基于PowerMILL的五轴数控机床仿真与应用

2022-03-18王新星任明强梁尚锋黄武杰张爱华曾旭升

模具工业 2022年2期

0 引言

随着国内航空航天、新能源汽车、风力发电等行业的快速发展,机械制造业在产业发展中占比越来越重要。高精尖的数控机床在机械制造业中的应用越来越多，特别是五轴数控机床的引进和自主研发，对提高国内生产技术水平具有重要意义。如保险杆、仪表盘、车灯等汽车模具结构复杂，模具零件精度和表面质量要求高，使用五轴机床加工具有优势。但五轴机床的主轴结构复杂及运动方式灵活，导致加工程序也复杂，数控程序完成后，没有经过仿真机床模拟的程序安全性较低，机床部件容易跟加工的工件或工装夹具发生干涉，造成工件过切或刀具断裂，严重时会造成机床损坏。

PowerMILL是专业的数控加工编程软件，由于其操作智能化且简单易用，不仅三轴编程简单智能，而且三加二轴、五轴联动的编程更智能和安全。在保证多轴程序安全方面，PowerMILL软件带有虚拟仿真机床模拟功能，在编程过程或完成后，直接调用仿真机床模拟刀具路径是否干涉，摆轴角度是否合理或超程等安全问题都可在实际加工前解决，避免机床加工时出现安全事故，造成经济损失。现以双转头五轴数控加工中心为例，介绍五轴机床仿真模型的建立和仿真机床参数设置。

4)雨带由多个处于不同发展阶段、动力和热力结构不同的对流单体组成,对流在近地层形成向南的冷出流与低层西南暖湿气流的持续相互作用,使雨带后部不断有新单体触发,新单体在中层引导气流作用下沿着雨带移动,使雨带维持。

1 机床模型建立

五轴数控机床由3个线性轴（

、

轴）和2个旋转轴（

、

任意2个旋转轴）构成，其中绕

、

的旋转轴分别为

、

轴，相对于传统三轴机床，增加了

、

中的任意2个自由度，如图1所示。常见的五轴机床结构可分为3类：①table-table型(双转台)，该结构优点是刀轴方向不动，2个旋转轴均在工作台上，工件加工时随工作台旋转，承载质量较小，能加工的工件尺寸也较小；②head-head型（双转头），该结构优点是工作台不动，2个旋转轴均在主轴上，机床能加工的工件尺寸较大；③table-head型（一转台一转头），该结构优点是2个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件，主轴摆动，改变刀轴方向灵活。

构建机床模型需要了解机床的结构和技术参数，如工作台大小、主轴大小、各坐标轴行程等，某五轴加工中心主要技术参数如表1所示。

三是运用信息化技术手段。在信息化背景下，要充分发挥信息技术与载体的优势功能，长效推进高校服务型机关党组织建设。利用微信、微博、QQ群、网站留言板等新媒体和网络技术，构建覆盖面更广泛的服务网络，实现服务基层、服务群众全天候、零距离，提升服务工作的时效性和覆盖面。

由于企业提供了STEP格式机床的三维模型，如图2所示，节省了现场测绘的时间，直接导入UG或Powershape软件，将工作台面中心移至世界坐标位置或创建用户坐标，分别将机床各组件输出到指定文件夹，按运动部件名称命名。导出格式可以是STL、IGS等，在导出过程中更改模型公差，可以减小模型尺寸，提高模拟速度。工作台、主轴和其他一些重要部件建议公差值为0～0.025 mm，线性和旋转运动的部分

轴、

轴建议公差值为0～0.05 mm，静态部件、标志、底座、数控控制器和其他静止元件建议公差值为0～0.25 mm，并将所有零部件资料使用Exchange转换器转成*.dmt格式的文件。

根据机床组件树关系创建运动控制文件，其机床主轴head运动部件控制文件内容如下。

2 仿真机床参数设置

启动PowerMILL软件，在机床工具栏上，点击“输入机床模型”，选择.mtd机床运动控制文件，输入已创建的五轴机床模型，再选择工件放置在工作台面上装夹位置的坐标系，确定工件在工作台的位置，打开“查看并调整机床位置”，在手动模式下拖动机床各坐标轴的游标尺，检查各坐标轴移动范围和运动方向是否正确。拖动

轴游标尺让主轴跟工件或夹具进行干涉碰撞，碰撞后显示报警信息如图5所示。经测试各项功能符合实际机床运动和安全防护要求。

机床结构有3个线性轴

、

轴和2个旋转轴

、

轴，需要从加工工件和刀具寻找各运动关系，刀具安装固定在主轴上，加工工件装夹在工作台上。刀具依附在主轴，主轴依附在

轴，

轴依附在

轴，

轴依附在

轴，

轴依附在

轴，由此得出：

轴移动会带动

轴→

轴→主轴→刀具移动；工件依附在工作台，工作台依附在

轴，所以

轴移动会带动工件移动，形成机床部件的加工运动。构建的机床组件关系如图3所示。

传统的土木工程专业应用型本科人才培养注重宽厚的学科理论基础，偏重于基础知识和理论的传授，忽视应用能力的培养。“卓越计划”对实践教学环节的要求是“具有综合运用所学科学理论、分析和解决问题方法和技术手段分析并解决工程实际问题的能力，能够参与生产及运作系统的设计，并具有运行和维护能力”[3]。高等教育强调知识体系系统性，课程体系讲究前后承接，按照毕业生应具有的知识、能力、素质的12条要求，随着工程教育环境的变化以及企业对人才能力需求的变化，人才培养过程中工程实践能力的提高，需要得到重视。

3 仿真应用

创建仿真机床运动控制.mtd文件，一个完整的仿真机床配置*.mtd文件包括6个部分：①机床描述是记录机床制造商、型号、类型、行程、创建人、时间等，让其他人清楚了解机床相关信息，这部分内容起注释作用；②后处理解释器是PowerMILL软件识别配置文件；③附加点的描述（工作台位置点、刀具安装点）table_attach_point是坐标系在工作台的位置，一般设置在工作台面上的中心位置，head_at⁃tach_point是刀具安装在主轴端口的位置；④机床静态部件的描述，如机床底座、门、钣金外壳、显示器等，这部分也可以省略；⑤机床主轴head运动部件的描述是跟主轴有附属关系的组件内容；⑥机床ta⁃ble运动部件的描述是跟工作台有附属关系的组件内容，如图4所示。

其中，为初始半径，C2=2αNrσ2,α是一个常数[9]；ΘC是Y′为中心、C为半径的球体空间内点的集合.

以上述程序建立仿真模拟机床，以实际加工的轴流风叶片工件进行加工程序的模拟仿真，校验刀路的正确性和安全性。利用PowerMILL软件对模型进行半精加工和精加工编程，在编程过程中，模型侧壁直身过高需要在一定角度下加工，创建角度坐标后生成一条清角刀路，使用仿真机床检验分析刀具与模型之间是否干涉，机床主轴部件与模型之间是否干涉，刀具非切削路径进退刀是否合理，机床主轴调整角度后加工工件需要加工的行程范围变大是否超出机床行程范围等，当出现上述问题时要通过调整角度坐标直到合理位置及合适的刀具长度。由于3个轴流风叶片模型都相同，只需要编写一个轴流风叶片刀具路径的程序，其他2个轴流风叶片通过模型中心旋转120°刀具路径即可实现加工，如图6所示。