VERICUT軟件構建五軸機床仿真模型的方法及應用

摘 要：文章以數控仿真軟件VERICUT為開發平臺，以企業內一臺五軸加工機床UCP600為例，探討了構建五軸機床仿真模型的方法和步驟，并針對典型零件葉輪，進行了數控程序仿真、優化和試切加工，實際驗證仿真系統的有效性，提高了企業五軸設備的加工效率和可靠性。

關鍵詞：數控加工；仿真軟件；五軸機床

1 概述

五軸聯動加工常用來加工連續、平滑的自由曲面，能夠有效提高曲面的加工精度、質量和效率，在加工復雜曲面類零件方面具有很大優勢。但五軸機床加工程序復雜，刀具路徑和機床各組成部件的位置關系不直觀，在加工過程中，容易發生干涉，碰撞，嚴重時甚至會損壞機床，造成重大損失。

VERICUT是美國CGTech公司開發的一款數控加工過程仿真軟件，具有數控程序驗證、機床加工模擬、程序優化等多種功能，尤其適合五軸或車銑復合機床的仿真加工，能避免機床碰撞、消除程序中的錯誤并優化切削過程，提高加工效率、延長刀具壽命，達到降低加工成本的目的。

文章針對企業一臺五軸加工機床UCP600為實施對象，在VERICUT軟件上建立機床的仿真模型，進行數控程序的仿真和優化，并在機床上試切加工，取得較好的效果。

2 五軸機床仿真模型的建立

機床仿真模型的建立是進行機床仿真的關鍵。建立機床仿真模型的一般步驟為：建立機床的運動模型；添加機床各部件幾何模型，建立刀具庫，配置控制系統等。

2.1 分析機床結構，確定機床運動鏈

UCP600機床屬于工作臺回轉+擺動的五軸加工中心，結構模型如圖1所示。機床工作臺可繞A軸和C軸轉動，機床刀具安裝在主軸上，主軸通過立柱沿Z向運動，立柱連接滑臺實現Y向運動，刀具-主軸-Z向立柱-Y向滑臺形成了刀具傳動鏈。

毛坯和夾具在工作臺上裝夾，可繞C軸360°轉動，工作臺與A軸轉臺連接，可以繞A軸擺動；A軸轉臺與X向滑臺連接，實現X方向運動，工件-夾具-C軸工作臺-A軸轉臺-X向滑臺形成了工件傳動鏈。經過以上分析，UCP600機床的運動鏈形式如圖2所示。

2.2 根據機床運動關系，建立機床組件樹

在VERICUT系統中，機床的運動模型要以組件樹的形式表達，不同的組件對應機床各種功能部件的實體模型。按照機床各個部件之間的實際運動和位置關系，將組件連接成組件樹，通過VERICUT軟件中的虛擬數控系統控制文件，控制組件的運動與實際機床運動相同。從而達到虛擬仿真的目的。依據UCP600機床的運動鏈，建立的UCP600機床組件樹如圖3所示。

2.3 機床關鍵部件幾何建模，建立機床仿真實體模型

機床組件是沒有真實大小的，只是表達了機床各個運動部件之間的邏輯關系。為了實現機床的仿真模擬和干涉碰撞檢測，必須建立相應組件的幾何模型。在VERICUT系統中，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等三維軟件建立機床各個部件模型。為此，在建模之前，需要了解機床的結構，收集機床各關鍵部件的具體尺寸、如工作臺大小、各坐標軸行程等數據資料，也可以現場測繪機床部件的尺寸。如果條件許可，尤其是新購置機床時，還可以要求機床廠家提供STEP格式的機床三維模型，廠家一般都會提供。本企業機床UCP600的工作臺的結構和具體尺寸如圖4、圖5所示。

我們采用UG8.5軟件建立機床各個部件的幾何模型，并保存成STEP格式的文件，導入VERICUT系統，導入方法如圖6所示。需要注意的是，在UG軟件建模時，最好根據機床部件的實際裝配位置，將每個機床部件的模型坐標系零點建立在機床的零點之上，這樣有利于在VERICUT系統中的部件位置配置。按照機床的真實尺寸和位置，以及機床運動鏈建立的UCP600機床仿真模型如圖7所示。

2.4 建立機床常用刀具庫

將UCP600機床常用的刀具建成標準刀具庫，仿真加工時可以直接調用。

2.5 配置機床初始參數設置

機床仿真實體模型建立后，必須根據機床的實際情況，對機床進行初始化設置。包括換刀位置、行程、運動軸限位等參數，確保仿真機床的運動與實際機床運動一致。

2.6 配置數控機床控制系統文件

建立的機床仿真模型必須配置控制系統，使虛擬機床具有解讀數控代碼、插補運算、仿真顯示的基本功能。UCP600機床的控制系統為海德漢TNC430。在VERICUT軟件的控制系統文件庫中有對應模版，可以直接選用。但是，系統提供的控制模版文件一般與實際機床控制文件不完全相符，需要根據具體機床的系統特點和編程習慣進行修改，否則在實際加工時會出現錯誤。在VERICUT軟件中，配置和修改控制系統文件需要專業人員操作。

3 UCP600五軸機床仿真模型的應用

建立機床仿真模型的目的是進行零件加工程序的虛擬化仿真，校驗程序的正確性，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。

3.1 設計加工方案，編制數控程序

我們利用UGNX8.5軟件設計了葉輪的粗、精加工刀具路徑，因為葉輪上的槽形和葉片屬于均布排列，為了縮短程序長度，我們只生成一個輪槽和葉片的程序，其它的通過坐標旋轉實現加工。規劃的葉輪加工刀路和數控程序如圖8所示。

3.2 數控程序導入VERICUT，進行仿真分析

在VERICUT軟件中的仿真分析主要有兩項，一是機床干涉分析，主要檢測機床部件之間的干涉、刀具非切削路徑與工件的干涉、機床部件與工件之間的干涉等。一旦出現干涉，軟件會出現紅色警示區，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果，可以和零件的三維模型對比分析，檢測加工過切、欠切情況，并顯示對應的位置和結果。

我們將葉輪加工程序導入VERICUT軟件中，利用UCP600機床仿真模型進行干涉和精度分析，結果顯示無干涉，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 數控加工程序優化，提高加工效率

干涉和精度分析之后，可以利用VERICUT軟件的刀具路徑優化模塊（Optipath），對刀具切削參數和程序代碼進行優化，提高加工效率。優化過程并不改變刀具原有加工路徑，而是根據刀具和工件材料、機床功率、刀具切削狀況等約束條件，參照預先設定的刀具切削參數優化庫，重新計算進給速度和主軸轉速，自動改變程序代碼，生成優化的數控程序，實現快速、高效切削。

實現數控程序優化的關鍵在于建立符合實際的加工優化參數庫，這需要根據企業設備狀況和加工經驗進行建立，并在實踐中不斷的補充和修正。

我們根據UCP600加工中心的設備使用經驗建立了優化參數庫，對葉輪加工數控代碼進行了優化，并在機床上實際驗證加工，效果良好，加工效果如圖10所示。

4 結束語

文章探討了利用VERICUT軟件構建五軸數控機床加工仿真模型的方法和具體應用。目前，機械加工企業的制造過程正向著集成化，信息化，智能化方向發展，五軸機床、車銑復合機床的應用范圍會越來越廣。利用VERICUT軟件仿真技術，可以有效地防止五軸機床加工過程中出現的干涉、過切等加工錯誤，預防機床事故，提高五軸設備的加工效率和可靠性。

參考文獻

[1]楊勝群.UG NX數控加工技術[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]趙中華.VDW-320五軸數控機床后置處理與虛擬仿真技術研究[J].上海工程技術大學學報，2007，21（4）：289-293.

[3]王學惠，劉世成.基于VERICUT的虛擬機床建模技術研究[J].現代制造工程[J].2007（8）：38-42.