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数控加工仿真开题报告参考


二、立论依据
1、课题的研究目的和意义 VERICUT 软件[1,3]是美国 CGTech 公司研制开发的,它是程序验证、机床仿真、程序优化软件领域公认 的全球技术领导者。该软件的基本思想就是在进行真实的加工之前,尽可能真实的在虚拟的环境里模拟加工 整个过程和加工的结果,避免在真实的加工中出现零件的过切、欠切,避免发生机床碰撞,保护机床和刀具, 消除安全隐患、替代试切,

并最大程度的优化 NC 程序、延长刀具使用寿命,提高加工效率和加工质量。从 1988 年起,VERICUT 在全球已经成为了数控虚拟加工行业的标准,广泛应用于航空航天、汽车、模具、重 工业、教育培训等行业,满足从两轴到多轴的数控虚拟加工。 1995 年进入中国市场,现在已经发展到了 VERICUT7.2 版本。 所谓多轴加工[4]就是多坐标加工,它与普通的二坐标平面轮廓加工和点位加工、三坐标曲面加工的本 质区别就是增加了旋转运动,或者说多坐标加工时刀轴的姿态角度不再是固定不变,而是根据加工需要随时 产生变化。一般而言,当数控加工增加了旋转运动以后,刀心坐标位置计算或刀尖点的坐标位置计算就会变 得相对复杂。多轴加工可分为: (1)3 个直线轴和 1~2 个旋转轴的联动加工,成为四轴联动或五轴联动加工; (2)1~2 个直线轴和 1~2 个旋转轴的联动加工; (3)3 个直线轴和 3 个旋转轴的联动加工,用作这种加工的机床称为并联虚轴机床; (4)刀轴呈现一定的姿态角不变,3 个直线轴作联动加工,称为多轴定向加工。 多轴加工的特点: (1)工艺顺序与三轴加工不同。三轴编程和加工顺序:CAD/CAM 建立模型→生成刀具轨迹→生成 NC 代码→装夹零件→找正→建立工件坐标系→开始加工;多轴编程和加工顺序:CAD/CAM 建立模型→生成刀 具轨迹→装夹零件→找正→建立工件坐标系→根据机床运动关系,刀具长度,机床结构尺寸,工装夹具尺寸 以及工件的安装位置等设置后置处理参数→生成 NC 代码→开始加工。 ( 2 )缩短新产品研发周期。对于航空航天、汽车等领域的企业,新产品零件及成型模具形状很复 杂,精度要求也很高,因此具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多轴数控加工中心可以很 好地解决新产品研发过程中复杂零件加工精度和周期问题,大大缩短研发周期和提高新产品合格率。 (3)编程相对复杂。不论是四轴编程还是五轴编程,相对于两轴轮廓编程和三轴曲面编程都比较复杂, 复杂之处在于多轴编程需要考虑零件的旋转或者刀轴的变化。 多轴加工数控设备都是由加工程序来控制,加工程序的正确性对于设备来说至关重要。多轴机床由于造 价昂贵, 对加工程序的准确性和安全性要求更高。 在生产实践中, 三轴和三轴以下的加工程序可直接通过 CAM 软件提供的加工仿真功能对刀路进行验证,程序出错机率相对较小。但多轴加工程序为空间坐标点,人工不 能验证,CAM 软件[2,6]提供的仿真仅对刀具的运动轨迹进行仿真,不能对最终控制机床的加工程序进行验 证,即不能对实际的加工过程进行模拟,这样给加工带来极大风险,稍有疏漏,就会给机床和用户造成巨大 的损失。加工圆柱凸轮时需要采用四坐标及其以上的数控机床来进行高速铣削加工(属于多轴加工的研究领 域),刀具轨迹比较复杂,且加工过程中刀具轴矢量变化控制频繁,因此在进行实际产品加工前,进行数控 程序的校对审核是非常必要的。由于多坐标联动高速切削程序量大,许多程序采用手工的方法或者在 CAM 软件里进行模拟是难以有效的检查数控程序和机床的实际输出是否存在问题。采用 VERICUT 软件可以很好 的节省校对时间,进行真实的模拟加工,VERICUT 软件非常真实的模拟机床加工过程中的干涉、过切、进 退刀等状况。 最具有代表性的典型复杂零件,如柱面槽或柱面凸轮类零件[12-22]、单叶片零件[27-29,49] 和整体叶 轮零件[30-34]的加工都需要用到多轴加工。 对于柱面槽或柱面凸轮类零件的加工需要直线轴和至少一个旋转 轴的联动加工。虽然单叶片类零件有时也可以用三轴加工方法加工,但是用多轴加工的效果和质量要优于三 轴加工。而整体叶轮零件的加工通常都是用五轴联动的方式加工出来的,因为仅仅用三轴联动的方式避免不 了加工中产生的干涉问题。 基于上述情况,本课题从理论知识出发,紧密结合实际生产需求,实现学以致用的价值导向。充分利用 数控机床和刀具的性能,提高生产效率和合格率,帮助企业降低生产成本,增强企业的核心竞争力,使之在 激烈的竞争中处于不败之地。 2、国内外研究现状分析 数控加工技术作为现代机械制造技术的基础,使得机械制造过程发生了显著的变化。现代数控加工技术 与传统加工技术相比,无论在加工工艺、加工过程控制,还是加工设备与工艺装备等诸多方面均有显著不同。 我们熟悉的数控机床有 X、Y、Z 三个直线坐标轴,多轴指在一台机床上至少具备第四轴。通常所说的多轴 数控加工是指四轴以上的数控加工,其中具有代表性的是五轴数控加工。多轴数控加工能同时控制四个以上 坐标轴的联动,将数控铣、数控镗、数控钻等功能组合在一起,工件在一次装夹后,可以对加工面进行铣、

镗、钻等多工序加工,有效地避免了由于多次安装造成的定位误差,能缩短生产周期,提高加工精度。随着 模具制造技术的迅速发展,对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求,因此多轴数控加工技术得 到了空前的发展。 国外数控机床多轴加工技术发展现状主要表现在以下几个方面: (1)高速高精与多轴加工成为数控机床的主流,纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。多任务和多轴加 工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业,最新的 CAD/CAM 技术为多轴多任务数控机床的加工 提供了强有力的支持,可以大幅度提高加工效率。 (2)最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量,与传统的激光干涉仪相 比,对机床误差的补偿精度能够提高 3~4 倍,同时效率得到大幅度提升。刀具技术发展迅速,众多刀具的 设计涵盖了整个加工过程,并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。 (3)机床与机器人的集成应用日趋普及,且结构形式多样化,应用范围扩大化,运动速度高速化,多传感 器融合技术实用化,控制功能智能化,多机器人协同普及化。智能化加工与监测功能不断扩充,车间的加工 监测与管理可实时获取机床本身的状态信息,分析相关数据,预测机床的状态,提前进行相关的维护,避免 事故的发生,减少机床的故障率,提高机床的利用率。 五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术,它集计算机控制、高性能伺服驱动和 精密加工技术于一体,应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。与普通三坐标加工相比,五坐标可使 用大直径的端铣刀加工,使用大的走刀行距,极大提高加工效率,而且加工过程中可对刀具姿态进行控制, 始终保持最佳切削状态,从而提高加工效率和质量。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自 动化水平的标志,其中技术比较突出的厂家有美国优诺发工业有限公司辛辛那提 .兰姆机床公司、瑞士 的米克朗公司、 DIXI 公司、斯特拉格公司、瑞典的 SAJO 公司、奥地利的 WFL 公司等。由于五轴联动 数控技术特殊的地位以及技术上的复杂性,特别是对于电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业 和军事工业的重要影响,西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度,对 我国实行禁运。因而,研究五轴数控加工技术 [23-26]对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。 五坐标数控加工是实现大型与异型复杂零件高效高质量加工的重要手段,在加工螺旋桨叶、叶轮叶片方 面具有重要作用和不可替代的优势。在螺旋桨叶、叶轮叶片的五轴数控加工方面,国内外学者做了大量的工 作,取得了丰硕的成果。Geoffrey W Vicker[49]早在 70 年代就研究了用数控机床采用球头刀加工中等尺寸的 螺旋桨,他首次提出用计算机辅助计算螺旋桨的表面,螺旋桨各部分曲面和各截面的图形可在图形终端上显 示出,而且可以交互修改;刘鸪然[27]把微分几何中曲线与曲面之间的“切触”概念应用于流线型复杂曲面 的数控加工, 提出用圆柱铣刀和圆锥盘铣刀的外圆在五坐标联动中加工三维自由曲面的最佳切触条件,并据此 开发出五坐标联动球头刀以及端铣刀加工弯扭叶片型面的数控软件;张喜明,韩庆瑶[28]用 2× 3 次非均匀有 理 B 样条方法,建立了复杂叶片的数学模型,推导了其三维点和法矢量矩阵表达式,采用迭代算法计算了 叶片有允差控制的五坐标数控加工刀路轨迹的数据;赖喜德[29]提出叶片毛坯三维型面测量、计算机辅助自 动余量分布计算、叶片加工定位基准与夹具设计、加工区域划分和加工刀具选择,以及叶片精加工后的型面 检测等技术,还包括叶片计算机仿真加工过程中,有关五轴刀住计算及刀具干涉检查计算、切削图形仿真及 干涉检查、机床仿真及碰撞检查,以及后置处理和加工程序生成等技术。 邵锦文[30]为了解决弹用发动机整体式叶轮的数控加工编程, 开发了一个专用的弹用发动机整体式叶轮 CAD /CAM 的应用软件, 软件包含叶片 CAD 造型、叶片刀心轨迹生成、基面的生成、后置处理、自动干涉 检查及转角自动设置和刀轨图形显示等功能。提出了一种新的整体式叶轮加工自动干涉检查计算方法。输入 叶片设计数据, 可生成叶片造型的曲面数据和数控加工 NC 代码。应用软件完成了某型号产品压气机叶轮的 CAD/CAM 的工作, 试验结果验证了软件的功能和实用性;霍颖,杨茂奎,陈益林[31]对多抽数控加工中无 干涉刀位轨迹算法进行了较全面和详细的论述。总结了刀具干涉的类型、干涉的消除算法和刀位优化算法, 指出了这些算法存在的优缺点。在此基础上 ,还指出了刀具干涉处理和刀位优化两方面研究仍存在的问题; 贾健明,杨继平,薛亮[32]研究了弹用涡轮发动机轴流式叶轮、离心式叶轮流道数控加工的自适应编程方法, 并讨论了和相邻叶片的干涉问题。经过软件仿真,及数控机床加工验证,加工出了合格的叶轮;吴宝海[33] 针对自由曲面五坐标端铣加工、 侧铣加工以及碰撞干涉分析中的关键技术,综述了近年来自由曲面五坐标数控 加工领域刀具轨迹规划技术的研究进展和现状。 结合自由曲面数控加工的工程实用性要求,分析了当前研究中 存在的不足,指出目前的研究成果在通用性、稳定性和有效性方面尚不能完全满足工程应用,认为自由曲面五 坐标数控加工刀具轨迹规划技术的研究应从三维的角度出发,在更为广域的刀具影响空间研究刀具同自由曲 面之间的几何啮合关系,同时需要考虑机床的运动学和动力学特性以实现五坐标机床的高速和高效运行; 夏佳 君, 吴志超[34]通过应用 NX 软件的叶轮加工模块完成整体叶轮加工的自动编程, 并基于 VERICUT 软件实现 了米克朗 UCP710 型五轴加工中心铣削整体叶轮的仿真与优化,提高了加工质量和效率。 邹慧君,何有钧,郭为忠[35]研究了空间凸轮两重包络法加工的刀位计算模型,实现了空间凸轮廓面的
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非等径无理论误差的加工工艺;郑小光,尹佑盛,梁锡昌[36]给出了在四轴数控加工中心上加工圆柱凸轮的 计算方法、图形变换、等距曲线、插补方法、误差分析和编程等; 陈立群,沈允文[37]给出了数控加工空间 凸轮刀具实际进给速度和编程进给速度之间的关系, 在编程中对进给速度进一行修正, 使进给速度保持恒定, 提高廓面加工质量。 凸轮的 CAD/CAM 研究方面国内外都很活跃,如美国、 日本等都有了商品化软件。 空间凸轮机构在我国开 展研究不过几十年的历史,在各种自动机械中广泛应用也是近几年的事情。从 20 世纪 70 年代末开始,天津 大学,上海交通大学,吉林工业大学,山东工业大学,合肥工业大学等院校的很多学者在啮合原理、廓面加 工、 凸轮的动态和静态测试、 优化设计以及 CAD/CAM 等方面作了大量的工作[38-48], 取得了一批研究成果。 国外对空间凸轮的加工工艺一直都采取严格的技术保密措施,很少公开发表深层次的论文,有的只是常规加 工方法的介绍[50-58]。现在机械产品以小批量、多品种为特征,因此传统的靠模仿形的加工工艺,早已不适 合现在的需要,采用数控机床进行凸轮廓面的加工是目前最为理想的选择。现在凸轮机构的设计已经广泛采 用计算机进行,采用数控机床进行廓面加工。 3、目前国内外研究所存在的问题 (1) 再购置机床需要大量资金投资, 除了机床本身的投资外, 还必须对 CAD/ CAM 系统软件和后置处理 器进行升级,使之适应多轴加工的要求,必须对校验程序进行升级,使之能够对整个机床进行仿真处理。 (2)目前,国内外对数控加工中的刀位轨迹生成 ,提出了各种各样的算法 ,而研究热点难点主要集中在对 数控加工中刀具干涉的处理(过切干涉、碰撞干涉和超程干涉)和刀位轨迹的优化两方面。 (3)刀具半径补偿困难。在五轴联动数控程序中,刀具长度补偿功能仍然有效,而刀具半径补偿却 失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时,需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的 CNC 系统尚无法完成刀具半径补偿,因为 ISO 文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在 进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸,按照正常的处理程序,刀具轨迹应送回 CAM 系 统重新进行计算,从而导致整个加工过程效率不高。对这个问题的最终解决方案,有赖于新一代 CNC 控制系统,该系统能够识别通用格式的工件模型文件或 CAD 系统文件。 ( 4)很难进行多轴加工数控编程的抽象操作。三轴机床只有直线坐标轴,而多轴数控机床结构形式多样。 同一段 NC 代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果,但某一种多轴机床的 NC 代码却不能适用 于所有类型的多轴机床。数控编程除了直线运动之外,还要协调旋转运动的相关计算,如旋转角度行程检验、 刀具旋转运动计算、非线性误差校核,这样一来,需要处理的信息量很大,数控编程极其抽象。 4、参考文献 [1]郑贞平,黄云林等.VERICUT7.0 中文版数控仿真技术与应用实例详解.北京:机械工业出版社,2011.4. [2]荣建刚,荣立峰等.UG NX6.0 中文版入门与提高. 北京:清华大学出版社,2011.1. [3]杨胜群.VERICUT 数控加工仿真技术.北京:清华大学出版社,2010.4. [4]宋放之.数控机床多轴加工技术实用教程.北京:清华大学出版社,2010.4. [5]云杰漫步多媒体科技 CAX 设计教研室编著. UG NX6.0 中文版数控加工.北京:清华大学出版社,2009.11. [6]王彪,张兰.数控加工技术.北京:中国林业出版社;北京大学出版社,2006.8. [7]孙桓,陈作模,葛文杰主编;西北工业大学机械原理及机械零件教研室编.机械原理(第七版).北京:高 等教育出版社,2006.5. [8]同济大学数学系编.工程数学.线性代数(第五版).北京:高等教育出版社,2007.5. [9]同济大学数学系编.高等数学(第六版).北京:高等教育出版社,2007.4. [10](美)斯密德(Smid,P.)著,罗学科等译.数控编程手册.北京:化学工业出版社,2005.4. [11]施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理 B 样条.北京:高等教育出版社,2001.8. [12]于云满,张敏,张义选.精密间歇机构.北京:机械工业出版社.1999.4. [13]陈朝光,唐余勇等.微分几何及其在机械工程中的应用.哈尔滨工业大学出版社,1998.4. [14]石永刚,徐振华.凸轮机构设计.上海:上海科学技术出版社,1995. [15]冯德坤,马香峰.包络原理以及其在机械方面的应用. 北京:冶金工业出版社,1994.10. [16]彭国勋,肖正扬.自动机械的凸轮机构设计.北京:机械工业出版社,1990. [17]马香峰,虞洪述等.确定共扼曲面的方法及其应用.北京:机械工业出版社,1989.
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三、研究方案(以下各项均可加页)
1、研究内容 (1)建立机床、刀具、夹具和工件模型。 (2)针对具体多轴加工对象,编制数控程序。 (3)应用 VERICUT 软件进行仿真加工。 (4)多轴加工典型实例——四轴加工圆柱凸轮。 2、研究目标及拟解决的关键问题 研究目标 通过对国内外多轴加工(四轴加工圆柱凸轮以及五轴加工叶轮、叶片、船用螺旋桨)情况的研究,针对 多轴加工过程中存在的突出问题,提出一些改进措施,利用专业的数控加工过程仿真软件 VERICUT 来进行 虚拟多轴加工,建立模型,编制相应刀具轨迹数控程序,在搭建好的虚拟数控机床上进行加工,模拟整个加 工过程和加工的结果,避免在真实的加工中出现零件的过切、欠切、干涉以及发生机床碰撞,并最大程度的 优化数控程序、延长刀具使用寿命,提高加工效率和加工质量。 拟解决的关键问题 (1)查阅相关文献熟悉了解多轴加工技术最新科研进展成果及多轴加工中存在需要解决的难题。 (2)编制数控程序和搭建整体数控机床的仿真平台。 (3)模拟实际加工过程,验证、优化数控程序(语法及其正确性的检查) ,指导生产实践。 3、拟采取的研究方案及可行性分析 拟采取的研究方案 (1)搜集查找并认真研究学习有关多轴加工以及 VERICUT 数控加工仿真技术等方面的相关文献,全面 深入地了解本课题相关领域最新科研进展成果情况; (2)确定研究方向切入点,学习掌握并能熟练应用一些相关辅助软件,依据实验室现有设备说明书专 用格式代码来编写数控加工程序。 (3)将通过 CAD/CAM 软件 NX6.0 编制的数控程序无缝连接地导入到 VERICUT 中进行验证、优化, 实现真正意义上的设计、仿真验证及其制造一体化,印证研究方案可行性。 可行性分析 通过查阅相关的文献、书籍,收集了大量的相关资料,对这些已有资料的研究学习以及向导师、同学的虚 心请教,认为本课题的研究方案及内容具有可行性和实际意义。同时,天津理工大学先进制造技术实验室具 备 NX6.0、VERICUT 以及四轴联动数控加工中心 YCM-V65A 等相关软、硬件,这些都是本课题研究顺利进
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行的强力有效的支撑。 4、课题的研究特色与创新之处 课题的研究特色 本课题对多轴加工仿真的研究主要是借助先进的多轴数控加工技术的优势来进行的,并用专业仿真软件 验证其可行性。课题研究采用理论研究和实际生产加工相结合的方式,使课题的研究更具有学术价值,对生 产实践起到指导性意义。 课题的创新之处 (1)本课题对于多轴加工的研究是基于在 VERICUT 软件上搭建加工仿真平台,通过 NXV 无缝连接导 入相关文件,形象直观地监控整个仿真加工过程并对加工好的工件进行全面检测,以此节约成本、提高效率。 (2)完全基于现场的 G 代码和宏指令的 VERICUT 是全球最专业的多轴加工仿真软件,本课题采用 VERICUT 软件对进行多轴加工仿真研究,并用实际加工圆柱凸轮为例,使研究工作更具有可靠度说服力。 5、预期研究成果 通过使用 VERICUT 软件对多轴加工过程的仿真研究,对数控程序进行优化,检查其语法和程序的正确 性,以期仿真加工出符合加工精度要求的产品,并用实例加工圆柱凸轮印证研究方案的可行性情况,避免返 工带来不必要的损失和麻烦,以此推而广之实现真正意义上的各种复杂产品生产制造的高效率。 6、预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施 可能遇到的困难和问题 在多轴加工的整个加工工艺的规划以及刀具轨迹编过程中需要具备相当丰富的实际操作经验和理论知 识,才能很好的加工出符合精度要求的产品。另外,对于强大的三维建模工具 NX6.0 软件和适用于国内外多 种机型轴数的数控机床加工过程仿真验证优化软件 VERICUT 的精通掌握,需要持之以恒的操作练习。 解决措施 (1)大量搜集国内外相关的资料、文献并认真地研究分析和向相关专业人士虚心请教。 (2)参阅以往发表过的论文写作经验,独立完成课题工作,推陈出新。

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