VERICUT軟件構(gòu)建五軸機(jī)床仿真模型的方法及應(yīng)用

摘 要：文章以數(shù)控仿真軟件VERICUT為開發(fā)平臺(tái)，以企業(yè)內(nèi)一臺(tái)五軸加工機(jī)床UCP600為例，探討了構(gòu)建五軸機(jī)床仿真模型的方法和步驟，并針對(duì)典型零件葉輪，進(jìn)行了數(shù)控程序仿真、優(yōu)化和試切加工，實(shí)際驗(yàn)證仿真系統(tǒng)的有效性，提高了企業(yè)五軸設(shè)備的加工效率和可靠性。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；仿真軟件；五軸機(jī)床

1 概述

五軸聯(lián)動(dòng)加工常用來加工連續(xù)、平滑的自由曲面，能夠有效提高曲面的加工精度、質(zhì)量和效率，在加工復(fù)雜曲面類零件方面具有很大優(yōu)勢(shì)。但五軸機(jī)床加工程序復(fù)雜，刀具路徑和機(jī)床各組成部件的位置關(guān)系不直觀，在加工過程中，容易發(fā)生干涉，碰撞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞機(jī)床，造成重大損失。

VERICUT是美國CGTech公司開發(fā)的一款數(shù)控加工過程仿真軟件，具有數(shù)控程序驗(yàn)證、機(jī)床加工模擬、程序優(yōu)化等多種功能，尤其適合五軸或車銑復(fù)合機(jī)床的仿真加工，能避免機(jī)床碰撞、消除程序中的錯(cuò)誤并優(yōu)化切削過程，提高加工效率、延長刀具壽命，達(dá)到降低加工成本的目的。

文章針對(duì)企業(yè)一臺(tái)五軸加工機(jī)床UCP600為實(shí)施對(duì)象，在VERICUT軟件上建立機(jī)床的仿真模型，進(jìn)行數(shù)控程序的仿真和優(yōu)化，并在機(jī)床上試切加工，取得較好的效果。

2 五軸機(jī)床仿真模型的建立

機(jī)床仿真模型的建立是進(jìn)行機(jī)床仿真的關(guān)鍵。建立機(jī)床仿真模型的一般步驟為：建立機(jī)床的運(yùn)動(dòng)模型；添加機(jī)床各部件幾何模型，建立刀具庫，配置控制系統(tǒng)等。

2.1 分析機(jī)床結(jié)構(gòu)，確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈

UCP600機(jī)床屬于工作臺(tái)回轉(zhuǎn)+擺動(dòng)的五軸加工中心，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。機(jī)床工作臺(tái)可繞A軸和C軸轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)床刀具安裝在主軸上，主軸通過立柱沿Z向運(yùn)動(dòng)，立柱連接滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)Y向運(yùn)動(dòng)，刀具-主軸-Z向立柱-Y向滑臺(tái)形成了刀具傳動(dòng)鏈。

毛坯和夾具在工作臺(tái)上裝夾，可繞C軸360°轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)與A軸轉(zhuǎn)臺(tái)連接，可以繞A軸擺動(dòng)；A軸轉(zhuǎn)臺(tái)與X向滑臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)X方向運(yùn)動(dòng)，工件-夾具-C軸工作臺(tái)-A軸轉(zhuǎn)臺(tái)-X向滑臺(tái)形成了工件傳動(dòng)鏈。經(jīng)過以上分析，UCP600機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈形式如圖2所示。

2.2 根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立機(jī)床組件樹

在VERICUT系統(tǒng)中，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)模型要以組件樹的形式表達(dá)，不同的組件對(duì)應(yīng)機(jī)床各種功能部件的實(shí)體模型。按照機(jī)床各個(gè)部件之間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和位置關(guān)系，將組件連接成組件樹，通過VERICUT軟件中的虛擬數(shù)控系統(tǒng)控制文件，控制組件的運(yùn)動(dòng)與實(shí)際機(jī)床運(yùn)動(dòng)相同。從而達(dá)到虛擬仿真的目的。依據(jù)UCP600機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈，建立的UCP600機(jī)床組件樹如圖3所示。

2.3 機(jī)床關(guān)鍵部件幾何建模，建立機(jī)床仿真實(shí)體模型

機(jī)床組件是沒有真實(shí)大小的，只是表達(dá)了機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間的邏輯關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床的仿真模擬和干涉碰撞檢測，必須建立相應(yīng)組件的幾何模型。在VERICUT系統(tǒng)中，可以使用軟件的建模功能建立部件模型（后綴為*.ply），也可以引用其他CAD系統(tǒng)建立部件模型，文件后綴一般為STL或STEP。

由于VERICUT軟件的建模功能有限，建議使用UG或CATIA等三維軟件建立機(jī)床各個(gè)部件模型。為此，在建模之前，需要了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)，收集機(jī)床各關(guān)鍵部件的具體尺寸、如工作臺(tái)大小、各坐標(biāo)軸行程等數(shù)據(jù)資料，也可以現(xiàn)場測繪機(jī)床部件的尺寸。如果條件許可，尤其是新購置機(jī)床時(shí)，還可以要求機(jī)床廠家提供STEP格式的機(jī)床三維模型，廠家一般都會(huì)提供。本企業(yè)機(jī)床UCP600的工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)和具體尺寸如圖4、圖5所示。

我們采用UG8.5軟件建立機(jī)床各個(gè)部件的幾何模型，并保存成STEP格式的文件，導(dǎo)入VERICUT系統(tǒng)，導(dǎo)入方法如圖6所示。需要注意的是，在UG軟件建模時(shí)，最好根據(jù)機(jī)床部件的實(shí)際裝配位置，將每個(gè)機(jī)床部件的模型坐標(biāo)系零點(diǎn)建立在機(jī)床的零點(diǎn)之上，這樣有利于在VERICUT系統(tǒng)中的部件位置配置。按照機(jī)床的真實(shí)尺寸和位置，以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈建立的UCP600機(jī)床仿真模型如圖7所示。

2.4 建立機(jī)床常用刀具庫

將UCP600機(jī)床常用的刀具建成標(biāo)準(zhǔn)刀具庫，仿真加工時(shí)可以直接調(diào)用。

2.5 配置機(jī)床初始參數(shù)設(shè)置

機(jī)床仿真實(shí)體模型建立后，必須根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況，對(duì)機(jī)床進(jìn)行初始化設(shè)置。包括換刀位置、行程、運(yùn)動(dòng)軸限位等參數(shù)，確保仿真機(jī)床的運(yùn)動(dòng)與實(shí)際機(jī)床運(yùn)動(dòng)一致。

2.6 配置數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)文件

建立的機(jī)床仿真模型必須配置控制系統(tǒng)，使虛擬機(jī)床具有解讀數(shù)控代碼、插補(bǔ)運(yùn)算、仿真顯示的基本功能。UCP600機(jī)床的控制系統(tǒng)為海德漢TNC430。在VERICUT軟件的控制系統(tǒng)文件庫中有對(duì)應(yīng)模版，可以直接選用。但是，系統(tǒng)提供的控制模版文件一般與實(shí)際機(jī)床控制文件不完全相符，需要根據(jù)具體機(jī)床的系統(tǒng)特點(diǎn)和編程習(xí)慣進(jìn)行修改，否則在實(shí)際加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。在VERICUT軟件中，配置和修改控制系統(tǒng)文件需要專業(yè)人員操作。

3 UCP600五軸機(jī)床仿真模型的應(yīng)用

建立機(jī)床仿真模型的目的是進(jìn)行零件加工程序的虛擬化仿真，校驗(yàn)程序的正確性，安全性，下面以一種典型葉輪的加工為例，介紹仿真的步驟及注意事項(xiàng)。

3.1 設(shè)計(jì)加工方案，編制數(shù)控程序

我們利用UGNX8.5軟件設(shè)計(jì)了葉輪的粗、精加工刀具路徑，因?yàn)槿~輪上的槽形和葉片屬于均布排列，為了縮短程序長度，我們只生成一個(gè)輪槽和葉片的程序，其它的通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)加工。規(guī)劃的葉輪加工刀路和數(shù)控程序如圖8所示。

3.2 數(shù)控程序?qū)隫ERICUT，進(jìn)行仿真分析

在VERICUT軟件中的仿真分析主要有兩項(xiàng)，一是機(jī)床干涉分析，主要檢測機(jī)床部件之間的干涉、刀具非切削路徑與工件的干涉、機(jī)床部件與工件之間的干涉等。一旦出現(xiàn)干涉，軟件會(huì)出現(xiàn)紅色警示區(qū)，并且在命令行中顯示干涉程序行，便于分析處理。二是加工精度分析，葉輪虛擬加工的仿真結(jié)果，可以和零件的三維模型對(duì)比分析，檢測加工過切、欠切情況，并顯示對(duì)應(yīng)的位置和結(jié)果。

我們將葉輪加工程序?qū)隫ERICUT軟件中，利用UCP600機(jī)床仿真模型進(jìn)行干涉和精度分析，結(jié)果顯示無干涉，無過切，符合加工精度要求。葉輪的仿真加工分析如圖9所示。

3.3 數(shù)控加工程序優(yōu)化，提高加工效率

干涉和精度分析之后，可以利用VERICUT軟件的刀具路徑優(yōu)化模塊（Optipath），對(duì)刀具切削參數(shù)和程序代碼進(jìn)行優(yōu)化，提高加工效率。優(yōu)化過程并不改變刀具原有加工路徑，而是根據(jù)刀具和工件材料、機(jī)床功率、刀具切削狀況等約束條件，參照預(yù)先設(shè)定的刀具切削參數(shù)優(yōu)化庫，重新計(jì)算進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，自動(dòng)改變程序代碼，生成優(yōu)化的數(shù)控程序，實(shí)現(xiàn)快速、高效切削。

實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序優(yōu)化的關(guān)鍵在于建立符合實(shí)際的加工優(yōu)化參數(shù)庫，這需要根據(jù)企業(yè)設(shè)備狀況和加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建立，并在實(shí)踐中不斷的補(bǔ)充和修正。

我們根據(jù)UCP600加工中心的設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)建立了優(yōu)化參數(shù)庫，對(duì)葉輪加工數(shù)控代碼進(jìn)行了優(yōu)化，并在機(jī)床上實(shí)際驗(yàn)證加工，效果良好，加工效果如圖10所示。

4 結(jié)束語

文章探討了利用VERICUT軟件構(gòu)建五軸數(shù)控機(jī)床加工仿真模型的方法和具體應(yīng)用。目前，機(jī)械加工企業(yè)的制造過程正向著集成化，信息化，智能化方向發(fā)展，五軸機(jī)床、車銑復(fù)合機(jī)床的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。利用VERICUT軟件仿真技術(shù)，可以有效地防止五軸機(jī)床加工過程中出現(xiàn)的干涉、過切等加工錯(cuò)誤，預(yù)防機(jī)床事故，提高五軸設(shè)備的加工效率和可靠性。

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