基于小型结构件的仿真加工技术

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基于小型结构件的仿真加工技术

张亮\\落海伟\\张春2，赵召1

(1.首都航天机械有限公司，北京100076;2.山西平阳重工机械有限责任公司，山西侯马043003)

摘要：以角撑、支座结构件为例，阐述小型结构件的结构特点及加工工艺方案，针对小型结构件数控加工过程中存在的对 刀操作失误、刀具轨迹误差问题展开探讨，应用数控加工全过程仿真技术降低人为操作失误率，预防数控编程过程中存在 的问题。采用斯沃仿真数控软件，通过机床回零、毛坯调用、装载刀具、对刀操作，提前让操作者明确结构件的整个加工过 程;通过调用数控加工程序真实模拟数控加工过程。关键词：角撑;支座;数控编程;仿真加工

中图分类号:TG 659 文献标志码:A

文章编号：1002-2333(2019)02-0159-03

Simulation Processing Technology Based on Small Structural PartsZHANG Liang1, LUO Haiwei\\ ZHANG Chun, ZHAO Zhao'

(1.Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076, China; 2.Shanxi Pingyang Heavy Industry Machinery Co., Ltd., Houma 043003, China) Abstract： Taking the gusset and support structure as an example, the structural characteristics and processing scheme of small structural parts are expounded. The problem of tool setting operation error and tool path error in the NC machining process of small structural parts is discussed. The NC machining full-process simulation technology is used to reduce the human error rate and prevent problems in the NC programming process. Using Swansoft simulation CNC software, the operator can see the entire machining process of the structural parts in advance, including zero return of the machine tool, blank call, loading tool, and tool setting operation. The CNC machining process is simulated by calling the CNC machining program.Keywords： gusset; support; NC programming; simulation processing

0

引言

针对我厂机械加工产品多品种、小批量的特点，为确 保小型结构件产品质量和提高其加工效率，提出小型结 构件需产品化、标准化。本文以角撑类、支座类产品为切 入点，探讨其结构特点及数控加工工艺;分析小型结构件 在数控加工过程中存在的共性问题，如操作问题、工艺问 题、设备问题、管理问题等等;最后，为降低工人师傅对刀 操作失误率、避免刀具轨迹误差、降低宏程序调试机床占 用率，以角撑结构件为例，运用斯沃数控仿真系统全过程 真实模拟数控加工过程。1

小型结构件的数控加工工艺设计

角撑和支座结构件是目前车间三轴数控加工的两类 主要产品，批量大、批次多、种类多，因此确保结构件加工 质量，对提高生产效率具有重要的意义。角撑结构件对部 件起着加强固定的作用，由凸台、上型面、下型面、弧 面、凹槽、斜边等特征组成，如图1所示。为增加角撑 的强度，在安装端面及角落增加两处台阶。小台阶处 厚度为25 mm，较大台阶处厚度为8 mm，筋条厚度为

器仪表等设备元 件，主要特征由外 弧面、内弧面、上型 面、下型面、斜筋等 组成，其结构示意 图如图2所7K。

对于角撑类和

支座类结构件材料

一般选取铝板2A14;考虑到生产成本及工艺装备特点，一 般选取三轴数控机床通过多次装夹进行加工；为方便装 夹，角撑和支座结构件均采用虎钳装夹。针对上述结构件 特征及工艺装备特点，其主要加工流程包括铣六方、铣型 面、铣弧面等等，角撑的数控加工工艺流程如图3所示。2

小型结构件的数控加工问题分析

5 mm〇

支座主 要是与 壳体连 接，供 安装仪

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小型结构件生产能力决定着部件的装配进度，所以 提高小型结构件数控加工效率，稳定小型结构件质量具 有一定的意义。但是，在小型结构件数控加工过程中存在 多种问题，如对刀操作失误、刀具选择不合理、轨迹不合 理、设备精度低，或存在干涉、过切、欠切等现象;此外，针 对应用宏程序编制椭圆、拋物线、双曲线等轮廓或曲面等 数控程序，在数控程序调试时出现加工时间长、步长不合 理等问题，最终造成占机时间延长，降低设备利用率。本 文针对角撑类结构件中工人师傅对刀操作失误问题进行 分析，对支座结构件中过切现象进行分析和探讨。2 角撑结构件在数控加工中对刀操作失误

对刀是数控加工前一项非常重要的工作，对刀的正 确性和精确性会直接影响到产品最终的加工质量，对刀 点可以设置在机床上，也可以设置在零件上或夹具上，对 刀时应使对刀点与刀位点重合。在小型结构件的数控加 工过程中，Z向和F向原点一般通过寻边器进行找正，即 通过快速移动主轴和工作台的同时，用寻边器的探头确 定工件的坐标系原点。Z向原点一般通过Z向对刀仪或塞 尺进行确认。

角撑数控加工需经过多道工序，r向加工原点一般均 位于死钳口位置，z向原点可为零件中心也可为工件一侧 面。在角撑型面加工过程中，为保证设计基准和工艺基准 一致，z向原点置于工件一侧面。在角撑对刀操作过程中， 工人师傅由于操作失误，在进行x向对刀时没有考虑寻边 器探头直径，在z向对刀时应输人Z-5 (寻边器探头直径 为10 mm)，实际输入Z0。最终造成Z向对刀错误，导致角 撑结构件报废，如图4所示。可见，对刀涉及到很多实际加 工中的具体操作和工艺问题，如果对刀出现操作问题，不 但影响到加工过程中产品质量，而且可能会出现刀具与

2.2支座结构件在 数控编程中刀具轨 迹误差探讨

在支座结构件 型面数控加工时，一

纹轨迹等曲线时需要 应用实际加工机床进 行调试，占机时间长。因此，应用仿真技术 真实模拟操作过程和 加工过程对结构件的 数控加工具有重大的 意义。

3

小型结构件的虚 拟仿真技术

J

3.7仿真环境选择

VERICUT仿真软 件是美国CGTECH公 司的一种专门用于数

图6拐角处过切示意图控加工仿真的软件，

可以同时进行刀具切削、机床运动的仿真。VERICUT采用

了虚拟仿真技术和三维显示技术，可以逼真地模拟数控加 工过程，其中包括机床附件开关门、数控程序在线执行、切 削轨迹显示等，最终通过切削模型与设计模型设定值对 比，检测加工是否存在问题，降低了实际加工风险。

斯沃数控加工仿真软件是南京斯沃软件技术有限公 司开发的集图像、声音、操作、加工于一体的仿真软件[2]。 该软件包含各种主流的操作系统，其中包括德国西门子、 日本发那科、日本三菱、广州数控、武汉华中数控等等[3]。 具有以下特点：1)可以实现加工过程的三维虚拟仿真。现 实功能更逼真且可以根据需要进行调节。2)用户可以系 统地体验数控机床的面板操作步骤。在真实操作之前通 过计算机模拟操作数控系统面板，减低新员工首次调试 数控程序的时间。3)友好的界面。即界面新颖，画面视觉 上呈淡蓝色，三维立体感较强，操控功能面版皆可随鼠标 做拖动，可随时进行隐藏。

Vericut软件在数控加工中有很大的优势，可将加工 零件和设计零件进行对比，分析过切和欠切现象，广泛应 用于三轴和五轴数控加工过程中。但是并没有真正的数 控操作环境，没有集成数控操作模块，并不能涵盖一个零 件从编程到成品的整个过程。为全面展现结构件的整个 数控加工过程，故在本文采用斯沃数控仿真加工软件进 行试加工，确保程序调用、操作、对刀、运行都很贴近机床 实际操作。

3.2角撑结构件加工前准备工作

本文以角撑结构件为例进行仿真加工前准备，其仿 真加工主要准备包括回零、调用毛坯、选用刀具和对刀操 作。其具体流程如下：

1)

启动斯沃仿真软件，选择FANUCOiM数控系统，旋

转机床急停按钮解除急停，开启程序保护锁，可对程序进 行编辑和修改;执行回零操作，建立机床坐标系。

2) 定义毛坯。材料选用为2A14,形状为长方体，长、宽 和高分别为195.5 mm、81.25 mm、44 mm，其中在宽度方 向上留2 mm余量。

般选取底面为部件， 采用边界驱动方式， 且采用跟随部件走

刀方式进行加工，其轨迹加工示意图如图5所示。但是在 实际加工中发现在拐角处出现过切现象，如图6所示。通 过分析，发现在拐角处两侧面夹角小于45°，且两侧面间 直线段长度小于刀具长度，在加工零件的轮廓型面时，为 使加工能连续进行，同时避免在型面加工起点上出现交 点的重合，引起计算机在数控编程时无法判别下一步的 运动方向，系统默认为是进刀侧面和连接面之间偏移轨 迹，造成过切现象。

此外，在结构件数控加工中对于直线与圆弧相交的 轨迹，机床只是加工直线处轨迹，在直线与圆弧交叉点处 出现报警;对于应用宏程序编制椭圆、拋物线、双曲线、螺

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表1

刀位号

1234567

角撑结构件刀具相关参数表

名称平铣刀圆角刀圆角刀球形刀球形刀球形刀锥度铣刀

规格

工序1,52,32,32,3,42,344

个程序名后，即可选择“打开”命令导人之前后处理的程 序。最后选择“AUTO”模式,“机床操作”菜单中“舱门”命令 关上舱门,SP可按“循环启动”进行零件的仿真加工H。仿真 后可通过测量检测每个工序模型的相关尺寸。

D20D20R3D10R3D10R5D6R3D16R8

角度为6°

4

结论

通过将加工操作和数控编程与仿真加工相结合，为小 型结构件数控加工提供了一种有效的加工方式，一方面让 操作者加深了对实际加工工序的理解，减少了程序调试占 机时间，降低了实际操作失误的风险;另一方面还可实现

对三维工序模型二维尺寸的自动标注，实现了对质量的过

刀具选用。由上述可知,零件加工需要平铣刀、圆

程控制;此外，实现车间内部数控加工全方位的仿真，对于

角刀、球头刀和锥度铣刀共4种类型，将7把刀具分别设置

程序管理、刀具管理和产品标准化有一定的意义。

其规格、长度，旋转相应的刀位号导入刀具库。表1为角撑

[参考文献]

结构件刀具相关参数表。

3)

[1]

马松柏.薄壁手机壳注塑模型腔CAD/CAM仿真加工与NC程序检

4) 对刀操作。为将工件坐标系与机床坐标系相关联，

验方法研究[J].制造业自动化,2014,36(7):41-43.

陈松平.基于斯沃仿真系统的数控虚拟加工技术[J].现代制造，

需进行对刀操作'在灯平面一般应用寻边器找原点，由 于角撑的尺寸精度均小于0.01 mm，操作者一般使用寻边 器的找正精度可达0.001 mm。Z向对刀可用Z向对刀仪，通 过输人Z向对刀仪高度确定Z向原点（Z向对刀仪高度为 100 mm),最终将其输人工件坐标系G中。又3

角撑结构件仿真加工

角撑结构件铣削加工主要有5个工序,对于凸台和斜 筋特征铣削加工只需要一个程序，但是对于型面和弧面 特征铣削加工需要多个程序，故本文选用通过主程序调 用子程序的方式进行加工。即先在键盘上选择“PROG”模 式,再在控制面板上选择“EDIT”的程序编辑模式,输入一

[2]

2014(6)：60-62,

[3] 魏家鹏.虚拟制造与仿真加工技术[J].中国科技信息,2005(20):

85.

[4] 岳玲.数控加工中对刀问题处理[J].宁夏机械,2006(4):34-35.[5] 彭晓君，董克权，张建.VERICUT仿真加工在数控教学中的应用

[J].装备制造技术,2008(7):1-155.

(责任编辑邵明涛）

作者简介：张亮(1985—)，男，硕士，工程师，从事数控加工编程及工

艺设计工作。

收稿日期：2018-05-05

(上接第158页）

同一高度的面板模块都是通用互换的，不管插箱是前出 线还是后出线，面板模块都可以按需选择和搭配。若插箱 面板有非常特殊的地方则可以单独加工。因此，和传统插 箱的前后面板设计相比，新型插箱的面板模块可以按需 选择、搭配和调整，其通用性、互换性的优势非常明显。

2.2新方案的结构优势和效益优势

新型插箱结构相比于传统插箱结构优点如下：1)插 箱采用双向导轨通用性更强。采用双向导轨安装模块改 变了传统插箱中模块安装位置单一化的问题，极大增加 了模块在插箱中放置的灵活性，插箱内部模块位置的改 变甚至模块数量的增减都可以通过双向导轨灵活地调 整。新型插箱极大减少了结构设计师的重复设计工作量， 也给予了电路设计师极大的设计空间和设计灵活性且不 再受插箱本身的结构设计，插箱内部空间也得到最 大限度的优化利用。2)插箱前后面板采用模块化的设计 其通用性、互换性更强。所有面板模块均安装在线型导轨 上,且面板模块都是通用互换的，可以按需选择和搭配。3)通用件批量生产大幅降低插箱成本。插箱成本主要由 设计费、加工费、材料费三部分组成，而前两个部分节约 的空间最大。因此，新型插箱采用的标准件、通用件越多， 插箱的再设计工作量就越少，设计费用就越低，同时插箱 的加工周期就越短。因此，新型插箱的结构设计方案可以 显著降低插箱成本。

作者简介:古勇(1979—),男，硕士，工程师，主要从事测控雷达相关电

子技术及结构研究工作。

收稿日期:2018-08-30[2] [1]

2007.

张光义.相控阵雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2009.

3

结语

航天测控领域的地面测控站、船载测控站、车载测控 站都需要大量的插箱来安装各种测控设备。作为测控设 备安装的载体，插箱的种类越单一，互换性、通用性越强， 就越有利于缩短工程周期，降低总体成本。当前，国外的 机柜、插箱都已经采用模块化、通用化的设计方法来对系 统进行集成和整合。因此,本文设计的新型插箱j顿应了当 前的发展趋势，同时新型插箱在通用性、互换性方面前进 了一大步，改变了传统插箱装配受结构设计、加工周期等 因素制约的不利局面,插箱由定制产品转变为通用产品。

[参考文献]

陈淑凤.航天器电磁兼容技术[M].北京:中国科学技术出版社,

[3] 谭维炽，胡金刚•航天器系统工程[M].北京:中国科学技术出版社,

2009.

[4] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大

学出版社,2001.[5]

丁鹭飞，耿富录,陈建春.雷达原理网.5版.北京:电子工业出版社,2014.

(责任编辑邵明涛）

网址:www.jxgcs.com 电邮:hrbengineer@163.com 2019 年第2 期■

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