摘要：航空领域Nomex蜂窝超声加工中，由于加工刀具的特殊性，在程序设计过程中如何对加工代码进行仿真一直是工艺难题。针对某类数控超声机床加工的特殊仿真需求，提出了基于VERICUT仿真软件的系统开发方法，建立了盘式和刃式超声特种刀具的刀体结构以及切割运动控制逻辑模型

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航空领域Nomex蜂窝超声加工中，由于加工刀具的特殊性，在程序设计过程中如何对加工代码进行仿真一直是工艺难题。针对某类数控超声机床加工的特殊仿真需求，提出了基于VERICUT仿真软件的系统开发方法，建立了盘式和刃式超声特种刀具的刀体结构以及切割运动控制逻辑模型，开发了与加工过程中安全控制有关的防错逻辑，实现了准确、直观的切割仿真以及异常控制，具有一定的工艺应用价值。

随着Nomex蜂窝材料在航空飞行器中的大量应用，传统的手工以及普通数控设备已经难以满足形状复杂、高精度、高质量、高效率和绿色清洁的零件加工需求。基于此，很多航空制造企业都引进了专业的六轴超声加工设备，或是在通用的五轴数控机床上安装附加超声头来进行此类零件的制造。由于蜂窝材料超声加工利用切割技术，与传统的切削过程不同，目前CATIA等编程软件无法对超声刃式刀具进行精准定义，仍是采用旋转刀具进行轨迹设计，这种编程方法无法准确反映实际刀具的切割状态。另外，长期以来，主流切削仿真软件关注常规的切削加工过程仿真，对超声切割没有很好的功能支持，无法对超声加工程序进行准确的仿真验证。由于超声加工有一定的特殊性，在实际应用中，经常出现因程序角度控制错误等问题导致的返工或零件报废，因此，如何实现超声加工过程的精准仿真，是目前亟需解决的问题。

针对超声加工中的仿真应用难题，提出了以VERICUT仿真软件作为仿真研究的工具，以GFM专用超声波五坐标数控切割机床为典型研究对象，探讨了机床、运动控制、专用盘式（Desk）和刃式（Knife）刀具的刀体结构，研究了切割运动的控制逻辑、超声加工代码仿真控制和加工安全防错逻辑控制等开发方法，创建了较完整的适用于超声波加工设备应用的仿真环境，为超声加工程序的仿真验证提供了有效手段，具有一定的工艺应用价值。

图3 刃式刀具精准仿真状态激活方法界面

使用刀具库中的Grinder/Mill建立盘式刀具模型，包括常用的φ50.8mm和φ15mm刀具。为了更精准、全尺寸地显示，也可以用CAD软件分别建立刀片和刀体的刀具模型，在VERICUT软件中分别用模型建立刀具相应部分，如图4所示。

b）盘式刀具创建示意

通常情况下，Desk盘式刀具在使用时会将主轴旋转打开，当系统宏变量ActiveSpindleOnOff=1时，按切削刀具处理，刀具前端切削刃部分都是可切削材料，形成的仿真效果和普通切削刀具一样。如果在Desk盘式刀具使用时显示为切割状态，当ActiveSpindleOnOff=0时，形成的加工效果就是在毛坯上形成一条轨迹线，而没有材料去除，应根据需要选择不同的处理方法。不同仿真设置下的切削/切割显示如图5所示。

a）刀具为切削模式

b）刀具为切割模式

图5 不同仿真设置下的切削/切割显示

3.4 刀具调用防错控制

在机床控制系统中，所有刀具都有固定的位置，且工作时仅使用几个固定刀号，研究在仿真时刀号是否在许用范围内是十分必要的。另外，程序段中通过M17指令定义了当前刀具的名称，可用于间接判断当前的刀具类型并与当前调用的T刀号进行匹配性判断。

（1）刀号防错判断方法 通过类似if((_TOOLNO40)的联续嵌套方式列举可用的刀具号，判断是否在允许使用的范围内，超出范围则报警，代码示例如下。

（2）刀号与刀具名称匹配性的防错判断方法 由于软件中没有字符串包含的功能，因此需要通过使用RINDEX指令判断字符串的包含情况并进行连续多个字符的判断。为防止出现非连续性的字符匹配但整个字符串不匹配的偶然情况，利用每次比较都会返回当前字符所在位置值的特点，进行前后字符返回值的比较，当所有返回值都满足时才表示刀具刀号和名称是匹配的。控制逻辑及代码实现示例如下。

if(_TOOLNO==4)

_Tool_Type_Info=“K”

_Tool_Checkl=RINDEX(CURRENT_TOOL_INFO,_Tool_Type_Info)

if(_Tool_Checkl

cgtech_macro“MessageMacro”“TOOL INFO andTOOLNO is not matched."

ENDIF

_Tool_Type_Info=“N”

_Tool_Check2=RINDEX(CURRENT_TOOL_INFO,_Tool_Type_Info)

if(_Tool_Check2

cgtech_macro “MessageMacro”“TOOL INFO andTOOLNO is not matched."

endif

……

_Tool_Check_Diff=_Tool_Check2-_Tool_Check1

if(_Tool_Check_Diff1)

cgtech_macro “MessageMacro”“TOOL INFO and

TOOLNO is not matched."

ENDIF

……

使用刀具刀号和刀具名称匹配性防错界面如图6所示。

3.5 C轴超限检查以及转动角度过大等异常控制

GFM超声加工机床的C轴行程为±380°，对于普通蜂窝边缘的切割是足够的，对于较复杂型面的加工，C轴会连续变化，偶尔会出现超限的情况。这种情况在后处理时会在当前位置进行调整，一般是C角由一个极限附近位置变为另一个位置，变化会超过300°，此类情况如果工艺人员不逐个检查就无法发现。

另外，由于盘式刀具底部没有切削刃，加工状态是切割而非切削，当加工过程中在短行程内或原地进行较大C角调整时，会对蜂窝材料造成倾轧和撕扯，导致加工异常。因此，进行此类角度的变化检查判断是非常重要的。通过在G-Code Processing中调用自定义的C轴超限宏程序，对上一程序条和当前程序条C轴的角度变化差值大小进行异常判断，实现代码范例如下。

是C角由一个极限附近位置变为另一个位置，变化会超过300°，此类情况如果工艺人员不逐个检查就无法发现。

PROCC_Out_Limit_Check

DEF REAL_Differ_C

_Differ_C=Old_C_Angle-$P_EP[5];计算当前的C轴差值

if (DESK_STATE_BOOL);在盘式刀具应用时进行判断

if ($AA_IW[2]

if (ABS(_Differ_C)>360);判断C角差值是否在C角限定值范围内

cgtech_macro “MessageMacro”“C_Out_LimitOccured”

……

Old_C_Angle=SP_EP[5];存储当前C角值用于下次判断

M17

3.6 B轴转动角度过大控制

GFM超声加工机床B轴行程为NX360°,自身没有角度突跳的问题。但刃式刀具属于前切削刃切割，对于切割前进过程中的角度变化比较敏感，当角度变化过大时会产生切割轮廓不准、切割困难等问题。采用类似C轴处理逻辑，在G-Code Processing中对B轴的处理逻辑调用自定义的B轴超限宏程序来实现，宏程序内通过对上一程序条和当前程序条的B轴角度差值大小进行异常判断。通常情况下，Knife刀具在切割路径上的B轴都是连续变化的，且B轴变化角度差值较小，可以把差值限定值设置的很小，如45°，这样就可以灵敏的实现B轴变化的异常判断。

实现代码范例如下。

PROCB_Out_Limit_Check

_Differ_B=Old_B_Angle-SP_EP[4];计算当前的B轴差值

if (KNIFE_STATE_BOOL);在刃式刀具应用时进行判断

if ($AA_IW[2]

if(ABS(_Differ_B)>45);判断B角差值是否在B角限定值范围内

cgtech_macro“MessageMacro” “B_Out_LimitOccured”

……

Old_B_Angle=SP_EP[4]

M17

……

1）实现了超声波蜂窝数控铣床和机床各运动机构的运动仿真和防碰撞仿真。

2）实现了基于实际加工需求的刀具、刀号定义防错判断和名称匹配性判断，对刀具的偶发定义错误进行有效控制。

3）实现了盘式和刃式超声特种刀具的切割仿真，并实现了刃式刀具定向角度异常、盘式刀具旋转角度异常等情况下的准确判断、逻辑控制以及异常提醒。

针对超声波蜂窝数控铣床的加工代码仿真需求，结合VERICUT仿真软件的功能应用和深度开发，突破了蜂窝切割仿真技术的应用瓶颈，首次实现了超声波蜂窝数控铣床的仿真，实现了与加工过程中工艺安全控制有关的多项防错逻辑控制，实现了蜂窝超声加工完整、精确、直观的切割仿真以及异常控制，为工艺编程人员提供了有效的编程质量验证控制工具，具有很高的应用推广价值。

[2] 孙健淞，康仁科，周平，等. 蜂窝芯超声切削技术研究进展[J]. 机械工程学报，2023，59（9）：298-319.

[3] 张永岩，张超，李薇. 超声波铣床基于CATIA V5复合材料蜂窝件数控编程方法研究[J]. 航空制造技术，2012（9）：79-82.

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