基于NCSIMUL的軸流泵葉輪五軸仿真加工技術(shù)*

黃新棟，古遠(yuǎn)明

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000)

0 引言

軸流泵主要應(yīng)用于污水處理工程、電站、農(nóng)田灌溉及船舶工程等領(lǐng)域，葉輪作為軸流泵的核心部件，形狀復(fù)雜，加工難度大，對(duì)精度和表面質(zhì)量的要求高[1]。葉輪零件目前通常在五軸數(shù)控銑削機(jī)床上完成加工。在UG NX CAM提供了葉輪類的程序編寫模塊，對(duì)于簡(jiǎn)單的葉輪零件可以直接按照模塊中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。但軸流泵葉輪形狀復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)軌跡僅憑經(jīng)驗(yàn)及軟件提供的刀路可視化驗(yàn)證功能很難判斷出程序的正確性和仿真結(jié)果能否滿足加工要求。NCSIMUL是法國(guó)公司開發(fā)的應(yīng)用最廣泛的專業(yè)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，能仿真各種數(shù)控系統(tǒng)后置處理的NC程序，仿真過程包括機(jī)床模型輸入、程序驗(yàn)證、機(jī)床仿真加工、程序優(yōu)化等[1]。通過NCSIMUL軟件建立與實(shí)際五軸加工相同的數(shù)控機(jī)床、夾具及切削刀具，模擬刀具切削零件的全過程，檢查零件是否存在過切或殘留余量等情況，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，修改優(yōu)化程序，保證零件切削過程的可靠性和程序的正確性[2]。

1 構(gòu)建數(shù)控機(jī)床三維模型

基于UG NX創(chuàng)建機(jī)床各部件的實(shí)體模型，對(duì)各個(gè)部件模型進(jìn)行裝配，搭建機(jī)床模型，設(shè)置機(jī)床原點(diǎn)坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，最后將機(jī)床各個(gè)部件的實(shí)體模型保存為NCSIMUL支持的PRT或XT格式文件。以新代DU350數(shù)控機(jī)床(圖1)為例，構(gòu)建虛擬數(shù)控機(jī)床各部件模型，如圖2所示，其主要機(jī)床參數(shù)見表1。

圖1 新代DU350五軸數(shù)控機(jī)床

1-床身；2-Z軸；3-主軸；4-X軸；5-Y軸；6-B軸；7-C軸

表1 新代DU350五軸數(shù)控機(jī)床主要參數(shù)

2 NCSIMUL數(shù)控加工仿真流程

搭建虛擬數(shù)控加工仿真環(huán)境是進(jìn)行加工過程仿真、預(yù)測(cè)和驗(yàn)證加工問題的前提和基礎(chǔ)[4]。因此要在NCSIMUL仿真環(huán)境下進(jìn)行零件仿真加工，首先需要在NCSIMUL的TRAINING NCSIMUL SOLUTIONS的工作窗口中搭建虛擬數(shù)控加工環(huán)境。NCSIMUL數(shù)控機(jī)床模擬仿真流程為：

(1) 打開NCSIMUL2021.1數(shù)控加工仿真系統(tǒng)；

(2) 新建仿真模擬項(xiàng)目；

(3) 安裝設(shè)置(導(dǎo)入CAD模型，添加毛坯等元素)；

(4) 添加構(gòu)建的五軸數(shù)控機(jī)床，選擇已創(chuàng)建的刀具庫(kù)或創(chuàng)建切削刀具；

(5) 初始化參數(shù)(定義編程坐標(biāo)原點(diǎn)G54～G59等)；

(6) 添加NC加工程序；

(7) 仿真模擬播放；

(8) 檢查加工結(jié)果，修改和優(yōu)化加工程序，重新仿真模擬，仿真結(jié)束；

(9) 程序現(xiàn)場(chǎng)加工。

運(yùn)用NCSIMUL2021.1數(shù)控加工仿真系統(tǒng)進(jìn)行加工仿真，仿真流程如圖3所示。

圖3 NCSIMUL仿真模擬加工流程

3 搭建軸流泵葉輪零件仿真加工環(huán)境

以粵港澳大灣區(qū)五軸加工技術(shù)樣題“軸流泵葉輪”零件為例，根據(jù)零件二維圖(見圖4)，使用UG軟件建立軸流泵葉輪的三維圖形(見圖5)，根據(jù)加工工藝方案編制數(shù)控加工程序(見表2)，通過搭建NCSIMUL仿真加工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)加工程序的仿真模擬加工。

圖4 軸流泵葉輪二維圖(單位： mm)

1-葉片；2-凸臺(tái)；3-基座

表2 軸流泵葉輪加工工藝方案

啟動(dòng)NCSIMUL2021.1軟件，新建模擬仿真項(xiàng)目，選擇TRAINING NCSIMUL模塊，進(jìn)入軟件界面，如圖6所示，在NCSIMUL工具欄窗口的“安裝”工具到“ISO程序”工具，搭建軸流泵葉輪表面粗糙度為1.6 μm的仿真加工環(huán)境。

圖6 NCSIMUL工具欄窗口界面

(1) 安裝設(shè)置。導(dǎo)入需要銑削仿真加工的CAD模型(用與仿真結(jié)果比較的軸流泵葉輪三維模型、用于仿真過程切除材料的毛坯體、用于固定裝夾的平口鉗夾具)，定義仿真過程中需要的毛坯、工件、夾具以及加工坐標(biāo)系。[5]利用UG NX軟件構(gòu)建軸流泵葉輪仿真加工所需CAD模型的裝配體，如圖7所示，節(jié)省了搭建仿真加工環(huán)境的時(shí)間。

圖7 CAD模型裝配體

(2) 搭建DU350五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床仿真環(huán)境。單擊工具欄添加機(jī)床按鈕，導(dǎo)入已經(jīng)搭建好的DU350五軸數(shù)控機(jī)床(見圖8)，添加到機(jī)床庫(kù)中，單擊OK確定按鈕，完成了虛擬五軸數(shù)控機(jī)床仿真環(huán)境的搭建。

圖8 搭建DU350機(jī)床仿真環(huán)境

(3) 創(chuàng)建刀具列表。為了精確模擬加工切削過程，需要?jiǎng)?chuàng)建與實(shí)際加工一致的刀具。[5]單擊使用刀具列表中的創(chuàng)建刀具列表，創(chuàng)建所需的刀具；或者單擊使用刀具列表，直接調(diào)用之前使用的刀具，如圖9所示，建立軸流泵葉輪仿真加工過程所需要的刀具，并保存到刀具庫(kù)中，方便下次使用，完成刀具列表的創(chuàng)建。

圖9 刀具庫(kù)列表

(4) 建立加工坐標(biāo)原點(diǎn)。加工坐標(biāo)原點(diǎn)與程序編制時(shí)的加工坐標(biāo)一致，這里默認(rèn)為G54坐標(biāo)。單擊工具欄中的功能工具進(jìn)行初始化設(shè)置，原點(diǎn)設(shè)置為編程時(shí)的加工坐標(biāo)，同時(shí)勾選改變?cè)c(diǎn)定義，定義了軸流泵葉輪零件的加工坐標(biāo)。

(5) 導(dǎo)入刀位文件。利用UG NX編制軸流泵刀路軌跡，選擇后處理生成NC程序(圖10)，單擊工具欄中的ISO程序按鈕，添加后置處理的NC加工程序。[6]

圖10 軸流泵刀路軌跡及NC程序

(6) 仿真模擬加工。當(dāng)載入仿真加工所必要的要素(毛坯、零件、機(jī)床及程序等)無(wú)誤后進(jìn)行初始化。調(diào)入NC程序后，NCSIMUL加載過程中會(huì)自動(dòng)對(duì)行程、刀具及加工時(shí)間等進(jìn)行顯示，有錯(cuò)誤和報(bào)警信息會(huì)在下面的信息欄中提示。單擊工具欄中的仿真按鈕進(jìn)行程序的仿真加工，仿真過程錯(cuò)誤信息提示欄中沒有信息提示，即完成了仿真模擬加工，如圖11所示。

圖11 仿真模擬加工界面

4 仿真加工結(jié)果質(zhì)量檢測(cè)

由于五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中，運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，單憑編程經(jīng)驗(yàn)很難發(fā)現(xiàn)零件是否存在干涉或過切的現(xiàn)象，難以判斷零件加工結(jié)果是否能準(zhǔn)確反映原設(shè)計(jì)模型。[7]因此，需要對(duì)軸流泵葉輪零件的仿真結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。在NCSIMUL軟件中單擊菜單欄中的測(cè)量工具，可以測(cè)量直徑、厚度、半徑及角度等尺寸，選項(xiàng)卡會(huì)顯示具體的測(cè)量信息。單擊菜單欄中的仿真工具，選擇“比較”彈出“比較參數(shù)”對(duì)話框(見圖12)，可以通過對(duì)比的顏色判斷零件是否存在過切，或者有殘留余量，顯示紅色或者藍(lán)色說(shuō)明存在過切和毛坯殘留的現(xiàn)象，如加工零件為綠色說(shuō)明加工精度符合質(zhì)量要求。圖13， 14依次為軸流泵葉輪零件仿真加工自動(dòng)比較結(jié)果，效果為綠色，說(shuō)明仿真加工結(jié)果程序無(wú)誤，達(dá)到零件加工精度要求，加工程序可以用于現(xiàn)場(chǎng)加工。

圖12 比較參數(shù)對(duì)話框

圖13 工位一“自動(dòng)比較”結(jié)果

圖14 工位二“自動(dòng)比較”結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用UGCAM模塊編制軸流泵葉輪零件數(shù)控加工程序，以企業(yè)常用的新代DU350五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為例，通過NCSIMUL搭建虛擬數(shù)控機(jī)床仿真加工環(huán)境，仿真驗(yàn)證了軸流泵葉輪零件NC加工程序的正確性。[7]將UG NX編程軟件與NCSIMUL仿真加工軟件相結(jié)合，應(yīng)用于軸流泵葉輪零件的數(shù)控仿真加工中，保證了操作人員和數(shù)控機(jī)床的安全性，有效提高了零件的加工效率，同時(shí)為企業(yè)編程人員搭建仿真加工環(huán)境和模擬仿真數(shù)控加工程序提供參考。