基于CAD與NC加工驗(yàn)證的五軸加工中心設(shè)計(jì)方法
以立、臥兩種復(fù)合型( 轉(zhuǎn)臺(tái)+ 擺頭) 五軸加工中心為研究對(duì)象，詳細(xì)分析、總結(jié)出融合CAD 平臺(tái)( Inventor& Solidworks) 與數(shù)控加工驗(yàn)證平臺(tái)( Vericut) ，并采取雙向關(guān)聯(lián)方式，分析五軸加工中心計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法、原理及工作流程。這些原理與方法，是具備普遍性和實(shí)用性的，可被各類高端數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與制造者借鑒，以改善其相關(guān)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工作的質(zhì)量、效率及成本目標(biāo)。
當(dāng)前，我國(guó)的制造業(yè)正在不斷地向高柔性、高精度、高技術(shù)密集方向發(fā)展，作為高端制造裝備的五軸加工中心，日漸成為不少數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與制造企業(yè)新的研制、開(kāi)發(fā)、推廣目標(biāo)，也是未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，該類公司的新利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn); 同時(shí)各類機(jī)械加工生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)這類高端機(jī)床的需求欲望也日益強(qiáng)烈。
從機(jī)床設(shè)計(jì)、制造角度看，五軸加工中心相對(duì)于普通三軸、四軸加工中心而言，其結(jié)構(gòu)布局更加復(fù)雜，CNC 配置更加靈活。其機(jī)械本體與所用CNC 之間的整體協(xié)調(diào)性，機(jī)床靜態(tài)布局與其動(dòng)態(tài)位姿匹配則是總體設(shè)計(jì)階段首先要解決好的問(wèn)題。為此，筆者研究了各類計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( CAD) 平臺(tái)和數(shù)控加工驗(yàn)證平臺(tái)，提出了一種融合兩方面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)五軸加工中心高效率、高質(zhì)量研發(fā)的方法。
1、五軸加工中心的特點(diǎn)及總體設(shè)計(jì)工作
1.1、五軸加工中心類型
所謂加工中心的五軸，是指3 個(gè)移動(dòng)軸( X /Y /Z)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸( A /B /C 中任意兩個(gè)) 。不同轉(zhuǎn)動(dòng)軸的組合方式，就形成了不同的五軸加工中心類型; 不同的類型，其總體性能特點(diǎn)和適用范圍也不相同。從兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸所依附的機(jī)械本體而言，可以把五軸加工中心大致分為3 種基本型: ( 1) 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都由工作臺(tái)來(lái)完成; ( 2) 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都由主軸來(lái)完成;( 3) 混合方式———一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸由工作臺(tái)完成，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)由主軸來(lái)完成。進(jìn)一步考慮A /B /C 以及主軸的立、臥方式，可以細(xì)分出更多具體的配置方式。不同的配置方式，各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。
考慮到第3 種類型———混合方式，具備第1、2 兩種類型的一些共同特性: 高剛度和大行程，可以實(shí)現(xiàn)重載與高速數(shù)控加工。因此，本文以第3 種基本型———混合( 復(fù)合) 型，并結(jié)合立、臥兩類布局，詳細(xì)說(shuō)明融合CAD 技術(shù)和數(shù)控加工后置驗(yàn)證技術(shù)，分析五軸加工中心總體設(shè)計(jì)的基本原理和方法。
1.2、五軸加工中心總體布局CAD
由于歷史沿襲和使用習(xí)慣原因，國(guó)內(nèi)不同地域、不同企業(yè)使用的CAD 平臺(tái)，各不相同。從低端專用產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件包到集大成的Catia 不等，但其中，計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本原理是相同的，即: 從市場(chǎng)需求中獲取產(chǎn)品工程特征要素，把這些工程要素，轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品總體特征模型; 對(duì)該總體模型進(jìn)行可行性、可靠性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等初步評(píng)估( 也稱產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)) ; 結(jié)合手工分析和各個(gè)層次的CAE 技術(shù)，包括使用產(chǎn)品各個(gè)層級(jí)的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品各個(gè)次級(jí)零部件細(xì)化設(shè)計(jì)( CAD 過(guò)程中，特征信息不斷地被傳遞、升級(jí)、完善) ，此細(xì)化過(guò)程中實(shí)質(zhì)是融合DFX( Design for Manufacturing，Design for Assembly，Design for Dismantle…) 理念的并行設(shè)計(jì); 數(shù)字樣機(jī)被驗(yàn)證無(wú)誤之后，便是物理樣機(jī)的試制、評(píng)估、量產(chǎn)、市場(chǎng)反饋、更新……不斷迭代升級(jí)而使產(chǎn)品持續(xù)地被完美化。顯而易見(jiàn)，這一復(fù)雜過(guò)程中，產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)起著統(tǒng)領(lǐng)全局的關(guān)鍵作用。對(duì)于五軸加工中心這類高端產(chǎn)品而言，更是如此�，F(xiàn)以Inventor和Solidworks 兩個(gè)CAD 平臺(tái)中，進(jìn)行立、臥兩種混合型五軸加工中心總體布局設(shè)計(jì)為例，分析說(shuō)明其中的關(guān)鍵問(wèn)題。
4、結(jié)論與展望
對(duì)于五軸加工中心這類高端制造裝備而言，無(wú)論是設(shè)計(jì)與制造者，還是終端用戶，都需要借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，來(lái)改善其在與此類產(chǎn)品相關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)中的質(zhì)量、效率、成本目標(biāo)。本文，從機(jī)床設(shè)備設(shè)計(jì)與制造者角度出發(fā)，以混合型五軸加工中心研發(fā)工作為研究對(duì)象，分析、闡述了在不同CAD 平臺(tái)( Inventor 和Solidworks)中進(jìn)行五軸加工中心總體設(shè)計(jì)以及在專業(yè)數(shù)控加工驗(yàn)證平臺(tái)( Vericut) 進(jìn)行機(jī)床運(yùn)行驗(yàn)證的基本方法、工作原理和流程。結(jié)果證明: 五軸加工中心機(jī)械本體與其配套CNC 間，協(xié)調(diào)性上的困惑; 機(jī)床自身各個(gè)零部件間，布局合理性中的疑問(wèn)，都可以非�？旖荻鴾�(zhǔn)確地被判斷并解決。高端數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與制造者可以在其習(xí)慣使用的CAD 平臺(tái)，借助這些通用原理與方法，來(lái)改善其五軸加工中心的設(shè)計(jì)與制造工作。五軸加工中心進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作中，可以把數(shù)控加工運(yùn)行驗(yàn)證中的運(yùn)動(dòng)信息輸出到CAE 平臺(tái)，而在CAE 平臺(tái)內(nèi)，可以結(jié)合CAD 平臺(tái)的詳細(xì)工程特征信息，進(jìn)行加工中心運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方面的實(shí)時(shí)分析; 還可以使用FEA 方法，對(duì)機(jī)床各個(gè)零部件的物理、機(jī)械性能進(jìn)行定性和定量判斷。另外，五軸加工中心的設(shè)計(jì)與制造者，也可以把加工中心總體布局幾何模型，提供給該類機(jī)床的終端用戶，以方便其在機(jī)床使用過(guò)程中各個(gè)具體的數(shù)控程序的后置驗(yàn)證工作。
