基于模块化装配结构的精密拉刀数控成形磨床磨削仿真研究

张胜利，洪 军，王中胜,2，刘万普，屈佳敏

（1. 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049；2. 西安飞机国际航空制造股份有限公司 数控加工中心，西安 710089；3. 陕西秦川机械发展股份有限公司，宝鸡 721009）

基于模块化装配结构的精密拉刀数控成形磨床磨削仿真研究

张胜利1，洪 军1，王中胜1,2，刘万普1，屈佳敏3

（1. 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049；2. 西安飞机国际航空制造股份有限公司 数控加工中心，西安 710089；3. 陕西秦川机械发展股份有限公司，宝鸡 721009）

0 引言

在现代设计和制造中，虚拟仿真加工运用越发普遍。不管是新型机床的加工验证（如徐彦伟等的螺旋伞齿轮铣床[1]）还是对新加工方案的实验（如Chenhua SHE等提出的五轴后处理方法[2]）都首先采用仿真方法进行实际应用前的验证。较之传统试切法，计算机仿真加工通过计算机软件对加工过程和机床运行状态进行模拟，实时检测加工过程中可能存在的过切、干涉、碰撞等错误，同时实现代码的优化。这样可以缩短产品生产周期，降低风险和成本，提高编程效率和加工质量。

虚拟仿真加工具有其不可替代的作用，而VERICUT作为机床控制模拟系统的娇娇者，为CAD/CAM产品市场和用户提供了最佳的数控机床加工仿真工具[3]。本文运用该软件进行拉刀磨削的仿真验证研究。现有仿真工作主要针对对象为车削和铣削，因为机床结构特殊、磨削原理和运动控制较复杂，磨削加工的仿真相对少且存在一定难度，因此有必要进行拉刀磨削的仿真验证。同时拉刀的设计精度高，工艺要求严格，磨削方法较复杂，制造成本相应高，利用仿真软件对拉刀磨床进行仿真加工验证为拉刀的生产提供了可靠保障，有其重要意义和优势。

1 拉刀磨床模块划分及特征分析

仿真实验要求构建的虚拟磨床不仅具有与实际机床类似的外观，而且其结构和运动形式也要与实际机床相同。所以在虚拟机床构建前必须先对实际机床的结构和运动特性进行分析，本文从模块划分和运动轴配置两方面进行。

1.1 模块划分

拉刀种类多样，且各类拉刀需要磨削的部位不尽相同。为了满足不用类型、不同加工部位以及不同尺寸规格的拉刀磨削用户需求，在设计时对磨床进行模块化数字设计。首先依据机床的结构和功能特性进行模块划分，然后对划分好的模块进行属性定义形成系统的机床模块库，最后把系列化的各功能模块进行配置搭建出满足需求的产品。这样配置出的基于模块化结构的精密拉刀磨床采用面向对象的设计原理，能够满足多样化的功能、规格需求，构建柔性、适应性大。本磨床模块划分结果如图1所示。

图1 磨床模块划分

1.2 运动轴配置

图2 机床结构简图

本精密拉刀数控成形磨床的简要结构如图2所示。在实际加工过程中各磨削工序功率需求跨度大，选用的砂轮直径大小迥异。如，为了避免齿间干涉，铲背时选用的砂轮直径较小，而在进行拉刀廓形磨削时，为了提高磨削效率采用的砂轮直径较大相应的需要主轴电机功率也大。因此设计两个砂轮主轴以满足各磨削工艺要求。同时，拉刀磨削过程中砂轮廓形需要进行修整以保证精度，为了降低修整前后砂轮重复定位对精度的影响，设计两轴向相互垂直的修整器。使用时选用砂轮转动角度小的修整器，以达到重复定位误差最小化的目的。这样使得机床的轴数比较多，不仅需要X、Y、Z三个方向上的移动，还必须保证A、B、C转轴的定位精确。同时，各砂轮修整器上须附一可控转动轴。

在磨削拉刀过程中需要的各运动轴联动关系如表1所示。

表1 轴联动配置

综上，B轴、C轴属于辅助调整轴，只需实现准确定位。X轴、Y轴、Z轴以及定位轴A需要保证联动。A轴需同时具有转动轴和定位轴的功能。

2 虚拟磨床构建

各模块在功能和结构上具有一定的独立性，根据模块划分原则建立虚拟磨床各功能基础部件。同时，为了实现各系列拉刀磨床的仿真验证，在配置机床时根据划分模块及几何和运动链关系进行全功能拉刀磨床搭建。其流程如图3所示。

图3 虚拟机床构建流程

在进行机床模型导入时需要对实际整机CAD模型进行必要的简化、零件抽取、模块划分、布尔运算等并进行格式转换以完成基础部件的拆分重组。然后进行机床运动学分析，研究获得各运动轴父子关系，进而构建机床运动结构树，如图4所示。

图4 虚拟机床结构树构建

虚拟机床结构树构建完成后，需要对控制系统中有别于通用NC编码模块的指令进行配置。本机床采用SIEMENS 840D 数控系统，进行机床数控系统配置时需要根据西门子编程手册对NC代码中用到的某些指令进行声明和定义。分别在vericut/configuration下的word format和word/address中进行相应操作。配置结果如图5所示。在定义指令时，数控编码的功能实现有两种方式，一为宏指令库的选取，另一为子程序的编制调用。两方式各有优缺，根据实际指令要求择优选用。

图5 数控系统指令配置

在建立砂轮库和工件毛坯时，需特别注意砂轮在拉刀磨削过程中作为刀具使用，而在自身修整过程中则转变为工件。需要建立不同的setup来实现砂轮功能角色的变化。

通过以上各步骤建立的虚拟磨床效果如图6所示。

图6 虚拟磨床

3 仿真与验证

该拉刀磨床能实现方拉刀、圆拉刀（包括螺旋圆拉刀）的前刃面、后角、廓形的磨削和齿背铲磨以及砂轮的成形和修整。对各加工工序进行仿真验证，以保证工艺及NC加工代码的正确性。磨床各轴摆角角度以及廓形路径的计算和编程比较复杂，为本系统验证的重点。以下对它们的验证方案和结果做详细介绍。

3.1 主轴摆角验证

由图4的机床运动轴父子关系图可知，C轴为B轴父项，在加工过程中C轴转动会影响B轴的摆角。因此在处理拉刀前角、后角、齿背等需要B、C两轴同时准确定位的工序时，拉刀参数、砂轮的空间轴向以及B、C两轴摆角三者间的计算转换关系非常重要，直接影响加工后拉刀的相关尺寸。

以拉刀前刃面磨削为例。该加工需要获得精确的前角、刃倾角、齿距等几何参数以及保证各齿磨削量均匀分布[4]。磨削后的工件尺寸可以由仿真软件下Analysis/X-Caliper中的分析模块测得。然后把测量结果同设计值进行比较，然后分析误差，验证结果。

图7 方拉刀前刃面磨削

如图7所示的方拉刀的设计尺寸由表2给出。令选用碟形砂轮，其外沿直径为200mm，计算得C轴摆角为-12.26 ，B轴摆角为78.27 。刃磨前角后测得前刃面与水平面夹角为-12°，前刃面与拉刀前端面法向夹角为102°。简单的几何推导后可证得，仿真加工形成前角12°，刃倾角12°，同时测得各齿齿距、齿升量均同设计值一致。该结果证实了B、C主轴摆角计算正确。

表2 方拉刀参数

同理针对普通圆拉刀和螺旋圆拉刀前刃面磨削，给出设计参数如表3进行仿真加工，仿真效果分别如图8和图9所示。

图8 圆拉刀前刃面磨削

图9 螺旋拉刀前刃面磨削

表3 拉刀参数表

其他涉及磨床主轴摆动的加工工序所运用的摆角计算方法和原理相同，所以给出前角磨削的仿真即可验证摆角计算的正确性。

3.2 复杂廓形验证

对于复杂廓形拉刀，由于拉刀前角、齿升量、刃倾角等的存在，拉刀设计廓形同采用的砂轮廓形间存在较复杂的转换关系。为了验证加工程序所采用的转换算法，对该部分进行仿真验证。

3.2.1 砂轮廓形验证

首先进行砂轮廓形加工仿真，如图10所示。加工出的廓形需要同预期设计廓形进行对比。通过Append Component/Design添加设计模块，然后在Add Model/Create Resolve/Import DXF中导入理论砂轮廓形并构建设计模型。砂轮毛坯加工完成后，使用Analysis/AUTO-DIFF把它同设计模型进行过切和欠切检测，并可以根据检测报告查看详细结果如图 11所示。

图10 砂轮成形

图11 欠切过切检测设置及报告

3.2.2 拉刀廓形验证

进行拉刀廓形磨削时选用设计和修正两种廓形的砂轮进行磨削。各砂轮廓形如图12所示。这样可得到修正前后拉刀廓形的对比结果，进而验证NC代码和修正算法的准确性。拉刀廓形磨削需要的相关参数如表4所示。并且为了突出廓形改变，取廓形路径升角为5°。

图12 砂轮廓形

表4 拉刀参数

廓形磨削仿真效果如图13所示。因为只进行廓形验证，该仿真简化了加工模型，忽略拉刀的一些附属结构。

为了得到拉刀磨削后的廓形，需要把加工后的cut stock导出，然后通过CAD软件进行路径方向投影。投影结果如图14所示。经过分析可知，未经廓形修正导致的拉刀最大廓形误差为3.38mm，经廓形修正后廓形最大误差为0.006mm。廓形最大高度为65.86mm，则它们相对最大高度的误差分别为：

可见NC代码中的廓形修正计算是必要的也是精确的，砂轮廓形修正后能够满足加工精度要求。

图13 廓形磨削

图14 砂轮磨削后投影廓形

3.2.3 齿背磨削验证

图15 拉刀铲背

在后角磨削或铲背时通常会留出一定宽度的刃带以利于切削的卷曲和排出，同时在一定程度上提高刀刃的强度[5]。如果直接用拉刀设计廓形对应的砂轮进行后角磨削或铲背，结果如图15所示，可以测得刃带分布不均匀，这对拉刀使用性能影响较大。为了得到均匀的刃带，经过分析计算，对砂轮廓形进行修正，修正后磨削效果如图16所示，测知刃带沿前刃均匀分布。说明齿背磨削采用的砂轮廓形修正算法正确，能够保证刃带均匀。

图16 刃带分布不均匀

图17 刃带分布均匀

4 结论

经过以上各研究工作得到精密拉刀数控成形虚拟磨床，仿真验证了拉刀前角、后角、廓形的磨削和铲背以及砂轮的成形和修正过程。构建的仿真环境能满足仿真要求。

此外，由以上实验方案可知，对于磨床主轴摆角及各轴运动轨迹的正确性需要通过测量拉刀加工后的相关尺寸来进行验证，拉刀廓形的验证需要对加工后的拉刀进行投影然后对比理论廓形续而分析误差，而对拉刀铲背的验证则可以通过观测刃带分布来判断所采用砂轮的廓形是否合理。这些验证方法在本文的验证工作中起到了较好的效果。

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[4]何耀雄,向华,周云飞,周济.拉刀重磨数控加工系统的研究[J].高技术通讯,2002(2):73-77.

[5]何林,夏文胜,等.砂轮姿态对锥度球头立铣刀前刀面刃带宽度的影响研究[J].机械设计与制造,2010,232(06):154-155.

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Grinding simulation research for precise formed broach cnc grinder based on modularized assembly structure

ZHANG Sheng-li1, HONG Jun1, WANG Zhong-sheng1,2, LIU Wan-pu1, QU Jia-min3

针对精密拉刀数控成形磨床功能结构、尺寸规格以及工艺需求多样的特点，在对拉刀磨床进行模块化装配结构设计的基础上，进行计算机虚拟仿真实验，以验证数控加工代码及磨削工艺的合理性，同时取得拉刀磨削仿真验证方法。复杂六轴四联动磨床磨削运动复杂，控制要求高，通过分析其结构特征以及运动控制特性，构建出能处理多种类型拉刀的前角、后角、廓形、齿背以及砂轮的成形和修整的虚拟磨床。然后通过对仿真结果的分析，包括对仿真试件加工后的几何尺寸测量、刃带及投影廓形的比较等，获得加工后各拉刀参数，让其同设计指标比较，分析误差来源寻找解决方法，最终完成仿真验证实验。仿真结果表明本文构建的仿真环境合理，验证方案正确，能够满足模块化装配结构的拉刀磨床的仿真要求。

拉刀；数控磨削；仿真；验证

张胜利（1986 -），男，硕士研究生，研究方向为数字化产品开发与制造。

TH164

A

1009-0134(2011)5(上)-0001-06

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).01

2010-12-26

“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项资助项目（2009ZX04001-132）；国家高技术研究发展计划(863)基金资助项目（2009AA04Z147）；国家自然科学基金重点项目（50935006）