陳寶尚

基于VERICUT的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真研究

陳寶尚

（揚(yáng)州恒星精密機(jī)械有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

為了保證五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的安全性與可靠性，在實(shí)際的零件生產(chǎn)加工前落實(shí)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)、VERICUT加工仿真的一般過(guò)程的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了基于VERICUT的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的建模及其加工仿真過(guò)程，結(jié)合結(jié)果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了基于VERICUT的加工仿真分析的結(jié)果具有實(shí)用性與科學(xué)性。

VERICUT軟件；五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床；建模過(guò)程；加工仿真

在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工過(guò)程中，如果加工的零件相對(duì)復(fù)雜，則極容易產(chǎn)生零件與機(jī)床刀具碰撞、干涉的問(wèn)題，直接損傷加工零件或機(jī)床刀具，加大了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了保證五軸聯(lián)動(dòng)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(jiǎn)述

1.1 VERICUT軟件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

VERICUT軟件是美國(guó)CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢(shì)在于，既能夠完成多種CNC系統(tǒng)、刀位文件的仿真，又可以實(shí)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(shí)間、延長(zhǎng)刀具壽命、改進(jìn)表面質(zhì)量，檢查過(guò)切、欠切，防止機(jī)床碰撞、超行程等錯(cuò)誤。同時(shí)，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)三維實(shí)體顯示，可以完成切削模型尺寸的測(cè)量與保存，為檢驗(yàn)后續(xù)工序切削加工的步驟落實(shí)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(dǎo)入。就當(dāng)前的情況來(lái)看，VERICUT軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(shì)。

1.2 VERICUT加工仿真的一般過(guò)程

通常情況下，利用VERICUT軟件展開五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真的主要步驟如下：構(gòu)建虛擬機(jī)床（運(yùn)動(dòng)學(xué)）模型；構(gòu)建夾具、毛坯的模型；構(gòu)建刀具（特定機(jī)床使用的所有刀具，形成刀具庫(kù)）模型；設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)（包括刀具補(bǔ)償、工件編程原點(diǎn)等）；展開加工仿真（結(jié)合VERICUT軟件的實(shí)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(shí)完成尺寸、廢料的數(shù)值計(jì)算）。

1.3 VERICUT加工仿真設(shè)計(jì)的原理

依托五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床實(shí)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在VERICUT軟件（建模工具）中完成機(jī)床CAD模型的構(gòu)建；確定虛擬機(jī)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(kù)的構(gòu)建，并納入工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)加工仿真；比較加工仿真后獲取的零件與設(shè)計(jì)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(dòng)數(shù)控機(jī)床的建模

2.1 構(gòu)建機(jī)床組件樹

依托五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，提取出床身基體、左右運(yùn)動(dòng)部件、前后運(yùn)動(dòng)部件、上下運(yùn)動(dòng)部件、旋轉(zhuǎn)工件臺(tái)、主軸擺動(dòng)部件、主軸部件等關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)，并形成各部分的運(yùn)動(dòng)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(dòng)數(shù)控機(jī)床的組件樹的構(gòu)建，形成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

在本次研究的組件樹構(gòu)建中，上下運(yùn)動(dòng)部件位于Base根節(jié)點(diǎn)內(nèi)部、旋轉(zhuǎn)工件臺(tái)位于上下運(yùn)動(dòng)部件節(jié)點(diǎn)內(nèi)。同時(shí)，F(xiàn)ixture位于旋轉(zhuǎn)工件臺(tái)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部、Stock位于Fixture節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部。具體來(lái)說(shuō)，Stock依托Fixture實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而Fixture跟隨旋轉(zhuǎn)工件臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)工件臺(tái)隨著上下運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。前后運(yùn)動(dòng)部件放置于左右運(yùn)動(dòng)部件上，主軸擺動(dòng)部件圍繞前后運(yùn)動(dòng)部件擺動(dòng)。Tool位于Spindle上，而Spindle位于主軸擺動(dòng)部件中。

能夠看出，利用VERICUT軟件，能夠清晰掌握五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床中各個(gè)部件之間的依附與約束關(guān)系，依托組件樹顯示了該機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(dòng)數(shù)控機(jī)床各個(gè)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(dòng)數(shù)控機(jī)床整體的空間立體模型。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(dòng)數(shù)控機(jī)床的建模效果。

在此過(guò)程中，必須要保證機(jī)床模型的主要幾何參數(shù)與原有五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的相應(yīng)幾何參數(shù)保持一致，并將機(jī)床的原點(diǎn)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(zhǔn)確性與有效性。

2.3 設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)

2.3.1 設(shè)置機(jī)床的干涉檢查

在VERICUT軟件“機(jī)床設(shè)定”功能的支持下，能夠完成虛擬機(jī)床最基本狀態(tài)的設(shè)定。在本次五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真分析中，主要完成了10項(xiàng)組件間運(yùn)動(dòng)過(guò)程的干涉檢查，其中包含著機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的所有的碰撞問(wèn)題。本研究中，筆者設(shè)定1 mm為發(fā)生干涉的檢查臨界值。

2.3.2 設(shè)置機(jī)床的初始化

利用VERICUT軟件的“機(jī)床設(shè)定”功能，同樣可以完成虛擬機(jī)床初始狀態(tài)、換刀位置等多項(xiàng)細(xì)節(jié)參數(shù)的設(shè)定。在本研究中，將（0 0 0）設(shè)定為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床中旋轉(zhuǎn)中心樞軸的中心偏置；利用默認(rèn)值完成機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)、程序原點(diǎn)的設(shè)定；依托加工零件的參數(shù)實(shí)現(xiàn)換刀位置坐標(biāo)的設(shè)定。

2.3.3 設(shè)置機(jī)床的行程

結(jié)合現(xiàn)有五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工作行程，在VERICUT軟件中輸入左右運(yùn)動(dòng)部件、前后運(yùn)動(dòng)部件、上下運(yùn)動(dòng)部件、主軸擺動(dòng)部件、旋轉(zhuǎn)工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍值。

在這過(guò)程中，如果在加工仿真分析中出現(xiàn)部件運(yùn)動(dòng)范圍超出允許數(shù)值的情況時(shí)，則VERICUT軟件的相應(yīng)部件表述會(huì)呈現(xiàn)出紅色，并同時(shí)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(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)

在數(shù)控系統(tǒng)的支持下，虛擬機(jī)床能夠展開加工運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)控代碼解讀、運(yùn)算的插補(bǔ)、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(shè)置于虛擬機(jī)床中。同時(shí)，VERICUT軟件中還包含著機(jī)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(shè)定。

2.5 構(gòu)建機(jī)床刀具庫(kù)

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(kù)的組建。其中，在刀具庫(kù)中，存儲(chǔ)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(dòng)數(shù)控機(jī)床的仿真加工

3.1 準(zhǔn)備工作

3.1.1 調(diào)出刀具庫(kù)

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(dòng)數(shù)控虛擬機(jī)床以及機(jī)床刀具庫(kù)。

3.1.2 設(shè)定夾具

在仿真加工研究中，需要設(shè)定夾具，以此保證仿真加工的效果，與機(jī)床的實(shí)際加工更加貼近。

3.1.3 零件毛坯的準(zhǔn)備

零件毛坯的準(zhǔn)備過(guò)程與虛擬機(jī)床建模過(guò)程有著一定程度的一致性。在此過(guò)程中，需要依托CAD建模軟件完成形狀相對(duì)復(fù)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(dǎo)入VERICUT軟件中。此時(shí)，要結(jié)合零件編程原點(diǎn)將零件毛坯移動(dòng)至準(zhǔn)確位置，避免在仿真分析中發(fā)生加工錯(cuò)誤的問(wèn)題，進(jìn)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(duì)話框功能，能夠選擇、輸入數(shù)控程序。此時(shí)，研究人員可以結(jié)合實(shí)際需求，完成復(fù)數(shù)的數(shù)控程序的調(diào)入。

3.1.5 設(shè)置G代碼

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

3.2 仿真加工

當(dāng)虛擬機(jī)床復(fù)位后，即可判定其進(jìn)入待加工狀態(tài)，此時(shí)，可以落實(shí)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(gè)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(xì)節(jié)；右視圖主要展示了虛擬機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行情況，研究人員可以了解在加工中是否存在碰撞問(wèn)題，并掌握加工中的實(shí)際運(yùn)行情況。

如果在加工仿真過(guò)程中發(fā)生了干涉、過(guò)切、撞刀等問(wèn)題，VERICUT軟件的相應(yīng)位置會(huì)表現(xiàn)成紅色，同時(shí)在信息欄中顯示提示信息。完成加工仿真后，VERICUT軟件自動(dòng)形成日志文件，包含著虛擬機(jī)床整個(gè)加工過(guò)程中存在的信息，具體有加工仿真啟示時(shí)間與結(jié)束時(shí)間、刀軌名稱、錯(cuò)誤及警告數(shù)量等等。此時(shí)，顯示的錯(cuò)誤及警告信息能夠細(xì)化到某一程度段中，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

在本次五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真研究中，并未表現(xiàn)出欠切、過(guò)切的問(wèn)題，由此可以說(shuō)明，研究中使用的加工仿真模型符合設(shè)計(jì)的精度要求。

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

為了進(jìn)一步完成結(jié)果驗(yàn)證，保證基于VERICUT軟件的加工仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者落實(shí)了結(jié)果驗(yàn)證。此時(shí)，將上述分析過(guò)程中構(gòu)建起的零件仿真模型引入實(shí)際的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床完成加工，得到實(shí)體零件。

對(duì)比結(jié)果顯示，依托VERICUT軟件完成五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真分析的結(jié)果具有實(shí)用性與科學(xué)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(dòng)數(shù)控機(jī)床、復(fù)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(guò)切的問(wèn)題，研究中使用的加工仿真模型符合設(shè)計(jì)的精度要求。同時(shí)，為了保證加工仿真結(jié)果的科學(xué)性，落實(shí)了仿真零件模型的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)應(yīng)用，形成真實(shí)零件。驗(yàn)證結(jié)果顯示，依托VERICUT軟件完成五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真分析的結(jié)果具有實(shí)用性與科學(xué)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(jī)床后置處理技術(shù)和基于VERICUT的仿真加工技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

［2］黃振沛.VERICUT五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.057

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕