数控加工仿真开题报告参考

二、立论依据1、课题的研究目的和意义VERICUT软件[1,3]是美国CGTech公司研制开发的，它是程序验证、机床仿真、程序优化软件领域公认的全球技术领导者。该软件的基本思想就是在进行真实的加工之前，尽可能真实的在虚拟的环境里模拟加工整个过程和加工的结果，避免在真实的加工中出现零件的过切、欠切，避免发生机床碰撞，保护机床和刀具，消除安全隐患、替代试切，并最大程度的优化NC程序、延长刀具使用寿命，提高加工效率和加工质量。从1988年起，VERICUT在全球已经成为了数控虚拟加工行业的标准，广泛应用于航空航天、汽车、模具、重工业、教育培训等行业，满足从两轴到多轴的数控虚拟加工。1995年进入中国市场，现在已经发展到了VERICUT7.2版本。所谓多轴加工[4]就是多坐标加工，它与普通的二坐标平面轮廓加工和点位加工、三坐标曲面加工的本质区别就是增加了旋转运动，或者说多坐标加工时刀轴的姿态角度不再是固定不变，而是根据加工需要随时产生变化。一般而言，当数控加工增加了旋转运动以后，刀心坐标位置计算或刀尖点的坐标位置计算就会变得相对复杂。多轴加工可分为：（1）3个直线轴和1～2个旋转轴的联动加工，成为四轴联动或五轴联动加工；（2）1～2个直线轴和1～2个旋转轴的联动加工；（3）3个直线轴和3个旋转轴的联动加工，用作这种加工的机床称为并联虚轴机床；（4）刀轴呈现一定的姿态角不变，3个直线轴作联动加工，称为多轴定向加工。多轴加工的特点：（1）工艺顺序与三轴加工不同。三轴编程和加工顺序：CAD/CAM建立模型→生成刀具轨迹→生成NC代码→装夹零件→找正→建立工件坐标系→开始加工；多轴编程和加工顺序：CAD/CAM建立模型→生成刀具轨迹→装夹零件→找正→建立工件坐标系→根据机床运动关系，刀具长度，机床结构尺寸，工装夹具尺寸以及工件的安装位置等设置后置处理参数→生成NC代码→开始加工。（2）缩短新产品研发周期。对于航空航天、汽车等领域的企业，新产品零件及成型模具形状很复杂，精度要求也很高，因此具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的多轴数控加工中心可以很好地解决新产品研发过程中复杂零件加工精度和周期问题，大大缩短研发周期和提高新产品合格率。（3）编程相对复杂。不论是四轴编程还是五轴编程，相对于两轴轮廓编程和三轴曲面编程都比较复杂，复杂之处在于多轴编程需要考虑零件的旋转或者刀轴的变化。多轴加工数控设备都是由加工程序来控制，加工程序的正确性对于设备来说至关重要。多轴机床由于造价昂贵，对加工程序的准确性和安全性要求更高。在生产实践中，三轴和三轴以下的加工程序可直接通过CAM软件提供的加工仿真功能对刀路进行验证，程序出错机率相对较小。但多轴加工程序为空间坐标点，人工不能验证，CAM软件[2,6]提供的仿真仅对刀具的运动轨迹进行仿真，不能对最终控制机床的加工程序进行验证，即不能对实际的加工过程进行模拟，这样给加工带来极大风险,稍有疏漏，就会给机床和用户造成巨大的损失。加工圆柱凸轮时需要采用四坐标及其以上的数控机床来进行高速铣削加工（属于多轴加工的研究领域），刀具轨迹比较复杂，且加工过程中刀具轴矢量变化控制频繁，因此在进行实际产品加工前，进行数控程序的校对审核是非常必要的。由于多坐标联动高速切削程序量大，许多程序采用手工的方法或者在CAM软件里进行模拟是难以有效的检查数控程序和机床的实际输出是否存在问题。采用VERICUT软件可以很好的节省校对时间，进行真实的模拟加工，VERICUT软件非常真实的模拟机床加工过程中的干涉、过切、进退刀等状况。最具有代表性的典型复杂零件，如柱面槽或柱面凸轮类零件[12-22]、单叶片零件[27-29，49]和整体叶轮零件[30-34]的加工都需要用到多轴加工。对于柱面槽或柱面凸轮类零件的加工需要直线轴和至少一个旋转轴的联动加工。虽然单叶片类零件有时也可以用三轴加工方法加工，但是用多轴加工的效果和质量要优于三轴加工。而整体叶轮零件的加工通常都是用五轴联动的方式加工出来的，因为仅仅用三轴联动的方式避免不了加工中产生的干涉问题。基于上述情况，本课题从理论知识出发，紧密结合实际生产需求，实现学以致用的价值导向。充分利用数控机床和刀具的性能，提高生产效率和合格率，帮助企业降低生产成本，增强企业的核心竞争力，使之在激烈的竞争中处于不败之地。2、国内外研究现状分析数控加工技术作为现代机械制造技术的基础，使得机械制造过程发生了显著的变化。现代数控加工技术与传统加工技术相比，无论在加工工艺、加工过程控制，还是加工设备与工艺装备等诸多方面均有显著不同。我们熟悉的数控机床有X、Y、Z三个直线坐标轴，多轴指在一台机床上至少具备第四轴。通常所说的多轴数控加工是指四轴以上的数控加工，其中具有代表性的是五轴数控加工。多轴数控加工能同时控制四个以上坐标轴的联动，将数控铣、数控镗、数控钻等功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、2镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。随着模具制造技术的迅速发展，对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多轴数控加工技术得到了空前的发展。国外数控机床多轴加工技术发展现状主要表现在以下几个方面：(1)高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业，最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率。(2)最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高3～4倍，同时效率得到大幅度提升。刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。(3)机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化。智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。与普通三坐标加工相比，五坐标可使用大直径的端铣刀加工，使用大的走刀行距，极大提高加工效率，而且加工过程中可对刀具姿态进行控制，始终保持最佳切削状态，从而提高加工效率和质量。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志，其中技术比较突出的厂家有美国优诺发工业有限公司辛辛那提.兰姆机床公司、瑞士的米克朗公司、DIXI公司、斯特拉格公司、瑞典的SAJO公司、奥地利的WFL公司等。由于五轴联动数控技术特殊的地位以及技术上的复杂性，特别是对于电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业和军事工业的重要影响，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术[23-26]对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。五坐标数控加工是实现大型与异型复杂零件高效高质量加工的重要手段，在加工螺旋桨叶、叶轮叶片方面具有重要作用和不可替代的优势。在螺旋桨叶、叶轮叶片的五轴数控加工方面，国内外学者做了大量的工作，取得了丰硕的成果。GeoffreyWVicker[49]早在70年代就研究了用数控机床采用球头刀加工中等尺寸的螺旋桨，他首次提出用计算机辅助计算螺旋桨的表面，螺旋桨各部分曲面和各截面的图形可在图形终端上显示出，而且可以交互修改；刘鸪然[27]把微分几何中曲线与曲面之间的“切触”概念应用于流线型复杂曲面的数控加工，提出用圆柱铣刀和圆锥盘铣刀的外圆在五坐标联动中加工三维自由曲面的最佳切触条件,并据此开发出五坐标联动球头刀以及端铣刀加工弯扭叶片型面的数控软件；张喜明，韩庆瑶[28]用2×3次非均匀有理B样条方法，建立了复杂叶片的数学模型，推导了其三维点和法矢量矩阵表达式，采用迭代算法计算了叶片有允差控制的五坐标数控加工刀路轨迹的数据；赖喜德[29]提出叶片毛坯三维型面测量、计算机辅助自动余量分布计算、叶片加工定位基准与夹具设计、加工区域划分和加工刀具选择，以及叶片精加工后的型面检测等技术，还包括叶片计算机仿真加工过程中，有关五轴刀住计算及刀具干涉检查计算、切削图形仿真及干涉检查、机床仿真及碰撞检查，以及后置处理和加工程序生成等技术。邵锦文[30]为了解决弹用发动机整体式叶轮的数控加工编程,开发了一个专用的弹用发动机整体式叶轮CAD/CAM的应用软件,软件包含叶片CAD造型、叶片刀心轨迹生成、基面的生成、后置处理、自动干涉检查及转角自动设置和刀轨图形显示等功能。提出了一种新的整体式叶轮加工自动干涉检查计算方法。输入叶片设计数据,可生成叶片造型的曲面数据和数控加工NC代码。应用软件完成了某型号产品压气机叶轮的CAD/CAM的工作,试验结果验证了软件的功能和实用性；霍颖，杨茂奎，陈益林[31]对多抽数控加工中无干涉刀位轨迹算法进行了较全面和详细的论述。总结了刀具干涉的类型、干涉的消除算法和刀位优化算法,指出了这些算法存在的优缺点。在此基础上,还指出了刀具干涉处理和刀位优化两方面研究仍存在的问题；贾健明，杨继平，薛亮[32]研究了弹用涡轮发动机轴流式叶轮、离心式叶轮流道数控加工的自适应编程方法，并讨论了和相邻叶片的干涉问题。经过软件仿真，及数控机床加工验证，加工出了合格的叶轮；吴宝海[33]针对自由曲面五坐标端铣加工、侧铣加工以及碰撞干涉分析中的关键技术,综述了近年来自由曲面五坐标数控加工领域刀具轨迹规划技术的研究进展和现状。结合自由曲面数控加工的工程实用性要求,分析了当前研究中存在的不足,指出目前的研究成果在通用性、稳定性和有效性方面尚不能完全满足工程应用,认为自由曲面五坐标数控加工刀具轨迹规划技术的研究应从三维的角度出发,在更为广域的刀具影响空间研究刀具同自由曲面之间的几何啮合关系,同时需要考虑机床的运动学和动力学特性以实现五坐标机床的高速和高效运行；夏佳君，吴志超[34]通过应用NX软件的叶轮加工模块完成整体叶轮加工的自动编程，并基于VERICUT软件实现了米克朗UCP710型五轴加工中心铣削整体叶轮的仿真与优化，提高了加工质量和效率。邹慧君，何有钧，郭为忠[35]研究了空间凸轮两重包络法加工的刀位计算模型，实现了空间凸轮廓面的3非等径无理论误差的加工工艺；郑小光，尹佑盛，梁锡昌[36]给出了在四轴数控加工中心上加工圆柱凸轮的计算方法、图形变换、等距曲线、插补方法、误差分析和编程等；陈立群，沈允文[37]给出了数控加工空间凸轮刀具实际进给速度和编程进给速度之间的关系，在编程中对进给速度进一行修正，使进给速度保持恒定，提高廓面加工质量。凸轮的CAD/CAM研究方面国内外都很活跃,如美国、日本等都有了商品化软件。空间凸轮机构在我国开展研究不过几十年的历史，在各种自动机械中广泛应用也是近几年的事情。从20世纪70年代末开始，天津大学，上海交通大学，吉林工业大学，山东工业大学，合肥工业大学等院校的很多学者在啮合原理、廓面加工、凸轮的动态和静态测试、优化设计以及CAD/CAM等方面作了大量的工作[38-48]，取得了一批研究成果。国外对空间凸轮的加工工艺一直都采取严格的技术保密措施，很少公开发表深层次的论文，有的只是常规加工方法的介绍[50-58]。现在机械产品以小批量、多品种为特征，因此传统的靠模仿形的加工工艺，早已不适合现在的需要，采用数控机床进行凸轮廓面的加工是目前最为理想的选择。现在凸轮机构的设计已经广泛采用计算机进行，采用数控机床进行廓面加工。3、目前国内外研究所存在的问题（1）再购置机床需要大量资金投资，除了机床本身的投资外,还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级,使之适应多轴加工的要求,必须对校验程序进行升级,使之能够对整个机床进行仿