一、引言
     復雜曲面的五軸聯動數控加工技術是當今制造業中的高新技術,它是一個涉及到計算機三維造型、CAM自動編程技術、測量技術、制造工藝學、切削仿真技術等多學科交叉的綜合技術,因此具有較高的技術難度。但由于五軸聯動加工技術所具有的高精度、高效率、加工適應性強等特點,也使它能夠更好地適應復雜曲面的數控加工。如今,五軸聯動加工技術已經在發電設備制造業、飛機制造業、輪船制造業中得到了廣泛的應用。
     對于復雜曲面的五軸聯動數控編程來說,由于曲面復雜,且大多為不可展開的雕塑曲面,在編程時容易產生不易察覺的過切等干涉現象。并且,在五軸聯動數控機床的加工中,NC銑頭的旋轉或工件旋轉很容易發生干涉和碰撞現象,造成工件、刀具甚至機床的損壞。因此,在實際加工中,即使很有經驗的工程師也需要進行試切,對程序進行反復的調試,造成了人力、時間、能源和材料的浪費,且效率低下。
     虛擬制造系統VMS(VirtualManufacturing System)是實際制造系統在不消耗能源和資源的信息世界里的完全映射。虛擬制造是在上世紀80年代由美國率先提出的,是對真實產品制造的動態模擬,是一種在計算機上進行而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術。
     虛擬制造機床系統是現實制造機床系統在虛擬空間的映射,它是由虛擬的機床→刀具→夾具→工件所組成的虛擬系統,具備現實機床加工系統的全部功能、特征和行為,能夠完成現實機床加工系統同樣的虛擬生產任務。通過虛擬制造機床對復雜曲面的五軸聯動數控加工進行仿真,能夠真實地反映制造加工過程中的過切、碰撞等干涉現象,為程序的修改提供了數據;能夠對加工程序進行反復調試,在不消耗材料、能源,不占用機床時間的情況下得到正確的數控加工程序。虛擬制造機床系統能夠提供加工過程中的關鍵數據,如優化后的切削參數、總的加工時間等,通過它們可以評價加工策略的優劣并改進加工方案;能夠進一步對加工程序進行優化,縮短切削加工過程中的空行程走刀時間和調整復雜曲面不同位置的加工進給率。
二、虛擬制造機床系統
     針對復雜曲面五軸聯動系統加工存在的問題,運用商業軟件建立虛擬制造機床系統,需要進行以下的技術研究。
 1. 虛擬制造機床的構成
     虛擬制造機床要能夠完全真實地反應現實機床,無論是在機床拓撲結構、外型尺寸,還是運動功能方面都同現實機床一致或相似。虛擬制造機床的建立主要包括機床幾何結構、控制系統和刀具庫的建立。虛擬機床要能夠真實地反應現實機床,首先要求有同樣的機床拓撲結構,其次機床各運動軸的幾何尺寸要求同現實機床一致,特別是五軸聯動機床有兩個旋轉軸的NC銑頭和Z軸滑枕的尺寸更需要同現實機床完全一致,另外,機床各運動軸的運動極限及相對關系也要同現實機床一致。控制系統的建立目的是使虛擬控制系統具備同現實系統相同的功能,并且能夠對機床功能,如G代碼、M代碼等功能代碼進行定義,并實現對虛擬機床的控制功能。建立機床刀具庫主要是建立用于實際制造系統中相同尺寸規格的各種刀具,以真實模擬切削的過程。
2. 機床仿真及校驗
     在虛擬制造機床上添加工件毛坯、刀具和夾具,設置編程坐標系和機床坐標系的相對位置關系,加載加工程序后,就可以實現對現實機床加工的仿真了。仿真能夠真實地模擬出過切、碰撞等各種現象,并發出警報,標明發生該現象的位置。
 3. 程序優化
     程序優化首先需要針對不同的產品材料和刀具材料建立個性化的程序優化庫,這個優化庫需要通過做大量的切削試驗來建立。在程序優化時根據不同的加工材料和刀具,選擇優化庫中的實例對程序進行優化。通過優化后,在復雜曲面不同的加工區域自動設置不同的切削進給率,來保持每齒切削量和金屬去除率的恒定,從而提高加工效率。
三、虛擬制造在復雜曲面加工中的應用實例
     水輪機葉片的加工屬于大型復雜雕塑曲面的加工,其毛坯體積大,材料價格昂貴,采用虛擬制造技術對加工過程進行加工仿真,能夠很好的規避各種制造中的風險,提高零件加工質量和加工效率。用虛擬制造技術對水輪機葉片進行機床仿真的流程如圖1所示。

 
圖1 水輪機葉片加工仿真流程示意圖
  我們應用VERICUT機床仿真軟件,通過它在計算機上建立虛擬制造機床,就能夠實現對水輪機葉片加工過程的機床仿真、程序校驗以及程序優化。下面以某混流式水輪機葉片的機床仿真為例介紹運用VERICUT軟件實現復雜曲面虛擬機床制造的方法。
1.FKSA1800機床模型系統的建立
  FKSA1800是某水輪機制造廠的一臺單臂五軸聯動銑床,具有X、Y、Z三個直線軸和B、C兩個旋轉軸。Y軸依附于Z軸,旋轉軸C軸依附于Z軸,旋轉軸B軸依附于C軸,屬于Head-Head型的

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