UG五轴侧铣S件

研究生CAD/CAM综合实验报告专题题目：五轴联动机床精度测评技术与标准学号：SX1305202姓名：洪伟松联系方式：15150676011评定成绩：南京航空航天大学2014年5月21文献综述1.1背景与需求航空业被称为工业皇冠，飞机气动布局要求决定了飞机的外形，因此飞机很多都是双曲度外形，随着制造业对加工精度及速度要求的迅猛提高，及数控技术本身的飞速发展，对于这些具有复杂几何形状和高尺寸精度的机械零部件，业界开始逐步使用五轴数控加工中心，以满足具有复杂形状的机械零部件的加工要求，例如汽车模具，航空发动机等。五轴联动机床增加了两个旋转自由度，多自由度必然使得机床结构和控制系统变得更加复杂，由此带来了五轴联动数控复杂的加工运动轨迹，影响零件最终加工的因素也增加许多，因此研究分析具体哪些误差体现在相应的测量精度上显得尤为重要。针对五轴机床的精度检测已逐渐成为国内外的研究热点和难点，成为影响产品加工质量及效率的关键。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状历来大多数行业标准都是由欧美发达国家制定的。围绕传统数控机床工作精度的检验，美国NAS979（国家航宇标准）制订了“圆形—菱形—方形”试件切削实验（简称试切法）标准[1]。试切法通过四种方式分别检验机床沿X坐标的直线度:X、Y、Z坐标相互之间的垂直度：数控插补的直线度、圆度以及X-Y平面上孔的位置精度等项目。另外，此法根据数控机床各坐标的行程范围，确定切削试件的相应尺寸。这样规定是因为传统机床各坐标的误差与行程之间为线性映射，因而利用小尺寸试件检验大行程的工作精度具有合理性。利用试切法检测机床工作精度，对试件精度检验实验条件要求高，实验周期较长，且因大多数切削运动沿X-Y平面进行，并未评价X-Z、Y-Z平面的精度，故无法评估传统数控机床的所有性能。最新的国际机床检验标准推荐用球杆仪检验法取代NAS979试切法，对机床工作精度进行迅速而有效的检测。31982年美国人发明了球杆仪，其测量原理源自机床的圆度及圆柱度测量方法[2]。后来参照国际ISO标准于1988年制定的数控机床定位精度测量方法标准，以及1990年该标准在“无负荷精加工条件下的机床几何学精度测量方法”修订版中追加的关于“圆度和圆柱度的测量方法”，球杆仪的配套软件使用功能得到进一步优化。在硬件方面，英语的RENISHAW公司的产品最为高精尖，其分辨率可达到0.1um，图1为该公司开发的球杆仪系列探针；而日本京都大学在配套软件方面的研究则较为深入。图1球杆仪探针1.2.2国内研究现状西安交通大学与成飞合作，在五轴铣削加工精度预测系统进行了不少研究[3]。彭炼，彭雨等将多个误差综合考虑起来进行加工精度的分析与预测，提出了基于多体系统理论建立工艺系统综合误差模型的统一方法,对工艺系统综合误差模型的计算机映射方式进行了详细研究,并在VS2010与OpenGL的平台上开发了具有可视化交互界面的五轴铣削加工精度预测系统,可在加工前对零件的加工精度进行预测。该预测系统的总体结构如图2所示。4图2系统总体结构北京工业大学的胡建忠[4]对五轴数控机床运动误差辨识及加工精度预测也进行了一定研究。他在斜置锥台的运动误差辨识与加工精度预测研究的基础上，提出一种基于锥台曲面特征的五轴机床误差分离方法，并建立了锥台的五轴联动加工运动误差模型，图3为他他们实验使用的五轴机床圆锥台加工简图。根据该模型进行了锥台侧面的圆度误差仿真分析，从仿真结果可以看出锥台侧面圆度受各个运动误差项的影响程度并不同，角度误差一般比平移误差的影响程度大很多。同时针对锥台侧面的加工精度进行五轴机床运动误差分离的研究，利用非线性回归分析方法分别推导出基于锥台侧面圆度误差和基于锥台侧面母线斜角误差的运动误差的最小二乘估计值。5图3五轴机床圆锥台加工简图湖南大学的杨旭静与加拿大康卡迪亚大学机械及工业工程系的陈泽忠[5]对五轴数控加工中旋转轴运动的非线性性误差做了一定研究。他们针对五轴数控加工中旋转轴的运动，分析采用线性插补方式控制两个旋转轴进行加工时刀具姿态变化引起的原理性误差，进一步研究不同加工情况下由此产生的在垂直于走刀方向的平面内的非线性误差。通过分析旋转轴运动过程中线性插补引起的刀轴偏差角，证明刀具在相邻两刀位点运动过程的中间时刻处刀轴偏差角取得最大值，并得到由该最大值的显式表达式，在此基础上分析最大偏差角的影响因素。提出通过限制相邻两刀位点间刀轴夹角来控制此非线性误差的方法，并给出实例验证，图4为他们使用Vericut软件得到的仿真结果。图4Vericut仿真结果6成飞的彭志军[6]等人在总结车间实际加工经验的基础上一种五轴联动机床动态精度检测及优化方法。他在首先进行机床静态精度的调整，然后使用S形试件来对机床加工精度的合格性进行检验，图5为他们使用的S件，该方法是由中国成飞集团的牟文平提出来，并在国际标准上获得了一定认可，现已被列标准草案进一步讨论。基于S件测量结果及机床五轴联动（RTCP）精度检测，搜寻并分析存在问题的驱动轴，通过编制特定程序并测量机床运动轨迹，在对轨迹进行频域分析、圆度分析的基础上，完成机床机械结构和动态性能参数的调整，进而提升机床动态精度。通过在20多台五轴联动数控机床上应用，大幅提高了机床的加工精度，提高了主机厂的加工效率。图5加工检测用S件1.3小结机床制造技术是朝着高精度、高速度、高效率、智能、环保和复合六大方向发展的。纵观近几年在国内的各种大型的数控机床展会上，无一不验证着这样的趋势。我们也看到了高精度是排在了六大趋势首的。机床的加工精度是衡量机床整体性能最重要的指标之一，而机床精度的测评正是为了提高数控机床加工精度而展开的。制造技术日新月异，五轴数控机床也更加地普及，在国内的各大主机显得尤为明显。由于人们对生产效率的不断追求，各种方便快捷的机床精度检测仪器和测量方法的应用也越来越多。在这样的背景下，由机床用户提出了一种新测量方案——S试验件，并在国际标准大会已经成为草案。本文7的第二部分将着重于该S件的建模，并选取合适的工艺方案，仿真其在五轴数控机床上的加工轨迹，并生成相应的NC代码。参考文献[1]张云.一种基于RTCP功能的五坐标动态精度检测工具[J].制造技术与机床,2012,11:92-94.[2]商鹏.基于球杆仪的高速五轴数控机床综合误差建模与检测方法[D].天津大学,2008.[3]彭炼,丁国富,朱绍维,彭雨,&马术文.(2014).五轴铣削加工精度预测系统开发研究.中国机械工程,25(5).[4]胡建忠.五轴数控机床运动误差辨识及加工精度预测技术研究[D].Diss.北京工业大学,2010.[5]杨旭静,周元生,陈泽忠,&王伏林.(2012).五轴数控加工中旋转轴运动引起的非线性误差分析及控制[J].机械工程学报,48(3),140-146.[6]彭志军,刘大炜,宋智勇.一种五轴联动机床动态精度检测及优化方法[J]制造技术与机床.2013,(8):35-382专题作业2.1建模过程2.1.1毛胚建模毛胚底面草图如图6所示图6毛胚底面对草图进行厚度为31mm的拉伸操作，如图7所示图7毛胚底部以拉伸后长方体上表面为草图基准面，进行S件毛胚料形状进行建模，其中间作图过程如图8所示。9图8S件毛胚形状草图对图8进行相应的裁剪操作得到S形最终形状，其相关尺寸见图9图9S形毛胚最终形状对图9草图进行相应的拉伸操作，毛胚最终模型如图10所示。10图10毛胚最终形状2.1.2S检验件建模CATIA样条线如图11所示，可以看出该类型样条线的定义点是经过样条线，而不是方案要求的控制点，如图11所示。图11CATIA样条线同时CATIA中只能通过扫掠间接得到，通过测试，该命令得到的直纹面并不能完全在两端点生成直纹曲线，如图12所示。而UG不仅可以生成通过控制点的样条曲线，而且还可以直接生成直纹面，加之后面用CATIA进行五轴侧铣，一直无法得到很好的刀轨，因此后来S件零件及加工仿真都采用UG8.0来完成。11图12CATIA生成的扫掠面端点情况使用UG建立样条曲线【Insert】【Curve】【StudioSpline】，选择“ByPoles”类型，如图13（左）所示，并通过红色矩形框内的【点构造器】依次输入S件方案中的控制点数据，最终四条样条曲线如图13（右）所示。图13生成样条曲线生成直纹面【Insert】【MeshSurface】【Ruled】，依次选择对应的样条曲线，12如图14所示，同理可以生成第二个直纹面。图14生成直纹面生成平面的边界，由于要生成实体，因此需要将上述步骤生成的直纹面给封闭起来，首先需要为构建平面创造边界线，如图15所示。图15边界线生成边界之后，就可以生成通过边界线生成平面【Insert】【Surface】【Boundedplane】，如图16所示，先把四条边界。同理创建另一个侧面和上下底面。13图16生成边界平面缝合，在UG中如何缝合好的曲线是完全封闭，则自动生成实体模型，而无需像CATIA还需生成封闭曲面，首先【Target】先把上表面，【Tool】选择与上表面相信的四个面（两个侧面，两个直纹面），如图17所示；最后再将下表面与刚刚缝合的曲面缝合，即得到S件。图17缝合曲面最终S件成形如图18所示。图18S件14如何毛胚与S件的坐标系先把合理，可以大大简化装配的难度，尤其是在复杂装配体上。毛胚与S件的装配比较简单，最主要是X坐标与Y坐标的距离偏置，先将S件上表面与毛胚上表面相合，然后通过移动使S件能够融入毛胚两侧面，再施加距离约束，最终装配结果如图19所示。图19装配零件2.2工艺方案材料先采用UG材料库已经拥有的铝合金6061，【Tools】【Materials】【AssignMaterials】如图20所示。图20赋予材料15毛胚底面为平面，并以该面为基准面进行S件的五轴侧铣。选择直径为20mm，工作长度为50mm的立铣刀，首先切换到加工环境，然后创建刀具【Insert】【Tool】，如图21所示。图21创建工具在半精加工时切削深度选择10mm，如图22所示。而精工时因为只留了1mm所以选择深度方向一次切削完成。图22半精工多深度铣削半精加工选择在侧铣面偏置6mm基础上一次铣削1mm，如图23（左）所示；精加工选择在侧铣面偏置1mm基础上一次铣削0.2mm图23（右）所示。16图23侧铣多层铣削由于S件直纹面与侧面曲率变化较大，如果两个面一起侧铣，无法生成正常的刀轨，同时为了切削参数的统一，使用侧铣依次铣削：侧面-直纹面-侧面-直纹面。先半精加工（预留1mm余量，多深度加工，多层加工），最后精加工(多层加工)，具体工艺参数见上文。2.3数控编程及仿真以一个直纹面为例，介绍UG五轴侧铣命令的使用。首先切换到【加工】模块，选择五轴侧铣，如图24所示点击左下角的【几何视图】，双击【操作导航器】的【MCS】进行加工坐标系的指定，如图25所示。图24加工方法确定17图25加工坐标系指定双击【操作导航器】的【WORKPIECE】进行毛胚，工件（S件）的指定，如图26所示。图26工作对象指定创建具体工序【Insert】【Operation】，【Geometry】选WORKPIECE,【Floors】选S件底面，【Walls】选择直纹面，选择【ContourProfile】、【ToolAxis】、【SwarfBase】(侧刃驱动)，如18图27轮廓铣设置具体的工艺参数在工艺方案已经给出，可点击图27的【CuttingParameters】进行设置，如图28可对切削深度及切削层数进行设置。图28切削参数设置数控编程生成刀轨，及加工仿真，可通过【工序】操作最下面的工具条实19现，左边红框为生成刀轨，右边则为加工仿真，如图29所示。图29动作工具条左侧面半精工（预留1mm，多层加工，多深度加工）前直纹面半精工（预留1mm，多层加工，多深度加工）20右侧面半精工（预留1mm，多层加工，多深度加工）后直纹面半精工（预留1mm，多层加工，多深度加工）21精加工（多层加工）3