基于NX的龙门加工中心船用柴油机机体仿真加工技术研究

杨天锋，杨帆，田锐敏，符博峰，杨武刚，杨平，郭怀亮，许鲁江

（陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713100）

0 引言

船用柴油机机身为大型箱体类零件，其结构复杂、加工要素多，因此在加工过程中需要频繁变换机床附件和刀具，其中涉及到复杂空间运动关系，因而在生产中很容易发生刀具或附件与工件碰撞的情况。目前，行业通常的作法是采用手工编程并现场试切，但这会占用机床大量工作时间导致加工效率低下；同时，试切过程中若操作工反应不及时存在碰撞的风险。针对该问题，基于NX软件强大的仿真功能并通过研究二次应用，给出有效的解决途径（如图1）。

图1 仿真流程

1 龙门加工中心虚拟平台搭建

本文举例的数控机床为大型龙门加工中心机床（型号为XXAG，数控系统为西门子840DSL）。在NX环境下通过建立加工系统模型并定义运动关系，实现龙门加工中心机床虚拟平台搭建。

1.1 加工系统建模

在NX建模环境下依据龙门加工中心机床组件及附件头几何数据建立1:1加工系统模型。

1）机床组件模型建立。

龙门加工中心机床由X、Y、Z直线轴和2根旋转轴构成。根据龙门加工中心机床工作原理，确定基本的功能组件：X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、W轴组件和机床基座，组件模型如图2所示。

图2 机床各组件结构图

2）机床附件及功能。

附件头为8个，命名为ATT_NO=1....8。各附件（如图3）主要应用加工对象如下：1号附件，加工机体类零件四周侧面及孔系；2号附件，加工机体类零件顶面及孔系；3号附件用于AC轴拟合，进行多空间角度加工，C轴精度为0.1°，A轴精度为0.1°；4号、6号附件针对狭小空间的孔系，主要加工调节孔及涨管孔；5号附件，加工机体类零件凸轮轴孔；7号附件加工机体类零件曲轴孔；8号附件加工V型机体类零件缸孔。

图3 龙门加工中心附件示意图

3）机床及附件的装配。

在NX装配环境下，通过添加组件模型，添加配对、对齐等约束实现装配。要求X、Y、Z、W轴组件应位于机床行程正极限位置参考点处，并设置各轴的方向与WCS坐标轴方向保持一致，最终装配效果如图4所示。

图4 机床装配示意图

1.2 加工系统运动关系创建

在机床构造器模块中创建运动模型，该模型定义了机床各部件之间的运动关系，定义了各个运动轴的名称、方向和行程（如图5）。

图5 龙门加工中心运动关系树

1）在NX机床构造器模块下，设置运动轴先后关系，X→Y→W→Z→主轴spindle→刀库pocket。

2）建立机床组件→1～8号附件头→主轴spindle→刀库pocket。

3）设置X、Y、Z、W、A、C各轴极限位置数值。其中C轴为0°～360°，A轴为-180°～180°。

4）插入机床主轴spindle，设置刀具联接点S*，位于A轴端面刀具与主轴联接处，创建刀具几何装配坐标系，将X轴沿刀具轴线指向刀尖。

5）检查各轴的参数设置，运行测试，以3号附件A轴为例，代码如下：

2 附件后处理

以ATT_NO=3附件头为例,使用PostBuild工具，定制3号附件后处理文件，注意各轴定义的输出地址必须和机床运动学模型定义的轴名称一致。利用TCL语言调用附件补偿值变量（如图6），设置第4轴C轴中心到第5轴A轴中心偏置值，然后设置各轴极限值（如图7）。在后处理器中勾选“创建VNC控制器”选项，参数设置如图8所示。

图6 ATT_NO=3附件长度补偿值

图7 后处理配制参数图

图8 创建VNC控制器

设置TCL语言核心变量如下：

3 柴油机机体加工系统仿真

以某型机身凸轮轴孔（关键孔系）加工为例，凸轮轴孔位于机体侧面腔内，机床附件需要进出窗口逐挡加工，因此需要选用专用附件才能加工。本文选用5号附件进行仿真加工。

1）在NX CAM环境下调用钻孔模块：建立坐标系框架，定义主坐标系与局部坐标系关系（如图9），设置调用刀具。窗口中主坐标系MCS_Main用途中选择主要，局部坐标系MCS用途中选择局部选项，特殊输出选择坐标系旋转选项。

图9 主坐标与局部坐标系关系

2）选择钻孔命令，在避让选项中分别设置From点、StartPoint点、ReturnPoint点、Gohome点，并设置钻孔顶面、底面、转速、进给主要加工参数，生成刀路仿真轨迹（如图10）。

图10 刀路轨迹及仿真加工图

3）在NX CAM环境下调用5号附件根据刀轨仿真，分析附件与工件的干涉、碰撞，调整间隙，优化刀具长度约为115 mm。干涉与碰撞分析示意图如图11所示。

图11 干涉与碰撞分析示意图

4）运用5号附件后处理孔加工策略，生成G代码，利用重复指令REPEAT优化程序结构如下：

4 柴油机机体加工现场验证

经生产现场综合验证虚拟环境下机床附件干涉检测、刀具长度补偿的优化，实现快速刀具装夹加工机体，减少试切，其提升效果突出，随后将该技术应用到公司在制的多型柴油机机身加工中，均取得良好的效果。公司本年度生产机身上百台，再未发生刀具或附件与工件碰撞的情况，机床加工效率提升约15%。

5 结论

通过在NX环境下的大型龙门加工中心加工仿真虚拟平台的搭建和应用，取代了行业传统的试切法，避免了碰撞问题的发生，实现了复杂工况下的自动编程，生产效率较以往有了大幅度提高。