基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真研究

陳寶尚

基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真研究

陳寶尚

（揚州恒星精密機械有限公司，江蘇 揚州 225127）

為了保證五軸聯(lián)動數(shù)控加工的安全性與可靠性，在實際的零件生產(chǎn)加工前落實加工仿真分析極為必要?；诖?，闡述了利用VERICUT軟件展開五軸數(shù)控加工仿真分析的方法，在明確軟件的應用優(yōu)勢、VERICUT加工仿真的一般過程的基礎(chǔ)上，詳細分析了基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控機床的建模及其加工仿真過程，結(jié)合結(jié)果驗證實驗，證實了基于VERICUT的加工仿真分析的結(jié)果具有實用性與科學性。

VERICUT軟件；五軸聯(lián)動數(shù)控機床；建模過程；加工仿真

在五軸聯(lián)動數(shù)控加工過程中，如果加工的零件相對復雜，則極容易產(chǎn)生零件與機床刀具碰撞、干涉的問題，直接損傷加工零件或機床刀具，加大了五軸聯(lián)動數(shù)控機床的運行風險。因此，為了保證五軸聯(lián)動數(shù)控加工的安全性與可靠性，提前利用VERICUT軟件展開加工仿真研究極為必要。

1 VERICUT軟件的簡述

1.1 VERICUT軟件的應用優(yōu)勢

VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢在于，既能夠完成多種CNC系統(tǒng)、刀位文件的仿真，又可以實現(xiàn)CAD/CAM后置處理的NC程序的仿真。利用該軟件展開加工仿真分析，能夠縮短加工時間、延長刀具壽命、改進表面質(zhì)量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤。同時，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)三維實體顯示，可以完成切削模型尺寸的測量與保存，為檢驗后續(xù)工序切削加工的步驟落實提供支持[1]。另外，VERICUT軟件還具備多種接口，能夠直接完成多種信息數(shù)據(jù)的導入。就當前的情況來看，VERICUT軟件已經(jīng)被廣泛應用于航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)，有著較好的發(fā)展趨勢。

1.2 VERICUT加工仿真的一般過程

通常情況下，利用VERICUT軟件展開五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真的主要步驟如下：構(gòu)建虛擬機床（運動學）模型；構(gòu)建夾具、毛坯的模型；構(gòu)建刀具（特定機床使用的所有刀具，形成刀具庫）模型；設置系統(tǒng)參數(shù)（包括刀具補償、工件編程原點等）；展開加工仿真（結(jié)合VERICUT軟件的實際需求完成加工刀具軌跡、NC代碼的調(diào)整）；分析并優(yōu)化仿真結(jié)果（利用工件加工與碰撞干涉情況形成仿真結(jié)果，同時完成尺寸、廢料的數(shù)值計算）。

1.3 VERICUT加工仿真設計的原理

依托五軸聯(lián)動數(shù)控機床實體的結(jié)構(gòu)特點，在VERICUT軟件（建模工具）中完成機床CAD模型的構(gòu)建；確定虛擬機床的控制系統(tǒng)、控制代碼及參數(shù)；結(jié)合零件加工編程的工藝流程完成刀具庫的構(gòu)建，并納入工藝參數(shù)實現(xiàn)加工仿真；比較加工仿真后獲取的零件與設計模型，確定加工仿真的誤差與分布，輸出最終結(jié)果。

2 基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控機床的建模

2.1 構(gòu)建機床組件樹

依托五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)，提取出床身基體、左右運動部件、前后運動部件、上下運動部件、旋轉(zhuǎn)工件臺、主軸擺動部件、主軸部件等關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)，并形成各部分的運動關(guān)系、相互位置關(guān)系[2]。依托這些內(nèi)容，能夠在VERICUT軟件中完成五軸聯(lián)動數(shù)控機床的組件樹的構(gòu)建，形成機床的運動學模型。

在本次研究的組件樹構(gòu)建中，上下運動部件位于Base根節(jié)點內(nèi)部、旋轉(zhuǎn)工件臺位于上下運動部件節(jié)點內(nèi)。同時，F(xiàn)ixture位于旋轉(zhuǎn)工件臺節(jié)點內(nèi)部、Stock位于Fixture節(jié)點的內(nèi)部。具體來說，Stock依托Fixture實現(xiàn)運動，而Fixture跟隨旋轉(zhuǎn)工件臺轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)工件臺隨著上下運動部件的移動而運動。前后運動部件放置于左右運動部件上，主軸擺動部件圍繞前后運動部件擺動。Tool位于Spindle上，而Spindle位于主軸擺動部件中。

能夠看出，利用VERICUT軟件，能夠清晰掌握五軸聯(lián)動數(shù)控機床中各個部件之間的依附與約束關(guān)系，依托組件樹顯示了該機床的運動學結(jié)構(gòu)。

2.2 構(gòu)建不同位置的三維模型

在組件樹的支持下，能夠完成五軸聯(lián)動數(shù)控機床各個部分的三維模型的構(gòu)建，并以此為基礎(chǔ)形成五軸聯(lián)動數(shù)控機床整體的空間立體模型。為了實現(xiàn)這一目標，需要在完成UG內(nèi)建模的基礎(chǔ)上倒入VERICUT軟件，并利用軟件的自帶功能展開模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等，幫助研究人員更加直觀、全面觀察五軸聯(lián)動數(shù)控機床的建模效果。

在此過程中，必須要保證機床模型的主要幾何參數(shù)與原有五軸聯(lián)動數(shù)控機床的相應幾何參數(shù)保持一致，并將機床的原點穩(wěn)定在主軸端面的正下方位置，確保后續(xù)加工仿真分析結(jié)果的準確性與有效性。

2.3 設定系統(tǒng)參數(shù)

2.3.1 設置機床的干涉檢查

在VERICUT軟件“機床設定”功能的支持下，能夠完成虛擬機床最基本狀態(tài)的設定。在本次五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真分析中，主要完成了10項組件間運動過程的干涉檢查，其中包含著機床在實際運行中可能遇到的所有的碰撞問題。本研究中，筆者設定1 mm為發(fā)生干涉的檢查臨界值。

2.3.2 設置機床的初始化

利用VERICUT軟件的“機床設定”功能，同樣可以完成虛擬機床初始狀態(tài)、換刀位置等多項細節(jié)參數(shù)的設定。在本研究中，將（0 0 0）設定為五軸聯(lián)動數(shù)控機床中旋轉(zhuǎn)中心樞軸的中心偏置；利用默認值完成機床的坐標原點、程序原點的設定；依托加工零件的參數(shù)實現(xiàn)換刀位置坐標的設定。

2.3.3 設置機床的行程

結(jié)合現(xiàn)有五軸聯(lián)動數(shù)控機床的工作行程，在VERICUT軟件中輸入左右運動部件、前后運動部件、上下運動部件、主軸擺動部件、旋轉(zhuǎn)工件臺運動范圍值。

在這過程中，如果在加工仿真分析中出現(xiàn)部件運動范圍超出允許數(shù)值的情況時，則VERICUT軟件的相應部件表述會呈現(xiàn)出紅色，并同時將記錄保存在日志文件內(nèi)，供研究人員形成最終結(jié)果。

2.4 確定機床的數(shù)控系統(tǒng)

在數(shù)控系統(tǒng)的支持下，虛擬機床能夠展開加工運動。此時，數(shù)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)了數(shù)控代碼解讀、運算的插補、顯示加工仿真情況等功能。在VERICUT軟件中，包含著大量的控制系統(tǒng)文件，研究人員可以直接從軟件中調(diào)取數(shù)控系統(tǒng)設置于虛擬機床中。同時，VERICUT軟件中還包含著機床開發(fā)工具箱，利用這一工具箱，研究人員可以自行完成控制系統(tǒng)的開發(fā)與設定。

2.5 構(gòu)建機床刀具庫

在VERICUT軟件中，包含著刀具建模單元。利用這一單元，能夠完成仿真加工分析中刀具庫的組建。其中，在刀具庫中，存儲了刀桿與刀具挾持部分、刀具切削部分的數(shù)據(jù)信息。

3 基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控機床的仿真加工

3.1 準備工作

3.1.1 調(diào)出刀具庫

在VERICUT軟件的菜單欄中調(diào)出利用上述操作構(gòu)建起的五軸聯(lián)動數(shù)控虛擬機床以及機床刀具庫。

3.1.2 設定夾具

在仿真加工研究中，需要設定夾具，以此保證仿真加工的效果，與機床的實際加工更加貼近。

3.1.3 零件毛坯的準備

零件毛坯的準備過程與虛擬機床建模過程有著一定程度的一致性。在此過程中，需要依托CAD建模軟件完成形狀相對復雜的零件毛坯模型構(gòu)建，并在數(shù)據(jù)接口的支持下，直接導入VERICUT軟件中。此時，要結(jié)合零件編程原點將零件毛坯移動至準確位置，避免在仿真分析中發(fā)生加工錯誤的問題，進一步保證加工仿真分析效果。

3.1.4 數(shù)控程序的輸入

利用VERICUT軟件中的“數(shù)控程序”對話框功能，能夠選擇、輸入數(shù)控程序。此時，研究人員可以結(jié)合實際需求，完成復數(shù)的數(shù)控程序的調(diào)入。

3.1.5 設置G代碼

相比于其他的代碼設置，G代碼設置具有一定的難度，需要實現(xiàn)編程方法的設置以及工件坐標系的偏移設置。在這一過程中，需要提前落實不同加工件的位置設定。

3.2 仿真加工

當虛擬機床復位后，即可判定其進入待加工狀態(tài)，此時，可以落實多種加工仿真操作。在VERICUT軟件的支持下，加工仿真的界面可以劃分左右兩個視圖。其中，左視圖主要展示了零件、刀具的切削部位，研究人員可以利用其了解零件毛坯的去料細節(jié)；右視圖主要展示了虛擬機床的實際運行情況，研究人員可以了解在加工中是否存在碰撞問題，并掌握加工中的實際運行情況。

如果在加工仿真過程中發(fā)生了干涉、過切、撞刀等問題，VERICUT軟件的相應位置會表現(xiàn)成紅色，同時在信息欄中顯示提示信息。完成加工仿真后，VERICUT軟件自動形成日志文件，包含著虛擬機床整個加工過程中存在的信息，具體有加工仿真啟示時間與結(jié)束時間、刀軌名稱、錯誤及警告數(shù)量等等。此時，顯示的錯誤及警告信息能夠細化到某一程度段中，實現(xiàn)精準定位。

在本次五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真研究中，并未表現(xiàn)出欠切、過切的問題，由此可以說明，研究中使用的加工仿真模型符合設計的精度要求。

3.3 結(jié)果驗證

為了進一步完成結(jié)果驗證，保證基于VERICUT軟件的加工仿真分析結(jié)果的準確性，筆者落實了結(jié)果驗證。此時，將上述分析過程中構(gòu)建起的零件仿真模型引入實際的五軸聯(lián)動數(shù)控機床完成加工，得到實體零件。

對比結(jié)果顯示，依托VERICUT軟件完成五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真分析的結(jié)果具有實用性與科學性，是虛擬制造及仿真分析的有效策略。

4 總結(jié)

綜上所述，依托VERICUT軟件建立五軸聯(lián)動數(shù)控機床、復雜零件的模型展開加工仿真分析，結(jié)果顯示，在加工仿真中并未表現(xiàn)出欠切、過切的問題，研究中使用的加工仿真模型符合設計的精度要求。同時，為了保證加工仿真結(jié)果的科學性，落實了仿真零件模型的現(xiàn)實生產(chǎn)應用，形成真實零件。驗證結(jié)果顯示，依托VERICUT軟件完成五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真分析的結(jié)果具有實用性與科學性，是虛擬制造及仿真分析的有效策略。

［1］劉偉昊.基于Pro/E的數(shù)控機床后置處理技術(shù)和基于VERICUT的仿真加工技術(shù)研究［D］.濟南：山東大學，2019.

［2］黃振沛.VERICUT五軸聯(lián)動數(shù)控機床模型建立及加工仿真［J］.智能制造，2015（7）：36-39.

2095－6835（2019）22－0138－02

TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.057

〔編輯：嚴麗琴〕