基于NCSIMUL的轴流泵叶轮五轴仿真加工技术*

黄新栋，古远明

(河源职业技术学院，广东 河源 517000)

0 引言

轴流泵主要应用于污水处理工程、电站、农田灌溉及船舶工程等领域，叶轮作为轴流泵的核心部件，形状复杂，加工难度大，对精度和表面质量的要求高[1]。叶轮零件目前通常在五轴数控铣削机床上完成加工。在UG NX CAM提供了叶轮类的程序编写模块，对于简单的叶轮零件可以直接按照模块中的参数进行设置。但轴流泵叶轮形状复杂，其运动轨迹仅凭经验及软件提供的刀路可视化验证功能很难判断出程序的正确性和仿真结果能否满足加工要求。NCSIMUL是法国公司开发的应用最广泛的专业数控加工仿真系统，能仿真各种数控系统后置处理的NC程序，仿真过程包括机床模型输入、程序验证、机床仿真加工、程序优化等[1]。通过NCSIMUL软件建立与实际五轴加工相同的数控机床、夹具及切削刀具，模拟刀具切削零件的全过程，检查零件是否存在过切或残留余量等情况，能及时发现问题，修改优化程序，保证零件切削过程的可靠性和程序的正确性[2]。

1 构建数控机床三维模型

基于UG NX创建机床各部件的实体模型，对各个部件模型进行装配，搭建机床模型，设置机床原点坐标系为参考坐标系，最后将机床各个部件的实体模型保存为NCSIMUL支持的PRT或XT格式文件。以新代DU350数控机床(图1)为例，构建虚拟数控机床各部件模型，如图2所示，其主要机床参数见表1。

图1 新代DU350五轴数控机床

1-床身；2-Z轴；3-主轴；4-X轴；5-Y轴；6-B轴；7-C轴

表1 新代DU350五轴数控机床主要参数

2 NCSIMUL数控加工仿真流程

搭建虚拟数控加工仿真环境是进行加工过程仿真、预测和验证加工问题的前提和基础[4]。因此要在NCSIMUL仿真环境下进行零件仿真加工，首先需要在NCSIMUL的TRAINING NCSIMUL SOLUTIONS的工作窗口中搭建虚拟数控加工环境。NCSIMUL数控机床模拟仿真流程为：

(1) 打开NCSIMUL2021.1数控加工仿真系统；

(2) 新建仿真模拟项目；

(3) 安装设置(导入CAD模型，添加毛坯等元素)；

(4) 添加构建的五轴数控机床，选择已创建的刀具库或创建切削刀具；

(5) 初始化参数(定义编程坐标原点G54～G59等)；

(6) 添加NC加工程序；

(7) 仿真模拟播放；

(8) 检查加工结果，修改和优化加工程序，重新仿真模拟，仿真结束；

(9) 程序现场加工。

运用NCSIMUL2021.1数控加工仿真系统进行加工仿真，仿真流程如图3所示。

图3 NCSIMUL仿真模拟加工流程

3 搭建轴流泵叶轮零件仿真加工环境

以粤港澳大湾区五轴加工技术样题“轴流泵叶轮”零件为例，根据零件二维图(见图4)，使用UG软件建立轴流泵叶轮的三维图形(见图5)，根据加工工艺方案编制数控加工程序(见表2)，通过搭建NCSIMUL仿真加工环境，实现加工程序的仿真模拟加工。

图4 轴流泵叶轮二维图(单位： mm)

1-叶片；2-凸台；3-基座

表2 轴流泵叶轮加工工艺方案

启动NCSIMUL2021.1软件，新建模拟仿真项目，选择TRAINING NCSIMUL模块，进入软件界面，如图6所示，在NCSIMUL工具栏窗口的“安装”工具到“ISO程序”工具，搭建轴流泵叶轮表面粗糙度为1.6 μm的仿真加工环境。

图6 NCSIMUL工具栏窗口界面

(1) 安装设置。导入需要铣削仿真加工的CAD模型(用与仿真结果比较的轴流泵叶轮三维模型、用于仿真过程切除材料的毛坯体、用于固定装夹的平口钳夹具)，定义仿真过程中需要的毛坯、工件、夹具以及加工坐标系。[5]利用UG NX软件构建轴流泵叶轮仿真加工所需CAD模型的装配体，如图7所示，节省了搭建仿真加工环境的时间。

图7 CAD模型装配体

(2) 搭建DU350五轴联动数控机床仿真环境。单击工具栏添加机床按钮，导入已经搭建好的DU350五轴数控机床(见图8)，添加到机床库中，单击OK确定按钮，完成了虚拟五轴数控机床仿真环境的搭建。

图8 搭建DU350机床仿真环境

(3) 创建刀具列表。为了精确模拟加工切削过程，需要创建与实际加工一致的刀具。[5]单击使用刀具列表中的创建刀具列表，创建所需的刀具；或者单击使用刀具列表，直接调用之前使用的刀具，如图9所示，建立轴流泵叶轮仿真加工过程所需要的刀具，并保存到刀具库中，方便下次使用，完成刀具列表的创建。

图9 刀具库列表

(4) 建立加工坐标原点。加工坐标原点与程序编制时的加工坐标一致，这里默认为G54坐标。单击工具栏中的功能工具进行初始化设置，原点设置为编程时的加工坐标，同时勾选改变原点定义，定义了轴流泵叶轮零件的加工坐标。

(5) 导入刀位文件。利用UG NX编制轴流泵刀路轨迹，选择后处理生成NC程序(图10)，单击工具栏中的ISO程序按钮，添加后置处理的NC加工程序。[6]

图10 轴流泵刀路轨迹及NC程序

(6) 仿真模拟加工。当载入仿真加工所必要的要素(毛坯、零件、机床及程序等)无误后进行初始化。调入NC程序后，NCSIMUL加载过程中会自动对行程、刀具及加工时间等进行显示，有错误和报警信息会在下面的信息栏中提示。单击工具栏中的仿真按钮进行程序的仿真加工，仿真过程错误信息提示栏中没有信息提示，即完成了仿真模拟加工，如图11所示。

图11 仿真模拟加工界面

4 仿真加工结果质量检测

由于五轴联动加工过程中，运动轨迹复杂，单凭编程经验很难发现零件是否存在干涉或过切的现象，难以判断零件加工结果是否能准确反映原设计模型。[7]因此，需要对轴流泵叶轮零件的仿真结果进行检测。在NCSIMUL软件中单击菜单栏中的测量工具，可以测量直径、厚度、半径及角度等尺寸，选项卡会显示具体的测量信息。单击菜单栏中的仿真工具，选择“比较”弹出“比较参数”对话框(见图12)，可以通过对比的颜色判断零件是否存在过切，或者有残留余量，显示红色或者蓝色说明存在过切和毛坯残留的现象，如加工零件为绿色说明加工精度符合质量要求。图13， 14依次为轴流泵叶轮零件仿真加工自动比较结果，效果为绿色，说明仿真加工结果程序无误，达到零件加工精度要求，加工程序可以用于现场加工。

图12 比较参数对话框

图13 工位一“自动比较”结果

图14 工位二“自动比较”结果

5 结语

本文利用UGCAM模块编制轴流泵叶轮零件数控加工程序，以企业常用的新代DU350五轴联动数控机床为例，通过NCSIMUL搭建虚拟数控机床仿真加工环境，仿真验证了轴流泵叶轮零件NC加工程序的正确性。[7]将UG NX编程软件与NCSIMUL仿真加工软件相结合，应用于轴流泵叶轮零件的数控仿真加工中，保证了操作人员和数控机床的安全性，有效提高了零件的加工效率，同时为企业编程人员搭建仿真加工环境和模拟仿真数控加工程序提供参考。