應用宏程序和VERICUT實現非圓曲線數控仿真加工技術研究

張 玲

(閩北職業技術學院 食品系,福建 南平 353000)

隨著航空工業、汽車工業和輕工業消費品產量的高速增長,零件的形狀越來越復雜,精度要求越來越高,傳統的加工設備和制造方法已經難以適應復雜形狀零件多樣化、靈活、高效的高質量加工要求。因此,近幾十年來,數控加工這一能夠滿足現代制造工藝需要的技術得到了快速發展和廣泛應用,同時數控加工技術水平和普及程度已成為衡量一個國家綜合國力和現代化水平的重要標志。

VERICUT是美國CGTech公司開發的,用于制造業的數控加工模擬軟件,目前是全球功能最強大的數控加工仿真軟件。通過模擬加工過程,檢查加工程序的準確性,幫助用戶直觀地評估工藝方案的合理性,準確找出程序中的錯誤,合理優化工藝,避免報廢工件,以及防止損壞刀具與機床發生碰撞,提高切削質量和效率。[1]宏程序是一種功能強大的工具,用于擴展和定制VERICUT的功能,以滿足特定的加工需求。它是基于一種名為VERICUT中性刀具路徑(VCP)語言的編程語言。VCP語言類似于標準的G代碼,但提供了更豐富的功能和靈活性。[2]

本文以非圓曲線正弦曲線槽三軸加工為例,采用宏程序編程,利用VERICUT軟件,在虛擬環境下完成數控仿真加工驗證程序,為類似非圓曲線及曲面數控加工的宏程序編程提供借鑒,從而提高整體生產率。

1 非圓曲線正弦曲線槽

眾所周知,渦輪葉片、凸輪軸和醫療植入物等零件的設計中廣泛采用復雜的曲線和曲面造型。在計算機輔助設計(CAD)軟件中,多項式樣條曲線、貝塞爾曲線、B樣條曲線和NURBS等參數化非圓曲線常用于描述這些機械零件,也是自由曲面加工中刀具路徑的理想表示。然而,大多數刀具路徑仍然以線性段(G01)和圓弧段(G02或G03)的形式表示,在計算機輔助制造(CAM)軟件的預定義公差下離散化參數曲線。由于直線和圓弧刀具路徑在關節點處的切線和曲率不連續,頻繁的減速和加速可能導致加工效率和精度下降,因此實現非圓曲線的精確高效加工是一個重大挑戰。

非圓曲線是指那些偏離標準圓形輪廓的復雜而不規則的幾何形狀。這些曲線展現出多種不同的形狀,例如橢圓形、拋物線形、樣條形或者定制設計的輪廓。[3]與圓曲線不同,非圓曲線由于具有不同的半徑、曲率和復雜的輪廓,給加工過程帶來獨特的挑戰。非圓曲線的特點對于選擇適當的加工策略和實現所需形狀的精度起著重要的影響。本次研究以正弦曲線為例子。

零件表面有一個曲線槽(圖1),槽底為正弦曲線,曲線的振幅平行于長方體的短邊。零件的具體參數為：長方體長180 mm,寬和高均為60 mm。曲線槽的槽底為正弦曲線,其公式為y=8×sin(4×x),槽底最深處為18 mm,槽底最淺處為2 mm,槽寬為16 mm,槽底兩倒角為R4。

圖1 長方體表面正弦曲線槽零件

2 宏程序編程

2.1 宏程序編程分析

編程時使用三軸聯動的銑床進行數控加工。將零件側放,銑刀沿長方體毛坯側面進行銑削,正弦曲線投影于xy平面上。長方體的長可設置為水平方向并定義為X軸,長方形的寬可設置為Y軸,也就是正弦曲線的振幅A方向(圖2),槽寬則是Z方向(圖3)。

圖3 正弦曲線槽左視圖

零件槽加工編程時,采用三軸數控銑削模式,利用變量進行宏程序編程。將零件的長邊與機床X方向一致,加工時X軸和Y軸聯動,Z向采用分層銑削的方式進行編程加工。為了方便計算,采用分段式進行編程。第一段,銑削槽底的上端倒角R4;第二段,銑削槽的直線段8 mm;第三段,銑削槽底的下端倒角R4。

dx=4+3 cosα-1+26

dz=-5-4+3 sinα-7

y=8 sin 4x+8+2

其中,dx是刀具中心到槽底的距離;dz是刀具上倒角的圓心到刀具底部;α是刀具上倒角圓心相對于槽底上端倒角圓心的夾角;β是刀具下倒角圓心相對于槽底下端倒角圓心的夾角;y是槽深;x是槽長,為了彌補刀補,x的取值范圍為-5 mm到185 mm。

2.2 宏程序編程

針對零件的曲線槽,選用直徑為8 mm的圓鋸銑刀進行銑削加工,機床為FANUC數控系統,程序采用分段方式來完成編寫,其編程邏輯如圖4所示。

圖4 編程邏輯圖

機床加工時,可根據需求調整宏程序的變量和加工參數。本例使用粗加工一次銑削到位,所以程序編寫部分只有粗加工部分。程序的主要內容如下：

%T10M6G90G54G40G1Z100F1000M03S600G1X0Y-30F1000Z5銑削槽底的上端倒角R4#1=90銑削從90°開始WHILE[#1LE180]D02R4圓弧角度從90°到180°#2=4+3?COS[#1]-1+26刀具中心到槽底的距離#3=-5-4+3?SIN[#1]-7刀具上倒角的圓心到刀具底部(對刀位)的距離G1Z#3F50G10L12P1R#2修改刀補值#5=-5從X方向的-5開始銑削WHILE[#5LE185]D01X方向從-5到185#6=8?SIN[4?#5]+8+2Y方向開始正弦曲線銑削G1G42X#5Y#6D1F500調用D1刀補#5=#5+3END1G1G40X200Y-30取消刀補G1X0Y-30#1=#1+2每次循環結束,刀具位移逆時針增加2°END2銑削槽底的直線段8 mm#3=-5-4-7 WHILE[#3GE-17]D02Z方向的銑削循環#2=26G1Z#3F50G10L12P1R#2修改刀補值#5=-5從X方向的-5開始銑削WHILE[#5LE185]D01X方向從-5到185#6=8?SIN[4?#5]+8+2Y方向開始正弦曲線銑削G1G42X#5Y#6D1F500調用D1刀補#5=#5+3END1G1G40X200Y-30取消刀補G1X0Y-30#3=#3-1每次循環結束刀具下移1END2銑削槽底的下端倒角R4#1=180銑削從90°開始WHILE[#1LE360]D02R4圓弧角度從90°到180°#2=4+3?COS[#1]-1+26刀具中心到槽底的距離(x)

3 VERICUT仿真過程

使用VERICUT實現數控加工過程仿真,首先建立機床幾何模型,然后建立其他制造資源,如刀具、工件和夾具的幾何模型,指定的刀具路徑或數控程序,并配置相應的參數,最終實現加工過程的仿真和優化。[4]

3.1 虛擬機床建模

可以有兩種建模方法,一是使用自帶建模模塊的軟件,可以定義長方體、圓錐體和圓柱體這三種簡單的形狀模型及其組合模型;二是通過CAD軟件建立復雜的幾何模型并輸出成IGES、STL、CATV等格式,[5]再通過軟件提供的圖形轉換輸入到機器仿真系統中。

設置好數控機床的組成和結構后,機床仍然不能運動,還需要給機床配置數字控制系統,使機床能夠讀取數控代碼并具有插補運算功能?？芍苯邮褂肍ANUC、SIEMENS、PHILIPS等多種控制系統自帶的軟件,這里選用fan15m控制系統的三軸銑床模型。

3.2 毛坯、夾具建模

為建立一個與實際情況相似的數控加工仿真系統,在機床結構模型上加入毛坯、夾具模型。夾具的主要用途是建模測試夾具和機器中其他運動部件之間的干涉和碰撞;毛坯用于模擬實際切削過程,它們的建模方法與機床建模方法相同。

3.3 刀具建模

刀具是機床進行加工的一種重要工具,為能夠準確模擬材料去除過程,VERICUT需要對刀具進行描述。VERCIUT可以處理所有標準的APT格式刀具記錄,用于刀具的描述。通過VERCIUT工具管理模塊定義,然后保存在工具庫文件中。當手柄的切割被定義并在模擬中應用時,VERICUT將自動檢測手柄與工件或夾具之間的碰撞。在仿真中所使用的刀具的概要描述,以及每把刀具的加工次數都被寫入日志文件(Logfile)。模擬加工前首先應建立刀具庫文件,以便在模擬加工過程中適當編輯后即可直接調用。[6]每把刀都有唯一的ID號,在數控編程選擇刀具時,刀具號就是它的識別號。建立刀具優化庫,設置不同刀具在不同切削情況下的進給速度和主軸轉速等優化數據。

3.4 設置系統參數

VERICUT通過模擬材料去除過程和分析結果來促進加工參數的優化。它有助于確定最有效的進給率、切削速度、刀具角度或其他參數,以實現所需的表面光潔度、最大限度地減少刀具磨損并提高整體生產率。

3.5 加工模擬和優化

下面針對上述方法部分進行數控粗加工仿真。調用VERICUT軟件的虛擬加工環境,使用VERICUT仿真模塊進行加工仿真,如圖5所示。

圖5 仿真加工結果

仿真的目的是通過觀察各零件的相對運動狀態,檢查數控程序在加工過程中是否能正確、及時地運行,及時發現加工過程中的干涉、碰撞等情況。[7]在數控程序中調用,經過后處理確定刀具表,建立G代碼指定刀具的刀號與主刀庫文件的映射關系,即可模擬加工過程。數控程序優化前必須打開開關,在主菜單中點擊【優化】→【控制】命令,在【優化控制】對話框【優化方式】下拉列表框中選擇“打開”,在【優化文件】輸入輸出優化文件路徑和文件名,在材料欄輸入工件材料,在機床欄輸入所選機床的名稱,點擊【確定】。點擊機床右下角的開始仿真圖標開始仿真加工,即可得到優化后的數控程序。

4 結論

長方體零件表面正弦曲線槽采用數控三軸機床,利用變量進行宏程序編程,并用VERICUT軟件進行仿真加工的方法,通過本次宏程序編程與加工,得到以下結論：

(1)精確的刀具路徑生成：利用宏程序編程,可以準確生成刀具路徑,確保刀具沿著正弦曲線槽

進行精確的加工。通過數控三軸機床的控制系統,可以實現高精度的運動軌跡。

(2)高效的加工過程：采用數控機床進行加工可以提高加工效率。通過宏程序編程,可以優化刀具路徑,減少不必要的移動和停頓,從而節省加工時間并提高生產率。

(3)精度控制和表面質量：數控三軸機床具有高精度的定位和運動控制能力,可以確保正弦曲線槽的加工精度。通過VERICUT軟件的仿真加工,可以發現加工問題,避免零件之間的碰撞、干擾和加工中的問題,即能先驗證其在實際應用中的可行性,從而避免加工誤差,提高零件的表面質量。

(4)可靠性和穩定性：采用數控機床進行加工,可以實現穩定可靠的加工過程。宏程序編程和VERICUT仿真加工可以幫助優化模擬生成過程切削模型,優化原理來源于實際生產并可以不斷調整優化參數,通過模擬得到最合適的一組參數,進而找到最優化、高效的加工,獲得更合理的數控程序方法,避免機床振動和刀具失效等問題,確保加工過程的穩定性和可靠性。