航空整體葉輪五軸（zhóu）數控加工仿真及參數優化研究（上（shàng））
2016-11-21 來源：天津職業技術師範大學 作者：盧輝
摘要
航空整體葉輪（lún）的加工手段、加工精度和加工表（biǎo）麵質量直接影響葉輪的工作性能，對發動（dòng）機性能有決定性（xìng）的影響。作為一種典型的通道類複雜高精度零件，其葉片間流道間（jiān）距較小，葉片扭曲度大，其幾結構複雜（zá）對加工造成很大困難（nán），主要采用五軸數控機床進行（háng）加工（gōng）。雖然目前（qián）進行了針對航空整（zhěng）體葉輪較多的加（jiā）工仿真及（jí）參數優化研究工作，但仍存在如下問題：
(1)在參數優化研究方麵，未（wèi）考慮機床穩定性問（wèn）題（tí），在機床穩定的前提下開展加工參數優化研究，才能同時保證五軸（zhóu）加工的效（xiào）率和質量。
(2)由於葉片扭曲大（dà），通常CAM軟件生成的數控程序隻（zhī）考慮刀具（jù）與工件的幹涉，未考慮（lǜ）機床主軸（zhóu）與夾具、工（gōng）作台的碰撞，不能完全確保刀具（jù）軌（guǐ）跡的正確性和機床（chuáng）的安全性，因而需要（yào）考慮具體工藝係統，進行更全麵的幾何仿真研究。針對（duì）以上問（wèn）題，本文的主要研究工作（zuò）如下：
1.基於VERICUT的航空整體葉輪加工數控仿真建模。
在VERICUT 環境下建（jiàn）立虛擬的數控機床實體、控製係統、刀庫、坐（zuò）標係統等，創建數控仿真環境，實現針對具體工藝係統的幾（jǐ）何仿真（zhēn），有效避免機床主軸、刀具與工作台、夾具之間碰撞。
2.提出基於齊次變換的航空整體葉輪數控程序後處理（lǐ）算法。
首先針對海德漢i TNC530數控係統的傾斜加（jiā）工（gōng）麵功能，通過對CLSF刀位軌跡進行齊次變換運算，提出了機床運動坐標的數控程序後處理算法。使用（yòng）UG NX8.5/Post Builder編寫後處理文件，通過NC代碼（mǎ）分析、VERICUT仿（fǎng）真驗證後處理方法的正確性。
3.基於Cutpro9.0的工藝係統顫振穩定域獲取。
首先采用力傳（chuán）感器和（hé）加速度傳感器，通過（guò）錘擊實驗來獲取機床-刀具和機床-工件的（de）頻響函數。然後采用Cutpro9.0的動力學仿真功能，在給定的徑（jìng）向切削深度（dù）（切寬）條件下，進行顫振穩定域仿真，獲得表征主軸轉速和軸向切深關係穩（wěn）定域葉瓣圖。
4.基於幾何仿真和動力學仿真的切削參數優化。
在工（gōng）藝係統（tǒng）顫振穩定域仿真的基礎上，以切削時間為優化目標，切削深度、主軸轉速（sù）、每齒進給量為實（shí）驗因素，設計三因素四水平的正交試（shì）驗，通過幾何仿真獲得切削時間。根據極（jí）差分（fèn）析和方差（chà）分（fèn）析，得出三組較短切削時間的加工參數。對初步優化得到的三組切削參數進一步進行動力學仿真，根據仿真結果確定最優（yōu）工藝參數（shù）。
關鍵詞:航空整體（tǐ）葉（yè）輪,幾何仿真,動力學仿真,參數優化,正交試驗
第 1 章 緒論
1.1 課題研究背（bèi）景
航空整體葉輪是典型的通道類複雜零（líng）件（jiàn），其葉片間流道間距較小，葉片扭曲度（dù）大（dà），其幾何結構複（fù）雜對加工造成很大困難。加工方法、加工精度和加工表麵質量直接影響葉輪的工作性能，對發動機性（xìng）能有決（jué）定性的影響。航空整體葉輪因其曲麵的複雜性和加工精度高，使其成為典型的難加工零件[1-4]。
目（mù）前航空整（zhěng）體葉輪的加工一般采用數控多軸（zhóu）技術、電解技術、放電技術、鑄造技術等加工（gōng）方法。鑄造加工整體葉輪的特點是成本較低，適用於大（dà）批量的葉輪生產。這（zhè）種加（jiā）工方法的不足之處在（zài）於（yú）會產生內部結構缺陷，如砂眼、氣孔等（děng）。這可能導致葉片強度差，並最終影響成型零件的工作性（xìng）能（néng）。電火花和電解（jiě）加工可應用於各種難加工材料，加工穩定性高（gāo），零件質量較好。放電加工的缺點（diǎn）是加工（gōng）效率低，成（chéng）本高；而電解（jiě）加工效率較高，但精度較低。數控多軸技術可以加工多種類型的葉輪，加工精（jīng）度高，表麵光潔度好，因此航空整體葉輪加工常采用數控多軸技術（shù）[5]。
對於航空鋁整體葉輪來說（shuō），使用五軸機床進行高速切削（xuē）是最佳的加工方法。但當前航空（kōng）整體葉輪五軸加工（gōng）過程（chéng）仍存在很多工藝問題（tí），比如葉輪粗加工效率低，薄壁件加工易出現顫振導致葉片表麵光潔度差，切削參數選取不當導致刀（dāo）具折斷等。此外，到目前為止，切削參數的選擇尚未有一個完善的方法理論進行指導，實際生產加工中切削工藝參數往（wǎng）往取決於工藝人（rén）員的經驗。對於高速高精加工來說，尤其是葉輪具有複雜曲麵薄壁類零（líng）件，往（wǎng）往（wǎng）很難獲得（dé）預期的加工質量。其（qí）根本原因在於設定高速切削參數中沒有考慮機床的動力學特性，沒有考慮刀具振動對工件質量的影響，沒有考慮機床各軸的行程極限和加速度方麵的差異[6]。
1.2 課題的目的及意義
五軸加工航空整體葉輪過程中，刀軸（zhóu）變化頻繁易發生（shēng）碰撞，且葉片（piàn）厚度薄容易發生顫振，這些（xiē）因素製約著航（háng）空整體葉輪的高效高精加工。因此，本文通過建立VERICUT仿真環境檢查刀具軌跡（jì）避免機床與刀具（jù）發生碰撞，使用cutpro9.0軟件進行顫振穩定域分析和切削過程仿真，預測刀具（jù）振動、工（gōng）件振動、切削力、表麵粗糙度、主軸功率等，為合理地選擇加工參數避免發生顫振，能夠使五軸機（jī）床（chuáng）實現高速高精加工。本文研（yán）究內容有助於指導葉輪實際加工的切削參數的選擇，能夠為同類零件的加工提供（gòng）參考，具有重要的工程（chéng）應用價（jià）值。
1.3 國內外研究現狀
1.3.1 高速（sù）切削技術研究現狀
20 世紀 30 年代德國 Salomon 博士提（tí）出高速切削加工（HSM 或 HSC）概念，隨著切削速度（dù）提高到一定峰值（zhí）後（hòu），切削溫（wēn）度反而下降[7]。此後幾十年高速切削（xuē）加工的研究處於（yú）停滯狀態。從（cóng） 1950 年開（kāi）始世界各（gè）國（guó）開始對（duì）高速切削加工展開大規模研究，主要是歐美發達國家、蘇聯、澳大利亞、日本等國家[8-10]。這一時期稱（chēng）為高速切削理論研究的探索（suǒ）階段。到了 20 世（shì）紀（jì） 70 年代，高速切（qiē）削加工進入應用基（jī）礎研究（jiū）階段。1972 年到 1978 年美國洛克希德導彈與空（kōng）間公司研究小組主要研究（jiū）高速加工應用於生（shēng）產加工的可行性[11]。1980 年代高速切削加工研究開始進入應用研究階段。1979 年美國高級研究工程（chéng）局開始對高速切削工藝係統（tǒng）做全（quán）麵的研（yán）究，包（bāo）括高（gāo）速刀具、高（gāo）速機床、高速工藝等方麵[12]。1984 年至 1988 年德國研究技術部對高速切（qiē）削金屬和非金屬材（cái）料、高速（sù）切削（xuē）電主軸係統等研究，為（wéi）高（gāo）速（sù）切削技（jì）術應（yīng）用於實際加工打下（xià）結實的基礎[13]。進入 20 實際 90 年代後，隨著直線（xiàn）電機，機床電主軸、高速切削刀具的出現，高速切削加工機床不斷出現（xiàn）在國際市（shì）場，高（gāo）速（sù）切削加工進入到（dào）工業應用階段[14-17]。
相對於國（guó）外，國內對（duì）高速切削（xuē）研究起步比（bǐ）較晚，從 1980 年國內各大研究機（jī）構和（hé）大學開始對高速切削進行全麵研究。1980 年山東大學開始對高速切削中切削溫度、切削力、切屑、刀具壽命等（děng）研究[18]。20 世（shì）紀 90 年代後，北京理工大學研究了高速切削的刀具與切削力[19]，廣東工業大學研究了高主軸轉速的電主軸技術、直線（xiàn）電動機進（jìn）給（gěi）係統[20]，天津大學和大連理工大學從切削原理方麵入手研究高速切削（xuē）加工[21]。盡管國內的高（gāo）速切削技術與西方工業發達國家還有很大差距，但是經過國內大學的研究者努力和奮鬥，國內也出現了一（yī）批高速切削機（jī）床，如大連機床廠生產的高速加工中（zhōng）心。
高速切削與傳統加工相比具有（yǒu）以下優點，1)高速切削主軸轉速高，切削速度快，單位時間內去除材料（liào）體積增大，縮短切削時間，提高加工效率。2)高速切削時，切（qiē）削深度小，進給（gěi）速度快，故其切削力小。3）高（gāo）速切削時，切屑以很快地速度排除，帶走大部分的熱量（liàng），工件熱變形小。4）高速切削中隨（suí）著切削速度提高，切削力逐漸（jiàn）減小（xiǎo），而切削力是切削過程中振動（dòng）的主要來源，因而減（jiǎn）少切削振（zhèn）動，提高表（biǎo）麵粗糙度。5）高速切削可加工淬硬材料，減少電火花放電加工。正是由於高速切削具有以上特點，高（gāo）速（sù）切削技術（shù）廣泛應用於航（háng）空航天、汽車、模具等行業，尤其是在航空行業應用最多。航空製造中大部分是輕合金材料，且大（dà）都是薄壁類零件（jiàn），切削中容易變形（xíng）。高速切（qiē）削技術切削速度快，切削力小（xiǎo），特別適用（yòng）於航空類零（líng）件加工。
1.3.2 數控加工仿真技術研究現（xiàn）狀（zhuàng）
用於數控仿真（zhēn）和切削（xuē）參數優化方麵的（de）係統軟件主要有以下兩類：幾何仿真軟件和（hé）動力學仿真軟件（jiàn），幾（jǐ）何仿真是完成數控程（chéng）序（xù）的幾何仿真、進行刀具與機床、夾具的碰撞檢查以（yǐ）及（jí）對數控代碼的優化（huà）。目前，關（guān）於數控加工幾（jǐ）何仿真（zhēn）的研究已經（jīng）很（hěn）成熟了，並（bìng）且有很多幾何仿真軟件應用於實際生（shēng）產中。幾何仿真軟件最具代表性的軟件是（shì）CGTEC公司的VERICUT軟件[22]。VERICUT是交互仿真的NC程序數據去（qù）除材（cái）料過程。VERICUT軟件仿真（zhēn）可（kě）以替（tì）換昂貴的NC數據驗證過程，並且可以優化材料去除率。VERICUT通過仿真NC程序，可以減少或消除傳統費時費力的數控程序試切驗（yàn）證（zhèng）過程。到了90年代很多CAD/CAM集（jí）成軟件推出幾何仿真模塊，比如英（yīng）國的Power MILL，美國的Master CAM, 德國西門子公司的UG NX等軟件。這些CAD/CAM集成軟（ruǎn）件（jiàn）隻能進行前置代碼（mǎ）仿（fǎng）真，不能進行後置代碼仿真（zhēn）。在國內，1994年6月哈工大研發的三維動（dòng）態圖（tú）形仿真（zhēn）器NCMPS[23]。1994年11月由清華大學和華（huá）中科技大學合作研發的HMPS[24]。北京航空航天大學開發的集成在CAD/CAM係列軟件中的仿真（zhēn）模塊。
動力學仿（fǎng）真則須通過仿（fǎng）真切削過程中（zhōng）的主軸功率、切削力等預測加工精度和加工表麵質（zhì）量（liàng），為調整和優化切削參數提供依據，最終達到優（yōu）化結果。隨著計算機仿真技術的發展和對切削原理的研究越（yuè）來越深（shēn）入，目前以優化切削（xuē）參數為目的動力學仿真係統研（yán）究進展也很快。國外有加拿大UBC大學MAL實驗室[25]開發的Cutpro9.0、英國的Meltal Max，其（qí）中Cutpro9.0軟件可以利用虛擬現（xiàn）實和仿真（zhēn）技術對高速加工過（guò）程中的切削力、功（gōng）率、扭矩、切屑厚度、振動情（qíng）況（kuàng）等進行預測，以（yǐ）確定無顫振條件下的主軸轉速、進給量和切深，在保證良好表麵質（zhì）量的前提下提高材料的去除速率。這（zhè）些軟件已在包括波音、加普惠等數十加跨國公司得到了廣泛的（de）應用，並取得了（le）很好的效果。國內目前主要有北航自主開發（fā）的銑削加工（gōng）動力學仿真係統（tǒng）Simu Cut和數控機床動力學特性參數測試與分析Dyna Cut係統。該係統功能與Cutpro9.0基本類似，且已在國內軍工口幾十家（jiā）企（qǐ）業得到初步應用，不足之處是目前僅限於銑削加工仿真[26-27]。
1.3.3 切削顫振研究現狀
切削過程由於主軸的旋轉運動和刀具切（qiē）削工件產生的切（qiē）削力（lì）不可避免會出現振動情況。尤其是當切削參數選（xuǎn）取不當或切（qiē）削量過大時，刀具（jù）的振（zhèn）動會更加激烈。切削過程中產生的振動，會影響（xiǎng）加工質量和生產效（xiào）率，嚴（yán）重時甚至（zhì）會導致刀具斷裂，因此通常都（dōu）是對切削加工不利的（de）。切削振動主要表現在影響（xiǎng）加工的表（biǎo）麵光潔度、切削效率、刀具壽（shòu）命（mìng）、機床精度。多年來，國內外很多研究者對切削振動進行深入的研究，取得了可（kě）喜的成效。
在國外，Tobias[28]和（hé）Tlusy[29]通過對切削過程中的顫振現象的研究，提出了有關於主軸轉速和（hé）切削（xuē）深度的穩定臨（lín）界切削深度表（biǎo）達式，並對銑削穩定性進行了時域分析。Y.Altintas[30]通過（guò）切削過程（chéng）仿真建（jiàn）立動態銑（xǐ）削力的模型，提出（chū）了球頭銑刀進行穩（wěn）定切（qiē）削的方法，從而得到了切削深度與主軸轉速的顫振穩定分析解。該方法僅需要獲取整個工（gōng）藝係統的傳遞函數(FRF)，切削力係數，徑向切深及統刀齒數，通（tōng）過較少量的計（jì）算得（dé）到較精確（què）的穩定性曲線。由於該方法對方向係數做傅裏葉變換後（hòu）僅取零次諧波分量，因此該方法被稱為零階求解方法(Zero Oder solution, ZOA)。Sata T等[31]在機床-刀具和機床-工件等動力學模態參數對切削穩定性影響分析的基礎上，給出了切削（xuē）速（sù）度、每齒進給量和刀（dāo）軸切削（xuē）角度的控製策略，得出了一種預測（cè）和控製顫振的（de）方法。Gagnol等[32]通過采用與速度無關的頻（pín）響函（hán）數（shù）來（lái）實（shí）現（xiàn）顫振穩定域預測，提（tí）出的顫振穩定域預測模型中考慮（lǜ）了主軸轉速對刀尖點（diǎn）頻（pín）響函數的影響。
在國內，師漢民等人（rén）[33-35]提出切削中發生顫振時，振幅大到一（yī）定（dìng）值之後趨於穩定，這是因為切削用量有限，當刀（dāo）具振幅比（bǐ）較大時刀具（jù）有一部分已（yǐ）經脫離工件不參與（yǔ）切削。機床顫振振幅（fú）穩（wěn）定模型主要受（shòu）到兩（liǎng）個非線性因素影響，第（dì）一刀具切削中脫離工（gōng）件不參與切削，第二切削（xuē）力的非線性特性（xìng）。熊（xióng）國良等[36]采用廣義（yì）傅裏葉級數法分析圓柱立（lì）銑刀的顫振問題，研究了主軸（zhóu）的陀螺效應（yīng）對工藝係統穩定性的（de）影響。石（shí）莉等[37]采用小波分析法對（duì）切削（xuē）力信號進行分析，根據切削力的波動來預測切削顫振，得到產（chǎn）生顫振的切削力（lì）信號（hào）範圍，從而給避免顫振提供一個參考。劉安民等（děng）[38]通過分析加工噪音來判斷是否發生顫振，從分析顫振噪音中得到（dào）顫振頻率，從而不需要測量（liàng）機床-工件和機床-刀具的傳遞函（hán）數，就可以建立動態切削力模型，得到主軸轉速和切削深度的穩定曲線。
1.3.4 切削參數優化研（yán）究現狀（zhuàng）
在國內，閆國琛[39]對S50C模具鋼高速（sù）切削加（jiā）工進行（háng）工藝（yì）參數優化研究，采用正交試驗得（dé）出模具鋼表麵粗糙度影響因素的規律（lǜ）情況，並基於（yú）BP 神經網絡和遺傳（chuán）算法進行工藝（yì）參數優（yōu）化。陳展翼[40]通過高速銑削試驗對鈦合金TC4材料進行正交試驗得到切（qiē）削參數對表麵粗糙度的影響規律，並利（lì）用遺傳優化算法實現（xiàn）了銑削加工參數優化。黃豪[41]基於不同切削方式（shì）的切削原理是（shì）相同的理論，針對不同的切削方式建立統一的（de）數（shù）學（xué）模型，在遺傳算法中加（jiā）入模擬退（tuì）火算法算子，提出（chū）混合遺傳算法並對其進行測試和驗（yàn）證（zhèng）。莊光法[42]對油管接箍內壁的車削加工中易發（fā）生變形超（chāo）差，加工效（xiào）率低（dī）下等問題，采用（yòng）Deform軟件和（hé）正交試驗進行切（qiē）削力預測得出切削因素對切削力影響的主次因素，並基於粒子群算法以最小圓度誤差和最大（dà）生產率為目標進行切削參數優化。
在國外，H. Kurtaran[43]通過（guò）耦合響應曲麵法（RSM）與開發的遺傳算法（GA）以最小表麵粗糙度為（wéi）優化（huà）目標進行切削參數的（de）優化。首先使用RSM建立表（biǎo）麵粗糙度值的數學模型，再通過遺傳算（suàn）法進一（yī）步優化切（qiē）削參數，最終得到最佳切（qiē）削參數。Franci Cus[44]基（jī）於神（shén）經網（wǎng）絡對切削參數進行多目標進行優化，通過充分考（kǎo）慮技（jì）術、經濟等（děng）因素多目標優化（huà）。為了達到更精（jīng）確的預（yù）測結（jié）果，該神經網絡優化算法能夠實現對重要的切削參數簡單、快速（sù）和高效的優化。該方法適用於快速確定最佳切削參數（shù）的加工。Petropoulos[45]等提出使用幾何規劃方法進行數控車切削參數優化，該優化方法綜（zōng）合（hé）考慮機床的最大主（zhǔ）軸功率和（hé）切削速度等因素，以最小生產成本為優化目標。但（dàn）該模型（xíng）約束條件多，計算量（liàng）大，效率低下。Eskicioglu和Jha考慮了這個問題[46]，提出了基於幾何規（guī）劃法和拉格朗日乘（chéng）數法的算法，以減少約束數目，減少運算量。1.4 本文主要研究內容 航空整體葉輪的加工（gōng）手（shǒu）段、加工精度和加工表麵質（zhì）量直接影響（xiǎng）葉（yè）輪的工作性能，對發動機性（xìng）能有決定性的影響。作為一種典型的（de）通（tōng）道類複雜（zá）高精度零件，其葉（yè）片間流道間距較（jiào）小，葉片扭曲度大，其幾何結構複雜（zá）對加工造成很大困（kùn）難，主要采用五軸數控（kòng）機床進行（háng）加工。雖然目前進行了針對航空整體葉輪較多的加工仿真及參（cān）數優化研究工作，但仍存在（zài）如下問題：（1）在參數優化研究方麵，未考慮機床穩定性（xìng）問題，在機床穩定的前提下開展加工參數優（yōu）化研究（jiū），才能同時保證五軸加工的效率和質量。（2）由（yóu）於葉片扭（niǔ）曲大，通常CAM軟件生成的數控程（chéng）序隻考慮刀具（jù）與工件的幹涉，未（wèi）考慮機床主軸與夾具、工作台的碰撞，不能完全確保刀具軌（guǐ）跡的正確性和機床的安全性，因而（ér）需要考慮具體工藝係統，進行更全麵（miàn）的幾（jǐ）何仿真研究。針對以上問題，本文的主（zhǔ）要研究工作如下：
1.基於VERICUT的航空整體葉輪加工數控仿真建模。在（zài） VERICUT 環境下建立虛擬的數控機床實體、控製係統、刀庫、坐標係統等,創建數控仿真環境，實現針對具體工（gōng）藝係統的幾何（hé）仿真（zhēn），有效避（bì）免機床主軸、刀具與工（gōng）作台、夾具之間碰撞。
2.提出基於（yú）齊次變換的（de）航空整體葉輪數控程序後處理算法。首先（xiān）針對海德漢（hàn）i TNC530數（shù）控係統（tǒng）的傾斜加工麵功能，通過對CLSF刀位軌跡進行齊次變（biàn）換運算，提出了機（jī）床運動（dòng）坐標的數控程序後處理算（suàn）法。使用UG NX8.5/Post Builder編寫後處理文（wén）件，通（tōng）過NC代碼分析、VERICUT仿真驗證後處理方法的正確性。
3.基（jī）於Cutpro9.0的（de）工藝係統顫振穩定域（yù）獲取。首先采用力傳感器和加速度傳感器，通過錘擊實驗（yàn）來獲取機床-刀具和機床（chuáng）-工件的頻響函數。然後采用Cutpro9.0的動力學仿真功能，在給定的徑向切削深度（切寬）條件下，進行顫振穩定域仿真，獲得表征（zhēng）主軸轉速和軸向（xiàng）切深關係穩定域葉瓣圖。
4.基於幾（jǐ）何（hé）仿真和動力學仿真的切削參數優化。在工藝係統顫振穩定域仿真的基礎上，以切削時間為優化目（mù）標，切削深度、主軸轉速、每齒進給（gěi）量為實（shí）驗因（yīn）素（sù），設計（jì）三因素四水（shuǐ）平的正交試驗，通過幾何仿真獲得切削時間。根據極差分析和方差分析，得出三組較短切削時間的加（jiā）工參數。對初（chū）步優化得到的三組切削參數進一（yī）步（bù）進行動力學仿真，根據（jù）仿真結果確定最優工藝參數。
第 2 章 葉輪五軸數控（kòng）加工幾何仿真
2.1 概述
由於航空整體葉輪五軸加（jiā）工過程中刀（dāo）軸變化頻繁，容易產生刀具幹涉或過切現象。隨著主軸的擺動（dòng）或（huò）工作台的旋轉，如果考慮不（bú）周全，主軸與工作（zuò）台或主（zhǔ）軸與夾具之間極易發生碰撞。為了解決這一問題，本節在VERICUT 環境下建立虛擬的數控機床實體、控製係統、刀庫、坐標係統等，創建數控仿真環境，實現針對具體工藝係統的幾何仿真，有效避免機床主軸、刀具與工作台、夾具之間碰撞考慮機（jī）床（chuáng）刀具與夾具、工件（jiàn）之間的碰（pèng）撞，檢查過切現象（xiàng）。
2.2 VERICUT軟件簡介
2.2.1 VERICUT簡介（jiè）
美國CGTEC公司的VERICUT軟（ruǎn）件是最具代表性（xìng）的幾何仿（fǎng）真軟件。其（qí）主要功能是完成數控（kòng）程序的幾（jǐ）何仿真、進行刀具與（yǔ）機床、夾具的碰撞檢查以及對數控代碼的優化。VERICUT可以與世界上（shàng）主流的CAM軟件進（jìn）行對接，主要解決模型轉換、NC程序傳輸等問題，提高加工過（guò）程仿真的效率。隨（suí）著數控（kòng）技術在實際生產應用（yòng）越來（lái）越多（duō），VERICUT軟件也得到了廣泛（fàn）應用。目前，國（guó）外很多大的航（háng）空公司汽車公司比如加拿大的龐巴迪公司、德（dé）國的大眾汽車公司、美（měi）國的波音公司等都（dōu）已經把VERICUT軟件應用（yòng）到生產實踐中，在國內使用VERICUT的公司有青島海爾股份有限公司（sī）、天津汽車模具股份有限公司、沈（shěn）陽飛機製造公司（sī）[47]。
VERICUT是交互仿真的NC程序數據去除材料過程。VERICUT軟（ruǎn）件仿真可以替（tì）換昂貴的NC數據驗證過程，並且可以優化材料（liào）去除率。VERICUT通過仿真NC程（chéng）序，可以減少或消除傳（chuán）統費時費力的數控程序試切驗證（zhèng）過程。它還可以優化（huà）程序中（zhōng）進給速度和主（zhǔ）軸（zhóu）轉速提高加工效率（lǜ）。這些能夠為企業以較低的成本（běn）進行生產，創造（zào）更（gèng）高的利潤。VERICUT能夠核實NC程序的準確性，能夠確保加（jiā）工完成的產品（pǐn）與設（shè）計的產品相匹配[48]。
2.2.2 VERICUT係（xì）統功能模塊
1.驗證與仿真模塊（kuài）
VERICUT模擬仿真可以進行5軸銑削，鑽孔（kǒng）和線切割，以及車（chē）銑複合等仿（fǎng）真。類似加工零件的要求，VERICUT仿真也需要NC程序數（shù）據，毛坯模型，以及加工中所需的刀（dāo）具模（mó）型。VERICUT幾乎可以仿真任何格式的數控程序，比如G、M代碼（mǎ）數據以及APT文件。驗證處理的（de）結果是加工完成的實（shí）體模型（xíng）和錯誤信息報告（gào）的日誌文件。仿真（zhēn）結果得到實體模型可（kě）以進行檢測，查看零件的過切或欠切情況，還可以保存（cún）用作另一個NC程序的毛坯模型。日誌文件記錄著在模擬過程中任何加工誤差和錯誤。VERICUT驗證模（mó）塊可以簡化傳統的試切驗證過程，減少產品的生產周期，提高生產率。
2. 數控程序優化
VERICUT優化模塊有自動和（hé）用戶自動義兩種方式，可以最大限度地提高材料去（qù）除率。VERICUT有恒定體積去除率和恒定切削厚度這兩種優化方法。恒定體積去（qù）除率的原理是通（tōng）過設定一個切削體積(Vol)來調節進給速度，
，其中ap為（wéi）切削深度，ae為切削寬度，F為進給速度。當切（qiē）削體（tǐ）積為零時（shí），說明機床正在空走（zǒu）刀，沒有切削工件，這樣可以適當提高切削速度；當切削體積大於優化庫中設定的值時，適當減少切削速度；當（dāng）切削體積小於（yú）優化庫中的值時，增加切削速度。恒定切削厚度的優化原理為通過變化進（jìn）給速度來保持恒定的切削厚度，這種（zhǒng）方法主要用於精（jīng）加工。
2.2.3 VERICUT機床加工仿真過程
要在 VERICUT 中實現加工仿真，首先需要建立（lì）虛擬機床，選擇（zé）控製係統，建立加工中所需的毛坯和加工刀具，然後輸入 NC 數控程序，設置（zhì）工件坐（zuò）標（biāo）係，開始仿真。仿真結束後，對仿真結果進行分析。仿（fǎng）真操作流程如圖 2-1 所示。
圖 2-1仿真操作流程圖
1.建立虛擬數控機床模型
VERICUT軟件中（zhōng）機床模型庫（kù）中有許多常見的機床模型，包（bāo）括了數控車床（chuáng），三（sān）軸加工（gōng）中心，五軸機床，電火花機床等。如果機床模型（xíng）庫中，沒有所（suǒ）需的機床模型。可以通（tōng）過三維建（jiàn）模（mó）軟件（jiàn）或VERICUT軟件進行建立機床模（mó）型，再通過VERICUT定義其機（jī）床的運動關係，這樣就可以建立自己所需的（de）機床。
2.建立毛坯和夾具模型
通過測量實際毛坯和夾具建立三維（wéi）模型，導（dǎo）入到VERICUT軟件中。建立夾（jiá）具模型主要是檢（jiǎn）查機床刀具或主軸與夾具的碰撞情況。毛坯模型是VERICUT軟件進行加工仿真的必（bì）備條件。
3.建立刀具模型
VERICUT仿真與實際加工一樣也是需要刀具的。VERICUT軟件中有建立刀具和刀柄的專用（yòng）模塊。
4.設置係統參數
在進行切削仿真之前，還需要設置一些係統參數，如（rú）工件坐標係，刀具換刀位置等。
5.加工仿真
建立完機床模型、夾具模型、刀具模型等，就可以（yǐ）導入NC數控程序進行加工仿真。
6.仿（fǎng）真結果分析
對於仿真結果，可以通過自動對比分析毛坯模型與設計模（mó）型的（de）差值，從而得到過切與欠切的情況。還可以通過（guò）查看仿真（zhēn）日誌文件，檢查切削（xuē）過程中機床與工件之間（jiān）發生的碰撞情況。通過分析仿真結果對數控（kòng）程序或裝夾方（fāng）案進行修改，以達（dá）到（dào）無（wú）錯誤（wù）的仿真結果。
7.程序優化
通過分析仿真結果，得（dé）到無碰撞無（wú）過（guò）切（qiē）的數控程序後，使用VERICUT優化（huà）模塊進行切削速度的優（yōu）化（huà），提高加工效率。VERICUT優化不會改變數控程（chéng）序原有的刀（dāo）具軌跡，隻（zhī）會改變進給速度和主軸轉速。
2.3 建立（lì）VERICUT虛擬數控仿真環境
2.3.1 VERICUT虛擬（nǐ）機床的建立
VERICUT虛擬機床的建立過程就是（shì）對實（shí）際機床（chuáng）進行測量在（zài）三維軟件中建立機床各部（bù）件的模型，導入到VERICUT軟件中按照實際運動邏（luó）輯關係進行“裝配”。VERICUT構建機床流程：第一建立機床各部件間運動關（guān）係；第二建立機（jī）床組件模型；第三設定機床（chuáng）相關參數。
本文選用的是DMG公司的HSC75 linear五軸高速加工中心，控（kòng）製係統（tǒng）是海德漢i TNC530。該五軸機床屬於刀具擺動與工作台回轉類型，如圖2-2所示。其（qí）機（jī）床主要參數如表2-1 所示。
圖 2-2 德瑪吉 HSC75 機床
表 2-1 德（dé）瑪吉 HSC75 機（jī）床（chuáng）主要參數
建（jiàn）立虛擬機床模型必須（xū）要了解機床各部件間的運動關（guān）係以及它們的依附關（guān）係，再將機床進行（háng）運動分解。通過分析機（jī）床的結構（gòu）可（kě）知HSC75有兩大運動鏈，主軸運動鏈（liàn）和毛坯運動鏈。主軸運（yùn）動鏈：Y軸依（yī）附於Base(床身)，Y軸運（yùn）動不影響Base的狀態和位置變化；Z軸依附於Y軸，並會隨（suí）著Y軸（zhóu）的移動而改變位置；B軸依附於（yú）Z軸，並會隨（suí）著Z軸的移動而改變位置；主軸依附於B軸，並會隨著B軸的移動而改變（biàn）位置；刀具依附於主軸，並會隨著主（zhǔ）軸的移動而改（gǎi）變位置。即（jí）Base→Y→Z→B→Spindle→Tool。毛坯運動鏈：X軸依附於Base，X軸運動（dòng）不影響Base的狀態和位置變化；C軸（zhóu）依附於（yú）X軸，並會隨著X軸的移動而改變位置；夾具依附於C軸，並會隨著C軸的移動（dòng）而改變位（wèi）置；毛坯依附於夾具，並會隨著夾具的移動而改變位置。即Base→X→C→Fixture→Stock。建立的機床組件樹如圖2-3所（suǒ）示。
圖 2-3 HSC75 機床組件樹
建立完（wán）機床組件樹後，下麵就需要添加機床各部件的3D模型（xíng）。為了建模方便，本文將在UG軟件中建立機床各部件的三維模型，然後導出STL格式的機床模型文件，添加到VERICUT中。在UG中建立機床模型的（de）坐標係要和VERICUT中的（de）機床坐標係一致，建立（lì）各個軸的（de）模型時，須按照機床（chuáng）位於零點位置時各坐標軸的位（wèi）置及狀態來建模，這樣能有（yǒu）效減少後（hòu）續機床調試難度（dù）和時間。由於HSC75五軸機床的（de）B軸旋轉是機床主軸擺動，因此機床主軸在擺動過程中很容易與工作台、夾具等發生碰撞。這就（jiù）要求機床各運動軸的位置關係一定要與實際位置相一致。而其他機（jī）床部件比如機床麵板、機床外殼等可以（yǐ）進行簡化（huà）建模或者不需要建模，這樣可以減輕工作量（liàng）提高VERICUT仿真速度。 導入機床（chuáng）部件模型文件後，還需要進（jìn）行機床參數的設定，如機床機械原點、機床換刀位置、機床各軸行程（chéng）範圍等。打（dǎ）開“配置”——“機（jī）床設定”，按順序進（jìn）行設定碰撞檢測、表、行程極限、軸（zhóu）優先、子程序、機床（chuáng）備忘錄等參數。通過以（yǐ）上（shàng）設置，就（jiù）完成HSC75機床仿真模型建立（lì）如圖2-4所示。
圖 2-4 HSC75 機床（chuáng）仿真模型
2.3.2 VERICUT虛擬刀具庫的建（jiàn）立
VERICUT軟件（jiàn）中有專用於建立刀（dāo）具和刀柄的（de）模塊（kuài），可（kě）以建立與生產加工一致的刀具和刀柄文（wén）件，如可以建立立銑刀、球頭銑刀、盤銑刀（dāo）、鑽頭等。選擇“項目”→“刀具（jù）”命令，係統彈出圖2-5所示（shì）的“刀具管理器”對話框。該對話框主要有4部（bù）分顯示區域：刀具號（hào）、刀具（jù）參數區、圖形顯示區和信息提示區，每個不同的區域可相互作用。
圖 2-5 刀具管理器對話框
在VERICUT係統中的“刀具管理”對話框中，用戶可以根據（jù）具體應用場合定義不同的刀具類型，包括銑刀、車刀、鏜刀、探（tàn）針、線切割刀具共5種類型。本文（wén）研究用到的刀具都是銑刀，按形狀可分為平（píng）底銑（xǐ）刀、麵銑刀、球頭銑刀、牛（niú）鼻銑刀和鑽削銑刀。
在圖2-5所（suǒ）示的“刀具管理器”對話框中選擇“添加”→“新”→“銑削”命令，係統將彈出圖2-6所示的對話框。在“組件類（lèi）型”下拉列表框中選擇不同的選項，對話框（kuàng）中需設置的內（nèi）容也不一樣。當“組件類型”下（xià）拉列表（biǎo）框中選擇“旋轉型刀具”時，可創建（jiàn）平頭銑（xǐ）刀或球頭銑刀等，按要求輸入刀具切削刃（rèn）結構尺寸即可（kě）。通過這種方法（fǎ），創（chuàng）建本文研究所需（xū）的刀具。
圖 2-6 旋轉型刀具對話框
2.3.3 VERICUT其他（tā）參數的設定
建立完機床和刀具庫後，需要設定（dìng）數控程序加工基（jī）準，也就是（shì）實際加工中所說的對刀。VERICUT提供的對刀方式有“基於工作偏置”、“機床零點（diǎn）”、“工作偏置（zhì）”、“程序零點”、“輸入程序（xù）零點”、“RTCP旋轉點偏置”及“RPCP旋轉點偏置”。本文使用程序零點對刀，打開G代碼偏置對話框如圖（tú）2-7所示。一般情況下主軸上不帶旋轉軸的機床對刀時，選擇Spindle組件，如果主軸上有旋轉軸，選擇主軸上的旋轉軸來對刀，主軸上有兩個或兩個以上的旋轉軸，選擇主（zhǔ）軸分支上線性軸下連續的旋（xuán）轉軸對（duì）刀（dāo）。
圖 2-7 G 代碼偏（piān）置對話框
2.3.4 VERICUT虛擬仿真（zhēn）環境驗證
構建好了機床模型後，下麵添加已經實際驗證過無碰撞的數（shù）控程序來進（jìn）行數控加工仿真，驗證HSC75虛擬機床的正確（què）性。操作步驟如下：
（1）右擊項目樹中“控製”→“打開”→“hei530.ctl”，加載hei530.ctl控製（zhì）文件。
（2）在（zài）組件模型樹中添加已經創建好的夾具和毛坯模型文件。
（3）設置加工坐標係（xì），右（yòu）擊“坐標係統”→“添加（jiā）新的坐標係”，創建一個Csys 1的坐標係，然後將坐標係移動到毛坯上表麵的中心，使Csys 1與編程加工坐標係重合。
（4）設置G—代（dài）碼偏置，在偏置名中選擇“程序零點”，子係統名為（wéi）“1”，點擊（jī）添加。選擇“從”特征為“組件（jiàn）”，名字為“B”，選擇“到”特征為“組件”，名字為“Csys 1”。
（5）加載之前所創建的（de）刀具庫
（6）添加數控程序
（7）在VERICUT主窗口中（zhōng），點擊右下角的“重置模型”按鈕，再點擊“仿真到末端”，開始數控加工過程仿真，仿真結果和自動-比（bǐ）較報告如（rú）圖2-8所示。
圖 2-8 仿真結果和（hé）自動-比較（jiào）報告
仿真結果圖沒有（yǒu）顯示紅色區域（yù），說明（míng）刀具沒有與夾具（jù）、工作台等發生碰撞；自動—比較分析報告（gào）隻顯示最大殘留部分，無過切信息，說明工件無過切現象。這就驗證了數（shù）控仿真環境 HSC75 虛擬機床的正確（què）性（xìng）。
2.4 本章小（xiǎo）結
本章節中，在 VERICUT 建立虛擬的數控機床實體、控製係統、刀庫、坐標係統等,創建一個數控仿真環（huán）境，檢驗機床各部件之間、刀具與夾（jiá）具之間及刀具與毛坯之間的（de）幹涉和碰撞，為（wéi）後續檢查葉輪加工幹涉做準備。同時，總結出幾點（diǎn）利（lì）用VERICUT軟件（jiàn）進行虛擬數控機床建模的關鍵技術。第一，根據實際數控機床各個運動坐標（biāo）軸和主要部件的運動邏輯關係來建立正確的機床運動組件拓撲關係；第二，在UG中創建機床三（sān）維模（mó）型，需要注意建模（mó）坐標係與VERICUT中的機床坐標係相重合，方便後續裝配機床；第三，設置G—代碼（mǎ）偏置時需要考慮機（jī）床的（de）結構，不同的機床結構對應不同的G—代碼偏置（zhì）。
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