Stock>Design。
按顺序添加组件及其模型，并装配定位。
b）定义部件：
Base>Z>Spindle>Tool。
按顺序添加组件及其模型，并装配。
图15机床结构树
图16五轴机床模型
（2）机床参数设置
设置机床的初始位置、机床零点、换刀位置等参数。
配置机床控制系统，选择“generic.tcl”为机床五轴机床的控制文件。
（3）建立机床刀具库
打开刀具管理器，添加刀柄holder1、1号刀具和2号刀具。
1号刀具由刀柄、
6球头铣刀和对刀点1组成，2号刀具由刀柄、
4球头铣刀和对刀点2组成。
刀具库如图17所示。
图17机床刀具库
5.2整体叶轮加工仿真校验
按照加工工艺流程添加数控NC程序，设置仿真速度和干涉检查项，运行加工过程仿真，仿真结果如图18所示。
仿真加工过程中，可以检查刀具与工件、刀具与机床等部件是否碰撞。
图18仿真加工结果
5.3加工代码优化
选择加工程序“banjingxiliudao_A1.txt”，到刀具管理器中设置刀具的优化参数，打开优化控制选项，设置优化输出文件为“banjingxiliudao_A1_youhua.txt”，启动优化仿真。
6结论
7参考文献
[1]胜群．VERICUT7.0中文版数控加工仿真技术．：
清华大学，2010
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