凸球面拋光后置處理和虛擬仿真技術研究*

崔海龍，周 林，張云飛，周丹晨

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

0 引言

近年來，重大光學工程、光刻機系統(tǒng)及強激光武器等，對光學球面等復雜曲面元件的超精密加工提出了很高的需求，傳統(tǒng)拋光技術已經難以滿足這些元件的加工要求。磁流變拋光是近二十年來興起的一種先進光學制造技術，利用磁流變拋光液的可控流變特性進行加工，克服了傳統(tǒng)的光學零件加工方法效率低下、加工質量難以控制等缺點，提供了一種準確控制去除量的確定性拋光策略，可以精確的控制拋光后的光學零件面形，并保證低粗糙度的表面加工質量和微小的工件亞表面損傷。

在復雜曲面柔性拋光技術中，拋光頭不僅要實現(xiàn)法向等間距加工，還要精確控制各軸的運動速度，同時要規(guī)避與工裝、工件的干涉、碰撞現(xiàn)象。因此，多軸聯(lián)動通用后置處理和仿真技術是復雜曲面柔性拋光的共性關鍵技術。國外針對復雜曲面多軸聯(lián)動數控加工通用后置處理研究較早，并已形成商業(yè)化的軟件，如Pro/Engineer、MasterCAM、UG 等，這些軟件的專業(yè)后置處理系統(tǒng)各有所長，在實際應用中取得了不錯的效果。但是，復雜曲面柔性拋光對精度要求較高，拋光頭定位精度要求控制在亞微米級，針對復雜曲面的加工要求，商業(yè)軟件仍有一定的局限性。國內哈爾濱工業(yè)大學在超聲波磁流變復合拋光面形誤差修正技術研究中，利用UG/CAM 的加工功能自動生成了可用于五軸拋光裝置的NC 代碼，并利用IS＆V 軟件集成仿真驗證了該代碼的正確性，但是整個求解過程十分繁瑣，精度受限。

針對現(xiàn)有國內外研究中的不足，本文以五軸四聯(lián)動機床為對象，基于UG 和VERICUT 軟件，展開多軸聯(lián)動后置處理和仿真技術研究。首先建立柔性拋光機床模型和工件模型，并導入拋光軌跡，再根據機床的三維模型、機床運動模型及相應的控制系統(tǒng)進行后置處理得到數控程序。由于UG/CAM 系統(tǒng)在生成刀具軌跡的過程中沒有考慮拋光輪與工裝、拋光輪與工件以及機床的具體結構等問題，因此需要通過虛擬加工仿真來確保數控程序的正確性和加工過程的安全性。由于磁流變拋光機床的拋光頭不是常見的機械加工刀具，因此需要在仿真過程中對刀具進行專門建模，才能得到準確的仿真結果，當仿真結果與預期相符合時，就可以導出數控程序進行實際加工［1-3］。

目前，還沒有專門的研究人員針對復雜曲面柔性磁流變拋光仿真技術展開研究。本文基于VERICUT軟件，模擬了整個加工過程，檢測了加工過程中的碰撞干涉現(xiàn)象，驗證了數控加工程序和UGPost 后處理器的正確性［4-6］。

1 凸球面拋光后置處理

1.1 磁流變拋光原理

磁流變拋光原理如圖1 所示，將含有一定濃度微細磨料的磁流變液注入拋光區(qū)域，同時在該區(qū)域施加可控的高梯度磁場，在磁場的作用下，此區(qū)域的磁流變液產生流變效應，其表觀粘度在毫秒級時間內迅速增大，在拋光輪表面形成類固體狀的拋光工具，由拋光輪帶動，在流體動壓的作用下實現(xiàn)材料去除。

圖1 磁流變拋光原理

1.2 基于螺旋線算法的凸球面拋光方法

本文選用平底為φ100mm 的凸球面工件，球面半徑為200mm，工件中心厚度為30mm。磁流變拋光時走螺旋線軌跡(相對工件，刀具的合成軌跡是螺旋線)，如下圖所2 所示。紅色的拋光斑是磁流變拋光磨頭處于其中心點時的去除率分布，可以將其理解成一個刀具。

以球面的頂點為坐標原點，建立工件坐標系，工件坐標系x軸正方向為機床軸Y-方向，y軸為機床軸X-方向，z軸正方向為機床運動軸Z+方向，則運動軌跡表示為:

其中，r，θ 分別為拋光頭在工件坐標系(XOY 平面)中的極坐標，定義如圖所示，r=kθ 表示拋光軌跡為阿基米德螺旋線，k 為常數;R為工件球半徑。

本文選用五軸四聯(lián)動機床(X、Y、Z、B、C運動;X、Z、B、C聯(lián)動)進行磁流變拋光，其運動關系如圖3 所示，其中Y軸僅用于在拋光頭與工件之間的定位，拋光加工時工件朝X-向運動，同時C軸繞著Z軸作旋轉運動，B軸繞著Y軸擺動，拋光頭僅需要調節(jié)Z軸高度。在不考慮C軸作旋轉運動的情況下，拋光頭相對于工件在作圓弧曲線運動，在考慮到C軸作旋轉運動的情況下，拋光頭相對于工件的運動軌跡實際上就是凸球面上的螺旋線。

1.3 基于UG/CAM 生成刀位軌跡

合理的刀位軌跡是保證拋光質量的關鍵，本文選用UG/CAM 進行自動數控編程，在NX 8.0 的加工刀具中沒有磁流變拋光專用的拋光頭，因此需要用球頭銑刀近似模擬拋光頭生成刀位軌跡，其參數如圖4 所示。

圖4 拋光刀具參數

完成拋光刀具的設置后，選擇可變輪廓精銑，按照極角間隔θ =π/180 自動生成各軌跡點，螺旋線軌跡間距為1mm，刀軸始終垂直于部件，最后生成的刀軌如圖5 所示。

圖5 拋光用刀位軌跡

1.4 利用UG/Post Builder 實現(xiàn)NC 代碼生成

UG/CAM 軟件只是按照相對運動原理進行刀位軌跡計算，而不會考慮具體機床的運動關系和指令格式，因此還需要通過后置處理把UG/CAM 計算所得的刀位軌跡數據轉換成具體機床的程序代碼，才能進行實際拋光。本文采用UG 自帶的后置處理和制作機床描述信息模塊(UG/Post Builder)，選擇機床模型為立式帶BC 旋轉工作臺的五軸數控銑床，控制系統(tǒng)為sin840d，設置X、Y、Z三軸的極限都為1000mm，最大進給速度設為1000r/min，線性精度為0.001mm。將配置好的后置處理文件添加至模板文件，最后在UG/CAM中選擇相應的后置處理文件就能夠生成拋光用的NC代碼。

2 凸球面拋光虛擬仿真

由于CAM 軟件在生成數控程序的過程中并沒有考慮機床的具體結構和工件的裝夾方式，因此通過CAM 軟件所生成的數控加工程序并不一定適合實際的加工環(huán)境，需要通過虛擬加工仿真來確保數控程序的正確性和加工過程的安全性。本文選用VERICUT軟件進行仿真，VERICUT 不僅可以模擬多種軟件生成的刀位文件、NC 代碼文件，同時支持機床運動仿真，可以有效檢驗數控程序的正確性，發(fā)現(xiàn)潛在的欠切與過切、干涉、碰撞、超程等問題。

2.1 機床仿真模型構建

本文在構建機床時沒有創(chuàng)建實際仿真過程中不需要的機床外殼、控制系統(tǒng)操作面板等部件。拋光使用的機床有兩大傳動鏈，主軸傳動鏈依次為Y→Z→A→Spindle→Tool，工件傳動鏈依次為Base→X→B→C→Fixture→Stock。

在定義好機床運動關系之后，還需要給每個組件添加模型。在UG NX8.0 中按照實際尺寸繪制機床各部件三維實體模型，然后通過輸出接口以組件的形式導入到VERICUT 中，添加幾何模型過程中可以設置模型的基點、顯示顏色和相對位置。最后得到機床模型如圖6 所示。

圖6 虛擬仿真機床模型

2.2 拋光刀具模型構建

由于磁流變拋光機床的拋光頭不是常見的機械加工刀具，因此需要在仿真過程中對刀具進行專門定義，在UG 中進行三維實體建模后，在VERICUT 刀具管理模塊中進行刀柄、刀片和裝夾點定義，最后得到拋光刀具模型如圖7 所示。

圖7 拋光刀具模型

2.3 仿真結果分析

建立好機床模型和拋光刀具模型后，加載sin840d.ctl 作為仿真控制系統(tǒng)，設置毛坯上表面中心為坐標原點，調入刀具模型和拋光NC 程序，選擇從Tool 到坐標原點進行加工，仿真過程如圖8 所示。

圖8 凸球面拋光仿真過程

在圖9 中綠色表示工件表面已經完成有效拋光，橘黃色表示工件表面未進行有效拋光，紅色表示工件表面與拋光頭發(fā)生碰撞。圖9a 表示工件沒有進行拋光前的狀態(tài);從圖9b 中可以明顯看出工件表面存在大量未進行有效拋光的區(qū)域，說明拋光軌跡有一定的局限性;從9c 中可以明顯看出工件表面發(fā)生大面積的碰撞，說明后置處理生成的NC 程序存在明顯錯誤;圖9d 表示整個凸球面都完成了有效拋光，且無碰撞現(xiàn)象發(fā)生，驗證了本文規(guī)劃的刀位軌跡的有效性和后置處理生成的NC 程序的正確性。

圖9 凸球面拋光仿真結果

3 結論

(1)基于螺旋線的軌跡算法，在UG/CAM 規(guī)劃了凸球面拋光過程的刀具軌跡。

(2)運用UG/Post Builder 配置五軸四聯(lián)動機床的后置處理文件，并將刀位軌跡轉化為數控程序。

(3)完成了虛擬機床和拋光刀具的建模，利用VERICUT 軟件實現(xiàn)了凸球面拋光過程的仿真。仿真結果能夠有效檢測拋光過程中的碰撞問題，并驗證了本文規(guī)劃的刀具軌跡的可行性。

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