基于Inventor與Vericut的四軸臥式加工中心設(shè)計方法

王 準

(安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

如今數(shù)控機床的使用在我國機械加工企業(yè)中的比重越來越高，其中，加工中心的使用數(shù)量已經(jīng)占據(jù)一個不小的比重。由于加工中心上加工零件能夠?qū)崿F(xiàn)：工件一次安裝后，可以完成多個孔系、平面、曲面等加工要求，即常說的工序集中。工序集中可以很好地保證零件精度要求，特別是位置精度要求;再加上數(shù)控加工固有的一些特點：高效、高精度、靈活性(柔性)。因此，機加工企業(yè)購買、使用加工中心的動力十足;而機床的設(shè)計與制造企業(yè)，也因此迎來了更寬廣的市場需求［1-2］。作為數(shù)控機床設(shè)備的設(shè)計者，如何有效地提高加工中心設(shè)計、開發(fā)的質(zhì)量與效率，顯得尤其重要?，F(xiàn)以四軸臥式加工中心為例，探討一下如何利用好計算機輔助工具，在機床總體設(shè)計階段，進行高效、高質(zhì)量、低成本的四軸臥式加工中心開發(fā)工作。

1 四軸臥式加工中心結(jié)構(gòu)特點

1.1 常見的結(jié)構(gòu)布局方式

四軸臥式加工中心一般具有三個移動坐標軸(X/Y/Z)，和一個分度轉(zhuǎn)臺或數(shù)控轉(zhuǎn)臺(B軸)，可加工工件的各個側(cè)面;也可作多個坐標的聯(lián)合運動，以便加工復(fù)雜的空間曲面。工件配以合適的夾具，在四軸臥式加工中心上一次裝夾后，可完成銑、鏜、鉸、攻絲和輪廓的粗、精加工。因此，四軸臥式加工中心被廣泛地用于汽車、工程機械、模具、泵體閥門、輕紡機械、工業(yè)縫紉機、五金工具等各種類型的機械加工行業(yè)中的復(fù)雜零件加工、多品種加工。

四軸臥式加工中心的結(jié)構(gòu)布局有多種形式，如立柱式固定式、工作臺固定式、兩者混合式［3-6］。具體配置方式參看下面圖1。

圖1 臥式加工中心的布局

其中，(d)方式中，主軸箱在立柱上實現(xiàn)Y移動，而立柱完成Z向移動，工作臺完成X向移動，其上的轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)B軸轉(zhuǎn)動。這種布局可以避免大尺寸工作臺在溜板兩端極限位置發(fā)生翹曲和大溜板加工困難的問題，同時也可以減少溜板和結(jié)構(gòu)上的多層情況，有利于提高機床的精度，特別適合大、中型零件的加工。下面就以此類型為例，具體說明。

1.2 本例中全局變量的確定

臥式加工中心的尺寸規(guī)格和系列型譜一般以回轉(zhuǎn)工作臺的邊長為主參數(shù)，常見是 320X320、400X400、500X500、630X630、800X800、1000X1000、1250X1250…單位毫米。本例中，故且用1000X1000的系列型譜，進行特征建模。

2 Inventor中四軸臥式加工中心的總體設(shè)計

2.1 Topdown方式中關(guān)鍵問題的處理

用Inventor中的“項目”工具，創(chuàng)建設(shè)計文件的保存路徑(文件夾);通過“新建”按鈕，激活“新建文件”對話框，在此對話框中，選擇“*.iam”格式(一般用米制Standard.iam)，從而進入 Inventor的“組件”設(shè)計環(huán)境。此時的“組件”環(huán)境，類似于“產(chǎn)品開發(fā)部”。

根據(jù)四軸臥式加工中心的總體布局，在組件環(huán)境中，使用“創(chuàng)建”按鈕，分別創(chuàng)建各個機床零部件的節(jié)點。參見下面圖2。

圖2 組件環(huán)境下的總體布局模型樹

由于臥式加工中心的尺寸規(guī)格、型譜是以回轉(zhuǎn)工作臺的邊長為主參數(shù)，所以整個加工中心就以回轉(zhuǎn)工作臺的幾何特征為驅(qū)動源，即：把“回轉(zhuǎn)工作臺”作為機床型譜結(jié)構(gòu)變化中，控制全局的零件。故模型樹的頂層節(jié)點(父節(jié)點)確定為回轉(zhuǎn)工作臺(參見圖2)，工作臺下的X滑座、床身、立柱、主軸箱等，依次關(guān)聯(lián)創(chuàng)建，將來就可以跟隨變化。

2.2 建立全局變量并進行關(guān)聯(lián)驅(qū)動

激活“回轉(zhuǎn)工作臺”，啟動“參數(shù)”對話框，建立全局變量：臺長=1000，臺寬=1000，臺高=150。另外，工作臺上的T型槽是由其標準結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作臺尺寸關(guān)聯(lián)確定的，所以也作為關(guān)聯(lián)特征變量，給予賦值。類似考量，回轉(zhuǎn)工作臺底部回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的直徑，也予以賦值。具體參看下面圖3。以上這些數(shù)值將在回轉(zhuǎn)工作臺模型創(chuàng)建過程中，直接用以驅(qū)動相關(guān)草圖或特征。

回轉(zhuǎn)工作臺模型創(chuàng)建完成之后，再依次激活其下的X滑座、床身、立柱、主軸箱等零部件，根據(jù)臥式加工中心上這些零部件之間的結(jié)構(gòu)、拓撲關(guān)聯(lián)性，并借助Inventor平臺中的“跨零件投影參考、衍生”［7-8］等技術(shù)，以“自上而下(TopDown)”方式，設(shè)計、建立可以按照系列型譜變化的、尺寸規(guī)格可以控制的機床總體布局特征模型——四軸臥式加工中心。

圖3 主要的全局變量示例

可以看出，四軸臥式加工中心的系列型譜如果需要變更，只需修改幾個全局變量即可，而無需手工進行各個零部件的重建。

2.3 非幾何特征的輸入

產(chǎn)品開發(fā)過程，是一個工程信息的不斷確定與充實過程。此過程中，對于實際產(chǎn)品而言，除了幾何信息之外，還有大量的非幾何信息：材料、供應(yīng)商、批準者、各個零部件設(shè)計小組(授權(quán))、任務(wù)發(fā)布等等，這些信息在產(chǎn)品的詳細設(shè)計階段和實際生產(chǎn)階段，將被參照、落實。如：進一步對機床總體進行CAE工作時，各個零部件詳細的物理、機械性能信息，是必不可少的;在產(chǎn)品的組織生產(chǎn)中，將是各個相關(guān)部門重要的BOM信息(如：供應(yīng)部門的“采購BOM”，組裝車間“裝配BOM”等等)。

Inventor中，上述非幾何信息(產(chǎn)品非幾何特征)的原始輸入，可以從iProperties對話框中添加。具體實例，參看圖4。

圖4 非幾何特征信息示例

2.4 四軸臥式加工中心總體布局數(shù)字化模型的組裝

在Inventor組件環(huán)境，通過Topdown方式，借助加工中心各個零部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以分別設(shè)計、確定回轉(zhuǎn)工作臺、X滑座、床身、立柱、主軸箱等的具體結(jié)構(gòu)和尺寸——幾何信息，也可以確定各類非幾何信息。這是一個加工中心正向開發(fā)、設(shè)計流程。此流程中，可以確定加工中心各個專門零部件的關(guān)聯(lián)性工程信息，并自然地形成一臺四軸臥式加工中心雛形，但不是一個較真實反映加工中心總體布局的數(shù)字化模型。而要創(chuàng)建一個接近真實的四軸臥式加工中心數(shù)字化模型，則需要通過“裝配”工作，才能實現(xiàn)。

這一過程，同樣還是從Inventor的“組件”環(huán)境開始，不過此時進入的“組件”環(huán)境，類似實際生產(chǎn)中的“裝配車間”。“裝配車間”的主要工作就是，遵循裝配工藝規(guī)程要求，把已經(jīng)準備好的各個零件部件，組裝成產(chǎn)品。這是一個自底而上(BottomUp)的過程。在Inventor中，通過點擊“放置”按鈕，激活“裝入零部件”對話框，來依次選擇合適的加工中心零件部(包括大量的標準件);通過點擊“約束”按鈕，激活“放置約束”對話框，把加工中心各個零件部，正確地組裝起來。

在Inventor的“裝配車間”——“組件”環(huán)境內(nèi)，進行四軸臥式加工中心的組裝工作中，需要注意兩個關(guān)鍵問題。首先，要盡可能地遵循實際裝配工藝規(guī)程要求。如：從“零件”到“總成”，共有5個層級;裝配的第一個零件應(yīng)該是基準件。對于加工中心，基準件就是床身。其次，對于四軸臥式加工中心，要考慮設(shè)計平臺——Inventor中的“原始坐標系”與“機床坐標系”的一致性問題。下面圖5展示的就是Inventor中最終組裝完成的四軸臥式加工中心總體布局圖，同時，也給出了不合適的空間布局圖，以作對比。

圖5 Inventor中機床模型正誤對照

裝配完成后，可以用Inventor的工具進行裝配關(guān)系、干涉方面的檢查。但針對四軸臥式加工中心所配置的CNC控制器，各個零部件的運動協(xié)調(diào)性如何?運動行程極限夠嗎?轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角?……等等，諸如此類與數(shù)控技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)的問題，Inventor設(shè)計環(huán)境是無法解決的。因此，有必要借助Vericut平臺來完成。

3 用Vericut對加工中心進行CNC運行驗證

Inventor作為一個集成的設(shè)計平臺，功能模塊確實已經(jīng)很多了，但對數(shù)控加工中心這類產(chǎn)品來講，簡單的裝配關(guān)系檢查、干涉檢查是遠遠不足以評價加工中心將來能否勝任實際需求的?？赡苡凶x者會說，Inventor中還有“運動仿真”模塊和“應(yīng)力分析”模塊可以用來預(yù)判加工中心實際運行時的好壞與否。但是，這類CAE問題的三大處理步驟中，第1步就是要確定“工況條件”，而加工中心工作時，其運動就是由“CNC控制器”讀取、執(zhí)行“數(shù)控程序”來驅(qū)動的。這是CAE的前置工作。所以，必須把加工中心“機床本體”與“CNC控制器”之間能否協(xié)調(diào)問題預(yù)先確定，才可以進行深入的CAE工作。至于后續(xù)CAE工作具體如何展開，筆者將另外撰文闡述。

下面第4、5兩點，將詳細闡述：Vericut平臺中，四軸臥式加工中心“機床本體”在特定“CNC控制器”下，運行協(xié)調(diào)性的驗證方法與關(guān)鍵問題。

4 把機床“設(shè)計模型”轉(zhuǎn)換成“驗證模型”

4.1 把“特征模型”從Inventor中輸出

這一工作中，關(guān)鍵有三點：

第1，運動零部件，必須分別輸出。無相對運動關(guān)系的，可以合并輸出。如機床床身底座和刀庫基座，盡管是物理分開的，但可以一次選中，同時輸出。

第2，所有獨立輸出的零部件，其坐標系都統(tǒng)一選擇Inventor“組件”環(huán)境的“頂層坐標系(父坐標系)”，即機床坐標系。

第3，輸出的格式，一般用“* .stl”，并分別給出合適的文件名。

4.2 在Vericut中導(dǎo)入并創(chuàng)建CNC“驗證模型”

這一步，有下面關(guān)鍵三點：

第1，首先在Vericut的項目樹(Project Tree)中，創(chuàng)建好四軸臥式加工中心模型樹。此模型樹的各個“節(jié)點”分別代表著四軸臥式加工中心上相應(yīng)的零部件，其從屬關(guān)系必須與實際機床總體布局(如圖1中d)完全一致。下面圖6就是四軸臥式加工中心的“模型樹”。

第2，從模型樹的各個節(jié)點下，分別輸入前面已經(jīng)導(dǎo)出的相對應(yīng)的機床零部件“*.stl”模型文件。由于前面特征模型輸出時，使用了統(tǒng)一的“機床坐標系”，此時，各個零部件幾何模型被輸入后，一般不需要進行“位移”和“旋轉(zhuǎn)”設(shè)置;每個模型輸入時，外觀上最好賦予不同的顏色，以示區(qū)分。

第3，所有模型文件導(dǎo)入后，實質(zhì)上就是在Vericut環(huán)境中，創(chuàng)建了驗證所需的機床幾何模型，也即“項目樹(Project Tree)”中的“機床(Machine)”主節(jié)點(參看圖6)。此時，選中該節(jié)點并單獨保存、合適命名為“＊＊＊.mech”文件，同時保存整個項目文件(＊＊＊.vcproject)。

5 Vericut平臺下加工中心的運行與結(jié)果反饋

5.1 運行前的最后準備工作

首先，打開前面保存的項目文件(*.vcproject)，并確保項目樹的機床節(jié)點，是已經(jīng)保存并命名的機床配置文件“＊＊＊.mech”;其次，右擊項目樹頂端控制器(Control)節(jié)點，打開匹配的CNC系統(tǒng)(此處的CNC系統(tǒng)與四軸臥式加工中心將來要配置的系統(tǒng)必須一致)文件。

另外，準備一個需要多側(cè)面加工的零件及完整的數(shù)控程序，以用于四軸臥式加工中心全面的機床運行驗證。筆者準備了一個“閥體毛坯(附著零件)+組合夾具”的實例。該實例的數(shù)控程序可以通過CAM(筆者用了Mastercam)方式編制完成。CAM平臺進行數(shù)控程序編制時所確定的刀具，可以通過CAM平臺與Vericut平臺的無縫接口，傳遞到四軸臥式加工中心的Vericut模型樹中［9-12］，成為刀庫(Tooling)節(jié)點;而CAM平臺中，通過適當后處理(針對匹配的CNC控制器)形成的完整數(shù)控程序，可以被導(dǎo)入到模型樹的“數(shù)控程序(NC Programs)”節(jié)點;“閥體毛坯、閥體零件、組合夾具”，用第5點闡述的方法導(dǎo)入到機床模型樹的相應(yīng)節(jié)點，分別是：毛坯(Stock)設(shè)計模型(design)夾具(Fixture)。

最后，注意把編程原點等設(shè)置、調(diào)整正確。下面圖7，是帶工件、夾具、刀具的加工中心模型樹和驗證模型。

圖7 加工中心模型樹和驗證模型

5.2 執(zhí)行仿真并反饋以及加工中心的設(shè)計改進

(1)使用MDI方式，查看四軸臥式加工中心機械本體與CNC控制器之間的基本協(xié)調(diào)性。如，檢查三向移動行程極限和B軸轉(zhuǎn)角極限有否問題。圖8顯示的便是Vericut中的MDI操作情況。

(2)運行前面已準備的閥體三個法蘭面加工程序，看機床開機加工過程中，是否有各種可能的碰撞發(fā)生，進一步判讀碰撞是否是由于總體布局不合理引起的。圖9就是Vericut中開機(Play)全面運行的操作。

圖8 Vericut中的MDI操作

圖9 Vericut中開機運行操作

6 結(jié)論與展望

在Inventor設(shè)計平臺，以設(shè)計師自然的思考方式——自上而下地設(shè)計、創(chuàng)建四軸臥式加工中心總體布局的特征模型，進一步在Vericut環(huán)境中，通過機床加工運行模擬，來驗證機床機械本體與CNC之間的協(xié)調(diào)性，可以更加高效、高質(zhì)量、低成本地進行多軸加工中心的設(shè)計、開發(fā)工作。另外，最終正確的加工中心總體布局模型也可以提供給加工中心終端用戶，幫助其更好地使用該機床設(shè)備。

實際推廣使用時，根據(jù)企業(yè)具體情況，可以采取下面一些對策：①加工中心尺寸規(guī)格改變時，只需調(diào)整全局驅(qū)動變量，如：臺長*臺度*臺高;②加工中心CNC系統(tǒng)不同，只需調(diào)整Vericut模型樹中的“控制器(Control)”節(jié)點;③加工中心細化設(shè)計階段，進一步考慮加工過程中的切削力、磨損、振動等深層次運動學(xué)和動力學(xué)問題以及由此對加工中心精度、壽命等產(chǎn)生的各種影響問題，即：用計算機進行加工過程的運動學(xué)和動力學(xué)分析——CAE，可以在此基礎(chǔ)上展開。

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