虛擬數控機床仿真系統的研究與實現

李炳銳

摘 要：隨著五軸數控機床的廣泛應用，在其加工過程中進行仿真越來越重要。分析了五軸數控機床的結構特點，利用VERICUT軟件建立了機床的虛擬仿真系統。實際加工驗證表明，通過VERICUT的仿真能對NC程序進行檢驗，防止程序錯誤造成的機床干涉碰撞、零件的過切欠切等問題，提高加工的效率及安全性。

關鍵詞：VERICUT；數控機床；五軸機床；仿真加工

中圖分類號：TP391.9；TG659 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.020

隨著科學技術的發展，機械制造技術朝著越來越自動化、精密化的方向發展。在這種情況下，數控機床得以出現和廣泛發展，尤其是五軸數控加工機床。但由于機床的整體軸加工復雜性，機床多個運動軸同時運動，造成NC程序比較復雜，其正確性無法得到保證，導致在加工過程中有可能會出現干涉和碰撞的現象，造成一定的經濟損失。然而，通過虛擬環境下零件的仿真加工，可以構建對加工過程進行研究和預測的實驗平臺，對實際加工進行指導，對提高機床的使用效率和應用的安全性具有實際意義。

1 五軸數控機床結構介紹

五軸加工機床是指具有3個數控直線移動軸和2個數控回轉軸的機床。根據回轉軸的不同，五軸機床可分為3類：工作臺回轉/擺動、刀具雙擺動、工作臺回轉/刀具擺動。本文針對工作臺回轉/擺動五軸機床進行仿真系統應用研究。

該機床能夠實現一次裝夾下5個面的完全加工，其結構如圖1所示。A軸為傾斜軸，與Z軸夾角為55°，機床通過A軸的回轉來實現工作臺不同位置的轉換。

2 構建機床虛擬仿真系統

2.1 虛擬仿真系統的建立流程

虛擬仿真，又稱“虛擬現實技術”或“模擬技術”，就是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真系統是機床在計算機中的完整映射。該系統不消耗實際物料資源，能夠快速實現工件的加工，加工效率高、結果準確，能夠為實際加工提供依據。建立機床的虛擬仿真系統，不僅需要建立機床的三維模型，賦予機床各運動部件的運動關系，同時還要配置與實際一致的控制系統、刀具系統、機床運行行程等內容。圖2所示為建立虛擬仿真系統的流程圖。

2.2 三維建模

正確建立機床三維模型的前提是對實際機床尺寸進行準確測量。機床尺寸包括機床組成部件的外形、安裝尺寸、各運動部件間相對尺寸、回轉軸定位尺寸等，可通過測量工具及機床手冊完成機床尺寸的獲取。機床三維模型可以在VERICUT中建立，也可以在UG、CATIA等專業三維軟件中建立后導入VERICUT中。由于機床結構較復雜，本文在UG中完成機床各部件三維模型并保存為STL格式后導入VERICUT中。

2.3 機床組件樹構建

組件樹是機床運動關系的基礎，其建立是根據實際機床的運動關系來確定的。機床的運動關系由2條運動鏈來表達，即“基座—刀具”“基座—工件”。根據機床的運動鏈關系，依次添加機床運動軸組件，完成機床組件樹的創建，如圖3所示。

完成組件樹后，將各運動部件模型添加到相應組件下，完成機床實體模型的創建。添加幾何模型時，要考慮運動部件間的尺寸關系，根據實際機床的參數測量，要對組件坐標或模型坐標進行調整，使其結構與實際機床保持一致。將機床部件完全添加進組件樹后，機床的虛擬模型便基本建立完成了。

2.4 創建刀具庫

VERICUT刀具庫提供了多種刀具創建方式，可根據實際刀具的幾何尺寸，在VERICUT中直接創建刀具，也可在三維軟件中建立后再導入VERICUT中。刀具創建時，不僅要建立刀柄和刀片的幾何模型，還要對刀具的裝夾點、驅動點（對刀點）進行正確設置，這樣在進行刀具調用時，才能滿足加工使用的要求。

2.5 控制系統及機床參數設置

VERICUT中提供了多種控制系統，根據實際機床選取相應的控制系統，對虛擬仿真加工系統進行配置。由于VERICUT中提供的控制系統僅對通用控制代碼進行了功能設置，而機床廠家對一些特殊功能做了專門的代碼定義，因此，要保持與實際機床的加工功能一致，就需對控制系統進行專門配置。

完成機床虛擬模型及控制系統的配置后，還需對機床行程、碰撞檢測等進行設置。其目的在于告知機床，當加工中出現超程、碰撞等情況時，及時報警，用戶可根據錯誤提示查找問題所在，進而改善加工中的不合理之處。

3 仿真加工及實際驗證

建立好虛擬模型后，添加工件及相應的程序就可以進行實際的仿真了。本文以一葉輪零件為加工試件，對其進行虛擬仿真加工，如圖4（a）所示。加工中，在VERICUT圖形窗口中觀察刀具的走刀路徑及機床形態，同時注意是否有超程、干涉、碰撞等情況。加工完成后，通過比較模塊對加工結果進行比較，檢查加工結果中存在的過切欠切情況，分析不合理的工藝并進行改進，如圖4（b）所示。

將虛擬仿真驗證過的NC程序導入實際機床中，添加工件毛坯后進行實際驗證。觀察刀具的實際運動軌跡是否與仿真加工中的一致。加工完成后，對加工結果進行檢測，分析實際與仿真加工結果是否一致。

4 結束語

綜上，通過建立虛擬機床模型、控制系統配置、設置刀具庫構建了五軸機床數控機床虛擬制造系統，保障了加工程序的準確性，有效防止了加工過程中的碰撞和干涉現象，提高了加工的效率與加工質量。本文就涉及的關鍵技術進行了介紹和總結，可為實際機床的高效應用提供技術支持。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕