楊　坤

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，安徽安慶246003；2.合肥工業(yè)大學機械與汽車學院，安徽合肥230009)

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基于VERICUT車銑中心仿真系統(tǒng)的應用研究*

楊坤1，2

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，安徽安慶246003；2.合肥工業(yè)大學機械與汽車學院，安徽合肥230009)

摘要：利用VERICUT數(shù)控仿真軟件，建立起WFL M35型5軸車銑中心的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，并且以此仿真系統(tǒng)為平臺，完成曲軸類零件的模擬加工過程。通過對典型復雜零件的數(shù)控加工程序進行仿真驗證，進一步確保其程序的正確性，使得零件的實際加工合格率大大提高。

關(guān)鍵詞：車銑中心數(shù)控仿真系統(tǒng)VERICUT

0引言

隨著計算機圖形學的日益成熟，基于虛擬仿真系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)應運而生，國內(nèi)外很多機構(gòu)都將虛擬仿真技術(shù)引入到復雜零件的加工中。本文在合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院董玉德教授的悉心指導下，利用UG和VERICUT軟件，以WFL M35型5軸車銑中心，初步嘗試建立車銑中心的數(shù)字化模型，利用數(shù)字化制造加工仿真技術(shù)，建立起完整的零件生產(chǎn)制造流程。

1機床數(shù)字化模型的建立

圖1　車銑中心的數(shù)字化三維模型

本文利用UG10.0完成車銑中心的建模工作。在建模的整個過程中，將機床劃分為以下幾大模塊分別完成，然后利用UG的虛擬裝配技術(shù)將機床完整構(gòu)造起來[1]。這些模塊是：基礎(chǔ)床身模塊、Z1線性軸模塊、Y1線性軸模塊、X1線性軸模塊、B1旋轉(zhuǎn)軸模塊、S3銑主軸模塊、C1車主軸及卡盤模塊、中心架模塊、尾座模塊以及相關(guān)附屬模塊。其UG建模的總裝配圖如圖1。

2機床加工仿真系統(tǒng)的建立

2.1硬件仿真系統(tǒng)的建立

本文將遵循三維建模環(huán)節(jié)的思路，將機床按照前述劃分的部件依次導入到仿真系統(tǒng)，并建立好相互關(guān)系。要建立的部件有：Base部件、Z1線性軸部件、X1線性軸部件、Y1線性軸部件、B1旋轉(zhuǎn)軸部件、Tool Spindle S3刀具軸部件、C1旋轉(zhuǎn)軸部件、Main Spindle S1車削軸部件、卡盤部件、中心架部件、尾座部件[2]。

1)Base部件

將UG模型中的基礎(chǔ)床身部件以STL文件格式導出，以模型的方式添加到組件樹的Base結(jié)點下面，即完成基礎(chǔ)床身部件的添加(圖2)。

2)Z1線性軸

由于Z1線性軸是相對于基礎(chǔ)床身而運動的，從運動依賴關(guān)系上考慮，Z1線性軸從屬于Base部件。所以在項目樹的層次安排上，Z1線性軸應放在Base結(jié)點下方。在Base結(jié)點下添加一個“Z線性軸”組件，重命名為Z1。在Z1組件下添加相關(guān)模型文件。模擬添加完畢后，將Z1線性軸的快進定位速度設(shè)置為150 00 mm/min，最大進給速度設(shè)置為12 000 mm/min。并且將此部件沿Z向移動-155 mm，以便回到Z軸零點位置。過程見圖3[3]。

圖2　Base部件　　　　　圖3　Z1線性軸部件

3)X1線性軸和Y1線性軸

在M35型車銑中心機床的真實構(gòu)造中，X1軸是安裝在Z1軸上的，Y1軸是安裝在X1軸上的。從運動關(guān)系上分析，Y1軸的運動依賴于X1軸，而X1軸的運動依賴于Z1軸。因此，在項目樹的層次上，X1結(jié)點在Z1結(jié)點下面，Y1結(jié)點在X1結(jié)點下面。弄清楚層次關(guān)系后，在相關(guān)結(jié)點下添加對應的模型文件以完成各部件的裝配。其建模結(jié)果見圖4。

4)B1旋轉(zhuǎn)軸

將Z1、X1、Y1線性軸添加完畢后，就開始進行B1旋轉(zhuǎn)軸的裝配工作。旋轉(zhuǎn)軸與直線軸不同，除了有安裝位置外，還需要設(shè)置該旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心。由于組件在建模時，會自動的將自身的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置在建模坐標系的原點。因此，我們需要修改B1軸的旋轉(zhuǎn)中心坐標。從項目樹的邏輯層次上分析，B1旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點是在Y1線性軸下方，因此B1軸的旋轉(zhuǎn)中心就是Y1軸上的特定點。首先在Y1線性軸結(jié)點下方添加一個B1旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點，并添加相應的模型文件。其旋轉(zhuǎn)軸部件建模結(jié)果見圖5[4]。

5)Tool Spindle S3刀具軸

圖6　Tool Spindle S3主軸部件

WFL M35 5軸車銑中心的銑主軸系統(tǒng)具有車鏜銑功能，即TDM單元。利用這種主軸系統(tǒng)，可以使用多任務(wù)刀具進行加工。這就要求銑主軸具有定向、分度的功能。為了使仿真機床最大限度地接近真實機床，本文采用了以下方案。首先，在已經(jīng)建立好的B1旋轉(zhuǎn)軸下方添加一個用于主軸定向的旋轉(zhuǎn)軸。具體操作是在B1結(jié)點下方添加A軸，重命名為Tool orient，并將此旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心改為Z軸。其次，在建立好的Tool orient軸下方添加主軸組件，命名為Tool Spindle S3，并添加相應的模型文件。我們可以針對A軸進行編程，如此銑主軸系統(tǒng)就完成定向、分度動作。最后，在Tool Spindle S3結(jié)點下方添加刀具組件，并將刀具組件在Z向移動-250 mm，完成部件的定位。其結(jié)果見圖6。

到此為止，銑主軸系統(tǒng)硬件仿真建立完成。接下來進行的是車主軸系統(tǒng)硬件仿真的建立過程[5]。

6)C1旋轉(zhuǎn)軸和Main spindle S1車削軸

在真實機床中，車主軸系統(tǒng)是直接裝配到基礎(chǔ)床身部件上。從項目樹邏輯層次上，C1旋轉(zhuǎn)軸應該位于Base結(jié)點下方，與Z1線性軸處于同一層次上。因此，應在Base結(jié)點下方添加C旋轉(zhuǎn)軸，重命名為C1，設(shè)置好參數(shù)：快速定位速度9 000 mm/min，最大進給速度9 000 mm/min。再在已經(jīng)建立好的C1旋轉(zhuǎn)軸下方添加主軸組件，完成Main spindle S1車削軸的建立。最后將Base結(jié)點下方的Attach組件移動到Main spindle S1車削軸的下方。所謂Attach組件，即附屬組件，它主要包含了數(shù)控加工仿真過程中的夾具組件、毛坯組件和設(shè)計組件。當機床的仿真系統(tǒng)建立好之后，這三個組件是最為常用的。

7)三爪卡盤

在M35型車銑中心上，其三爪卡盤具有自動夾緊功能。我們在VERICUT里必須精確建立三爪卡盤的仿真模型。所謂精確建立，就是利用項目樹的邏輯層次關(guān)系將三爪卡盤的各個零部件的相對運動關(guān)系表示出來。因為卡盤是屬于夾具種類，所以卡盤組件必須放在Fixture組件下面。在Fixture組件下方添加Chuck組件，并添加相應的模型文件：Main_spindle1.sor，完成卡盤基座的建立；添加端面卡盤模型Main_spindle2.swp，并從Z向移動110 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。將建立好的Main_spindle2.swp模型拷貝兩份，分別繞Z軸旋轉(zhuǎn)150°、30°[6]。

此時，將Stock結(jié)點移動到Chuck結(jié)點下，以便形成正確的部件運動關(guān)系。接下來進入卡盤系統(tǒng)建立的第二階段——建立三個卡爪。由于我們要求此三個卡爪具有自動夾緊功能。因此在添加模型文件之前，需要添加一個線性移動組件，來完成卡爪的自動夾緊。在Fixture組件下添加V線性軸組件，并重命名為Jaw_1，將其組件的運動軸改為X軸。再在Jaw_1組件下添加Base_Jaw組件，再此組件下添加Main_spindle3.swp，并從Z向移動110 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°，以便完成卡爪基座初始位置。添加Main_spindle4.swp，并從Z向移動139 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。添加Main_spindle5.swp，并從Z向移動139 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°，最終完成卡爪基座的建立。三爪卡盤中的卡爪基座部件建模結(jié)果見圖7。

在完成卡爪基座基礎(chǔ)上，開始添加軟爪。在Base_Jaw結(jié)點下添加一個Soft_Jaw組件，X向移動-40 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°。在此組件下添加模型文件Main_spindle6.swp，X向移動-40 mm，Z向移動139 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°。添加模型Main_spindle7.swp，將坐標移動到(-10 -15 147.3)，且繞X軸旋轉(zhuǎn)-90°，繞Y軸旋轉(zhuǎn)-90°，完成模型重定位。最后添加模型Main_spindle8.swp，X向移動-10 mm，Z向移動147.3 mm，且繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。到此第一個卡爪添加完成。

將組件Jaw_1拷貝兩份，分別重命名為Jaw_2、Jaw_3，并將這三個卡爪系統(tǒng)都放在Fixture組件下。將復制的兩個卡爪系統(tǒng)分別繞Z軸旋轉(zhuǎn)120°、-120°，最終完成三爪卡盤仿真系統(tǒng)的建立(圖8)。

8)中心架

在真實機床中，M35的中心架系統(tǒng)和三爪卡盤類似，具有自動夾緊工件的功能，要么通過數(shù)控系統(tǒng)面板發(fā)出命令，利用液壓夾緊；要么通過NC程序控制中心架自動夾緊工件。在中心架仿真系統(tǒng)的建立過程中，要實現(xiàn)上述功能。因為中心架系統(tǒng)是直接安裝在基礎(chǔ)床身部件上的，所以在項目樹的結(jié)構(gòu)中，此部件與C1旋轉(zhuǎn)軸、Z1線性軸處于同一層級。在Base結(jié)點的下方添加Z線性軸，重命名為Steady rests。在此組件下添加相關(guān)模型，以便完成中心架基礎(chǔ)部件的建立。

在Steady rests組件下添加X線性軸組件，重命名為Steady rests_x。在此組件下添加模型Steady_rests_6.stl。接著在Steady rests組件下添加C旋轉(zhuǎn)軸，重命名為Steady rests_c1，并將組件X向移動-92 mm，Y相移動85 mm。在此組件下添加模型Steady_rests_5.stl，并X向移動92 mm，Y向移動-85 mm，重新定位該模型。最后在Steady rests組件下添加C2旋轉(zhuǎn)軸，重命名為Steady rests_c2，并X向移動-92 mm，Y向移動-85 mm，設(shè)置好其旋轉(zhuǎn)中心。在此組件下添加模型文件Steady_rests_4.stl，X向移動92 mm，Y向移動85 mm，以便重新定位模型。到此，中心架仿真系統(tǒng)建立完成(圖9)。

9)尾座

建立尾座系統(tǒng)的仿真模型是最后一步。該系統(tǒng)的建立比較簡單。在Base結(jié)點下添加一個Z線性軸，重命名為Tailstock。在此組件下添加模型文件即可。仿真系統(tǒng)的硬件模型見圖10。

2.2軟件仿真系統(tǒng)的建立

WFL M35 5軸車銑中心是在SINUMMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進而來的。因此，這些改進后的新編程指令都要在VERICUT中被實現(xiàn)出來。這些指令主要包括以下幾大類：用于主軸旋轉(zhuǎn)的指令、用于控制卡盤的指令、用于控制中心架的指令、用于刀具和工件的角度位移指令、用于五軸聯(lián)動的控制指令、用于選擇加工方式的編程指令、用于在回轉(zhuǎn)零件端面進行加工的編程指令、用于固定循環(huán)的編程指令、用于刀具坐標系的編程指令等等。由于該部分篇幅過大，就不在此處一一贅述了。

2.3機床參數(shù)的設(shè)置

在完成了機床的硬件仿真系統(tǒng)和軟件仿真系統(tǒng)的建立之后，還要進行機床的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。主要包括干涉檢查設(shè)置、初始化位置設(shè)置等[7]。

(1)機床的干涉檢查設(shè)置

在VERICUT中利用機床進行數(shù)控加工程序的仿真驗證，最為重要的就是要檢查刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)是否發(fā)生碰撞，稱之為干涉檢查設(shè)置(圖11)。

圖11　機床干涉檢查的方案一

(2)機床的初始化位置設(shè)置

數(shù)控機床具有機床原點、機床參考點、各軸的初始位置等各種初始化參數(shù)。在使用仿真系統(tǒng)進行仿真前，需要做出正確的設(shè)置。X軸的零點在車主軸的軸線上，Z軸的零點在車主軸的卡盤后端面上，Y軸的零點在銑主軸的X軸平臺的表面上，最重要的是B1軸，它的零點軸線是與Z軸平行且出于轉(zhuǎn)動的最左端面上，其設(shè)置結(jié)果見圖12[8]。

圖12　機床的初始化位置設(shè)置

3曲軸的數(shù)控仿真加工

圖13　典型曲軸零件

曲軸是各種發(fā)動機中的核心零部件，屬于典型的傳動機構(gòu)，也是使用車銑中心進行加工的典型產(chǎn)品。其“一次裝夾，完全加工”的工藝理念，最大限度地減少了曲軸的裝夾次數(shù)，大大提高了曲軸的形位公差。這也是本文要以曲軸零件的加工來驗證車銑中心仿真系統(tǒng)的意義所在。零件見圖13。

VERICUT軟件可以對零件的數(shù)控加工程序進行全過程的監(jiān)控。在數(shù)控加工執(zhí)行前，可以對數(shù)控程序進行預覽，包括查看數(shù)控代碼的狀況、刀具軌跡，還可以提前分析刀具的干涉情況，并輸出報警信息。數(shù)控代碼的顯示窗口可以動態(tài)的指示出目前加工到哪一段。在加工仿真的任何時刻，我們可以隨時暫停加工，查看當前程序。在加工結(jié)束后，仿真系統(tǒng)還具有數(shù)控加工程序復查功能。除此之外，仿真系統(tǒng)還可以根據(jù)子地址格式和指令設(shè)置的情況，對數(shù)控程序進行語法檢查，找出程序中出現(xiàn)的不符合機床設(shè)置的代碼。仿真過程見圖14。

圖14　曲軸仿真加工過程

4結(jié)論

本文利用UG和VERICUT軟件，以WFL M35型5軸車銑中心為基礎(chǔ)，完成了機床的加工仿真系統(tǒng)的建立，為復雜零件的數(shù)字化制造打下基礎(chǔ)。通過此仿真系統(tǒng)，本文模擬了曲軸零件的完整加工過程，驗證了加工程序的正確性，使得該零件的制造合格率大大提高。

參考文獻

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中圖分類號：TH164

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0058-05

基金項目：安徽省高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程項目“數(shù)控技術(shù)專業(yè)綜合改革試點”(編號：2014zy108)。

作者簡介：楊坤，男，安徽安慶人，安慶職業(yè)技術(shù)學院機電工程系數(shù)控技術(shù)教研室教師，合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院碩士生。

收稿日期：2016-03-07

The application of the simulation system of the turning & milling center based on VERICUT

YANG Kun

Abstract:In this study, we utilized the numerical control simulation software VERICUT to establish the numerical control simulation system of WFL M35 5-axis turning & milling center, and completed the simulated processing of the crankshaft parts with the system. Through simulation and verification of the numerical control processing program for typical complex parts, we guaranteed the correctness of the program, and greatly improved the qualification rate of the parts actually processed.

Keywords:turning & milling center; numerical control simulation system; VERICUT