基于VERICUT五軸數控機床虛擬樣機建模與數控仿真

曹 劍 李立軍 白廣華

（三峽大學機械與動力學院，宜昌 443002）

近幾年，隨著各行業對零件精度要求越來越高，使得五軸數控加工越來越重要。五軸數控機床具有自由度大、精度高且承受碰撞能力低等特點，因此五軸數控機床在執行切削加工之前，必須進行切削模擬仿真加工[1]。通過VERICUT軟件中的建模和仿真模塊，為實驗提高了一個虛擬加工環境，通過向軟件UG輸出刀位點，程序進行后置處理，并將處理后的參數信息導入到以實驗室數控機床模擬程序中，建立相應虛擬機床運動模型，從而顯示五軸數控機床工作過程中過切、干涉、超行程、撞刀等狀況，即可根據出現的狀況對參數進行修改和優化，最后得出最優加工程序，將得到的最優程序運用到實際機床上，能夠有效提升機床加工生產效率及安全性[2]。

1 機床建模

五軸機床虛擬建模包括三個步驟：第一，通過UG軟件對機床當中各個零部件進行三維立體建模，然后導出三維實體零件STL模型；第二，在軟件VERICUT8.0建立好各個零部件之間拓撲關系，然后將建立好的STL模型導入軟件；第三，選擇與實際機床配套的數控系統，通過之前建立好的拓撲關系，完成五軸虛擬機床建模。

在UG10.0三維建模過程中，需要根據實驗室中五軸數控機床各個零部件初步測量尺寸和相關資料數據信息，進行三維實體模型建立，按照各個零部件之間拓撲關系進行裝配。本文所研究的實驗室DMU 50五軸數控機床實體如圖1所示，DMU 50五軸虛擬數控機床如圖2所示。

2 虛擬機床數控仿真

在VERICUT軟件中，通過組件樹描述機床運動學模型，建立機床組件樹模型，然后根據幾何模型建立機床仿真模型。組件樹模型的建立其目的是要找出運動機床兩條運動鏈，即“工件-機架”運動鏈和“刀具-機架”運動鏈。（圖3為虛擬機床組建樹）根據組件樹描述各運動軸與工件和刀具之間的運動關系，建立虛擬機床組件數，如圖3所示?！皺C架-刀具”運動鏈為：底座（Base）→Z軸導軌→旋轉軸→刀架 →刀具（Tool）?！皺C架-工件”運動鏈為：底座（Base）→Y軸導軌→X軸導軌→夾具→工件（Stock）組成了。機床上兩個旋轉軸的運動和三個直線坐標軸的運動是相互獨立[3]。

圖3 虛擬機床組建樹

建立機床模型后還需要設置機床參數，在菜單“機床/控制系統>機床設定”中，列表框中要設置機床的參數如下：碰撞檢查系數設定（見圖4）、機床初始位置、機床參考點、換刀位置、行程極限、軸優先、子程序、機床備忘錄[4]。

2.1 機床設置。

在完成上述步驟后，機床建模工作完畢，接下來需要對建好的虛擬機床進行初步運行，然后進行一系列參數設置，虛擬機床才能夠按照數控程序順利運行。在運行的過程中可能會出現干涉、碰撞、過切以及超行程等問題[5]。

2.2 刀具庫的建立

刀具是數控機床加工中一種非常重要的加工工具，在軟件VERICUT仿真加工開始前，首先建立刀具庫文件。一把刀具包含刀具切削部分、刀桿和刀具夾持部分等信息[6]。軟件VERICUT刀具設置界面如圖6所示。

圖4 機床碰撞檢查系數設定

圖6 刀具的設置界面圖

2.3 加入數控程序進行仿真

軟件VERICUT支持多種數控程序文件仿真，首先通過軟件UG形成刀位點，然后通過后置處理生成G代碼數控程序，最后將生成的G代碼程序導入到VERICUT中[7]。軟件VERICUT數控程序如圖7所示。

3 仿真結果

在完成虛擬機床加工設置后，對數控機床進行虛擬仿真，軟件VERICUT系統在加工仿真過程中設置為左、右兩個視圖：左圖設置為“機床/切削模型”，主要是觀察數控機床在加工過程中各個坐標軸之間的運行情況；右圖設置為“工件”，主要是在加工的過程中，展現毛胚材料去除狀況和走刀路徑。仿真結果如圖8所示。

圖7 數控程序

根據仿真結果顯示，機床在仿真過程中能夠按照程序來加工工件，但是在加工過程中，Y軸、Z軸方向出現了超行程現象，如圖9所示。

根據虛擬機床建模和仿真可知，程序在Y軸、Z軸超出了機床形程，其原因是UG10.0軟件自動生成數控程序與Vericut 8.0設置不相符，可以將自動生成的程序設置在機床行程范圍內，這樣自動生成的數控程序就可以在機床中穩定運轉。

4 結語

本文根據真實機床各零部件之間的拓撲關系建立了DMU50五軸數控機床的虛擬樣機，并對Sin840D控制系統中特定的編碼和G代碼進行了編輯和設定，定向開發了一套適合于DMU50五軸數控機床的后置處理程序。通過仿真驗證，了解到該后處理程序可以最大限度避免實際加工過程中出現碰撞、過切和超行程等問題，提高了加工程序可靠性和實用性。另外，將軟件VERICUT和軟件UG兩者進行結合，可以運用在新型數控機床研發工作上，可有效縮短研發時間和研發經費。

圖8 仿真結果

圖9 錯誤檢查報告