葉選林+鄒騶+張武+楊栩生+謝鈺+楊炳華

摘要： 以2033VMC加工中心為研究對(duì)象，全面闡述了利用UG8.5和VERICUT7.3軟件對(duì)虛擬機(jī)床四軸虛擬機(jī)床建模和仿真的關(guān)鍵技術(shù)，提出了構(gòu)建虛擬機(jī)床的具體思路和方法。以搓接鼓零件仿真加工與實(shí)際加工結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該虛擬機(jī)床模擬仿真的正確性和實(shí)用性，有利于教學(xué)和實(shí)際生產(chǎn)，值得廣大基層的工程技術(shù)人員的借鑒和推廣。

Abstract： Taking 2033VMC machining center as research object， the key technologies of modeling and simulation of virtual machine tool four axis virtual machine tool based on UG8.5 and VERICUT7.3 software are described in the paper. The specific ideas and methods of constructing virtual machine tools are presented. Through the comparison between the simulation and the actual processing results of the rolling， it verifies the correctness and practicability of the simulation of the virtual machine tool. It is conducive to teaching and practical production， and it is worth the general level of engineering and technical personnel for reference and promotion.

關(guān)鍵詞： Vericut7.3；UG8.5；仿真加工；虛擬機(jī)床

Key words： Vericut7.3；UG8.5；simulation process；virtual machine tool

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）33-0120-03

0 引言

美國(guó)CGTECH公司基于Windows及UNIX系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)了一個(gè)新的數(shù)控加工仿真軟件，即VERICUT軟件，該軟件的組成模塊主要包括NC程序驗(yàn)證模塊、CAD/CAM接口、實(shí)體比較模塊、高級(jí)機(jī)床特征模塊、多軸模塊、優(yōu)化路徑模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊等，可仿真數(shù)控車床、加工中心、銑床、線切割機(jī)床和多軸機(jī)床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過程，也能進(jìn)行NC程序優(yōu)化，改進(jìn)表面質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命、縮短加工時(shí)間，檢查過切、欠切，防止機(jī)床碰撞、超行程等錯(cuò)誤；具有真實(shí)的三維實(shí)體顯示效果，可以對(duì)切削模型進(jìn)行尺寸測(cè)量，并能保存切削模型供檢驗(yàn)、后續(xù)工序切削加工。它有強(qiáng)大的功能模塊，不僅能夠真實(shí)地模擬出在加工過程中刀具的切削、加丁零件、夾具、工作臺(tái)及機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)情況，而且能夠?qū)C程序進(jìn)行仿真、驗(yàn)證、分析及優(yōu)化[1]。本文以臺(tái)灣富裕機(jī)床廠生產(chǎn)的2033VMC加工中心為例來介紹Vericut軟件的虛擬機(jī)床的創(chuàng)建及仿真加工方法。

1 2033VMC加工中心的工作原理和結(jié)構(gòu)分析

1.1 2033VMC加工中心的工作原理

加工中心（Machining Center，MC）是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動(dòng)化機(jī)床，也被稱為電腦鑼。加工中心備有刀庫(kù)，具有自動(dòng)換刀功能，對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。加工中心是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇、更換刀具，自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序。不僅將測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間和工件裝夾時(shí)間大大減少了，還能夠應(yīng)對(duì)加工形狀較為復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的零件，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 2033VMC加工中心的結(jié)構(gòu)分析

加工中心主要由以下部分組成：①基礎(chǔ)部分；②主軸部件（Spindle）；③進(jìn)給機(jī)構(gòu)；④數(shù)控系統(tǒng)（C.N.C.）；⑤自動(dòng)換刀系統(tǒng)（A.T.C.）；⑥輔助裝置；⑦自動(dòng)托盤更換系統(tǒng)（A.P.C.）。2033VMC加工中心配FANUC數(shù)控系統(tǒng)，采用三軸直線機(jī)床加第四軸數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的形式，工作行程Z軸為510mm，X軸為850mm，Y軸520mm；T型槽5×18mm×100mm，A軸-99999.999°～99999.999°；主軸轉(zhuǎn)速60～10000r/min；工作臺(tái)面900×510mm；功率11kW，刀庫(kù)容量24把刀。

2 加工中心模型的建立

2.1 機(jī)床模型構(gòu)建方法

在VERICUT7.3軟件中，構(gòu)建機(jī)床仿真模型有兩種方法：①在VERICUT7.3軟件中添加一些簡(jiǎn)單立方體、圓柱、圓錐等模型，對(duì)于一些復(fù)雜的機(jī)床部件很難完成，特點(diǎn)是不需要文件轉(zhuǎn)換，效率高。②采用三維CAD軟件（如UG、Pro/E、Solidworks等）根據(jù)機(jī)床實(shí)際尺寸，對(duì)逐個(gè)部件進(jìn)行建模。本次采用UG8.軟件5根據(jù)機(jī)床部件的實(shí)際測(cè)量尺寸進(jìn)行建模，然后將建好的機(jī)床的各個(gè)部件的三維模型進(jìn)行裝配，裝配是根據(jù)機(jī)床的實(shí)際部件的功能和接觸的位置來裝配，把裝配好的機(jī)床模型轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入VERICUT7.3軟件中，用機(jī)床坐標(biāo)系定位整個(gè)機(jī)床，務(wù)必保證在組件各自的機(jī)床零點(diǎn)位置定義所有組件。在模型轉(zhuǎn)換的時(shí)候，可能引起其位置變化，這樣在VERICUT中其所需要移動(dòng)的坐標(biāo)值，可以由CAD軟件的測(cè)量功能來求得，所以要用旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)的方式，得到所需要的狀況。

2.2 分析機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系endprint

通過觀察機(jī)床的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，2033VMC加工中心共有三條運(yùn)動(dòng)鏈：運(yùn)動(dòng)鏈一：床身（BASE）-Z軸-主軸-刀具；運(yùn)動(dòng)鏈二：床身（BASE）-Y軸-X軸- A軸-附件；運(yùn)動(dòng)鏈三：床身（BASE）-X2軸-Y2軸- 刀具鏈。根據(jù)上述的2033VMC加工中心結(jié)構(gòu)關(guān)系，就可以構(gòu)建機(jī)床模型了，具體步驟如下：

2.2.1 底座部分的構(gòu)建

新建一個(gè)新的項(xiàng)目，并保存為項(xiàng)目文件名稱為“basic_4axes_vmill.VcProject”。在圖形窗口中，從彈出的對(duì)話框中，鼠標(biāo)雙擊控制，加載機(jī)床的控制系統(tǒng)文件。加載控制系統(tǒng)文件法拉克10m 數(shù)控銑床控制系統(tǒng)文件——“fan10m.ctl”。然后鼠標(biāo)右鍵單擊Base，在彈出的下拉菜單中，選擇添加模型，因?yàn)?033VMC加工中心的底座部分圖形較為簡(jiǎn)單，直接可以在VERICUT7.3軟件中完成，如圖1所示。

2.2.2 添加機(jī)床其他的幾何模型

在項(xiàng)目樹中鼠標(biāo)右鍵單擊Base，在彈出的下拉菜單中，選擇添加模型依次選擇“Base→添加→選擇Y 線性，添加Y軸；右鍵單擊Y （0，0，0）→添加→選擇X 線性，添加X軸；右鍵單擊X（0，0，0）→添加→選擇A旋轉(zhuǎn)，添加A軸；按照同樣的方法，添加其他夾具及零件部件。選擇Base（0，0，0）→添加→選擇Z 線性，添加Z 軸；右鍵Z （0，0，0）→添加→主軸，添加主軸，右鍵主軸（0，0，0）→添加→刀具，添加刀具[2]。選擇Base（0，0，0）→添加→選擇X2線性，添加X2 軸；右鍵X2 （0，0，0）→添加→Y2，添加Y2軸，右鍵Y2 （0，0，0）→添加→刀具鏈，添加刀具鏈。按照上述的運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)系添加了模型，運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)系如圖2所示，機(jī)床模型如圖3所示。

2.3 機(jī)床參數(shù)的設(shè)定

組裝完機(jī)床的部件后，應(yīng)設(shè)置機(jī)床相應(yīng)參數(shù)，包括機(jī)床零點(diǎn)、機(jī)床參考位置、機(jī)床原點(diǎn)、補(bǔ)償方式、行程等，同時(shí)設(shè)置刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、機(jī)床轉(zhuǎn)心距的補(bǔ)償?shù)忍厥庖?。有兩個(gè)參數(shù)最為重要，即轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線到主軸軸線的偏移距離和轉(zhuǎn)動(dòng)中心到主軸端面的距離，這兩個(gè)參數(shù)的正確與否直接決定了仿真結(jié)果的真實(shí)與否[3]（見圖4-圖7）。

3 VERICUT的仿真加工、驗(yàn)證

要進(jìn)行數(shù)控程序的機(jī)床仿真與驗(yàn)證，首先應(yīng)預(yù)建整個(gè)數(shù)控加工工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，其過程通常如下[4]：

①項(xiàng)目初始化。在VERICUT7.3 中，建立新項(xiàng)目文件、設(shè)置視圖數(shù)量及類型和設(shè)置工作目錄等。項(xiàng)目文件名稱為“basic_4axes_vmill.VcProject”。

②加載機(jī)床文件、控制系統(tǒng)文件。本實(shí)例中，直接加載已經(jīng)創(chuàng)建好的控制系統(tǒng)文件和機(jī)床文件。

③創(chuàng)建刀具。分別建立如下刀具：1號(hào)刀：Φ12中心鉆頭；2號(hào)刀：Φ4鉆頭；3號(hào)刀：Φ4.8鉆頭；4號(hào)刀：Φ5鉆頭；5號(hào)刀：Φ6鉆頭；6號(hào)刀：Φ8平底刀；7號(hào)刀：Φ10圓鼻刀；8號(hào)刀：Φ8球頭刀。

④添加夾具，在UG8.5中完成夾具的模型的創(chuàng)建，并裝配，然后保存為STL格式即“夾具.stl”，導(dǎo)入到VERICUT7.3中，調(diào)整坐標(biāo)。

⑤添加加工模型，即安裝毛坯，如圖8所示。

⑥數(shù)控程序的添加。添加由UG8.5生成的名為“01.NC”的NC程序。

⑦建立坐標(biāo)系統(tǒng)。建立坐標(biāo)系統(tǒng)Csys1。

⑧設(shè)置G—代碼偏置—G54。定義加工坐標(biāo)系G54。

⑨指定加工刀具。完成搓接鼓的仿真加工，如圖9所示。

4 結(jié)束語

本文研究了2033VMC加工中心仿真過程中的三維建模和加工仿真技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，利用UG8.5 建立機(jī)床的部分模型及夾具和工件模型，然后在VER ICUT7.3 平臺(tái)上將機(jī)床各部件和工件進(jìn)行裝配，構(gòu)建了虛擬仿真機(jī)床，并對(duì)機(jī)床進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，使虛擬機(jī)床運(yùn)行起來跟實(shí)際機(jī)床一樣。通過搓接鼓零件的仿真加工與實(shí)際加工結(jié)果對(duì)比，實(shí)際加工如圖10所示，驗(yàn)證了虛擬機(jī)床的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，不僅有利于教學(xué)，而且在實(shí)際生產(chǎn)中，防止實(shí)際加工中產(chǎn)生干涉或過切，同時(shí)減少首件的試切的工作，大幅度提高加工效率，對(duì)我國(guó)的制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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[4]仲興國(guó).基于UG 和VERICUT 的四軸自動(dòng)編程及仿真[J]. 機(jī)床與液壓，2013（8）：10-12.endprint