基于VERICUT的多通道數(shù)控車削中心加工仿真

王忠平，宋福田，李世濤，徐　鵬

(南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

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基于VERICUT的多通道數(shù)控車削中心加工仿真

王忠平，宋福田，李世濤，徐鵬

(南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

數(shù)控加工仿真技術已成為數(shù)控加工切削過程中必不可少的環(huán)節(jié)，尤其是對于復雜結構的貴重數(shù)控設備。想要最大化此類設備的效能，并確保設備安全，應在實際加工進行之前驗證刀具軌跡、切削參數(shù)的正確性和合理性，杜絕過量切削、刀具干涉和設備部件碰撞等意外錯誤。以企業(yè)中典型的多通道車削中心機床BOEHRINGER VDF 650為例，介紹了數(shù)控機床仿真軟件VERICUT的基本概念和配置方法，展示了其對該類復雜數(shù)控設備程序校驗的有效性和必要性。

多通道數(shù)控機床；數(shù)控加工仿真；數(shù)控系統(tǒng)配置

隨著制造業(yè)的發(fā)展，零件的復雜程度和精度要求越來越高，而CAD/CAM軟件的應用普及，也使得數(shù)控程序更加復雜，稍有不慎，就會出現(xiàn)刀具與工件、夾具以及附件頭與工件或夾具等碰撞，或者是不易察覺的過切、欠切等現(xiàn)象。為達到保護貴重設備安全和增加加工效率的目的，數(shù)控機床加工仿真就成為加工流程中極其重要的一環(huán)[1]。

VERICUT是CGTech公司研發(fā)的一款數(shù)控加工仿真軟件，是當前全球數(shù)控加工程序驗證、機床模擬和程序優(yōu)化軟件領域的領先者。VERICUT軟件由NC程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級機床特征模塊、實體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成。可仿真數(shù)控車床、銑床、加工中心、線切割機床和多軸機床等多種加工設備的數(shù)控加工過程；能進行NC程序優(yōu)化，縮短加工時間，可檢查過切、欠切，防止機床出現(xiàn)碰撞、超行程等錯誤；具有真實的三維實體顯示效果，切削模型可測量尺寸，并能保存模型供檢驗及后續(xù)工序切削加工。

1　數(shù)控機床仿真環(huán)境建立

建立數(shù)控仿真環(huán)境就是在計算機上建立虛擬的數(shù)控機床本體、控制系統(tǒng)和刀具庫等，通過添加毛坯，調用數(shù)控程序，就可以在PC機上觀看到和機床加工一樣的效果，因此，建立數(shù)控機床仿真環(huán)境是進行切削仿真的基礎。本文以一臺德國多通道車削中心機床BOEHRINGER VDF 650為例，通過VERICUT軟件進行機床的建模、運動關系構建，以及數(shù)控程序的仿真，從而進行程序校驗，機床碰撞檢查，預測零件加工過程中的各關鍵工序是否達標[2-3]。

1.1機床結構模型構建

在機床結構模型構建中，首先找出機床各運動部件的運行關系，并按其運行疊加的父子關系構建機床組件樹。本文要構建的車削中心機床BOEHRINGER VDF 650的結構復雜，主要體現(xiàn)在此臺車削中心具有2個刀塔(左刀塔和右刀塔)，2個主軸(第一主軸和第二主軸)，2個可編程中心支架(支架1和支架2)。對于這類具有多組可同時運動加工部件的機床，一般稱之為多通道機床，而在VERICUT軟件中構建這種機床時，多組運動部件則需要通過“子系統(tǒng)”屬性來區(qū)別[4]。就這臺機床來說，全部機床運動組件被區(qū)分為3個子系統(tǒng)：1)左刀塔；2)右刀塔；3)第二主軸和可編程中心支架。具體組件結構及其子系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1　組件結構及其子系統(tǒng)配置圖

1.2機床控制系統(tǒng)配置

數(shù)控仿真的核心是對各種數(shù)控設備的各種加工指令的支持。眾所周知，不同的機床設備具有各自不同的特定加工指令，而數(shù)控仿真則需要準確無誤地模擬出這些特定指令在機床上的運動效果。在VERICUT軟件中，特定控制系統(tǒng)指令的配置主要分兩大部分：1)申明命令的字符格式，包括命令字符的類型、數(shù)字格式等；2)此指令所帶來的特定動作宏指令，而這些宏指令是VERICUT軟件針對各種數(shù)控系統(tǒng)而開發(fā)的特定動作的集合。就車削中心BOEHRINGER VDF 650來說，因其結構復雜，運動組件眾多，因而具有眾多與眾不同的指令。最具有代表性的就是各運動組件間的同步指令，如加工準備階段支架的運動指令，第二主軸運動卡抓毛坯零件的運動指令等。支架1和支架2的運動指令M24/M25/M26/M27的配置細節(jié)如圖2所示。

圖2　支架1和支架2運動指令M24/M25/M26/M27配置

1.3創(chuàng)建刀具庫

VERICUT軟件可創(chuàng)建各種類型的加工刀具，如銑刀、車刀、鉆頭、絲錐和成型刀具等。一般刀具由兩部分組成，即刀體和刀柄，而這些部分的創(chuàng)建可以在VERICUT系統(tǒng)內輸入參數(shù)驅動創(chuàng)建，或者通過STL或STP格式導入其他三維CAD軟件的模型文件。創(chuàng)建刀具的步驟如下。

1)創(chuàng)建刀具切削部分。以車刀為例，首先就是創(chuàng)建車削刀片。在VERICUT刀具庫中選擇對應的刀片類型，并輸入對應的外形參數(shù)(見圖3)。

圖3　車刀刀片創(chuàng)建

2)創(chuàng)建刀柄部分。對于車削中心機床的車刀，刀柄部分模型一般分2塊：一塊是刀桿；另一塊是刀座。這2塊模型可以在VERICUT軟件里創(chuàng)建，也可以通過其他CAD軟件造型后以其他格式文件導入。在VERICUT軟件里創(chuàng)建車刀的刀桿如圖4所示。

圖4　車刀刀柄的創(chuàng)建

3)創(chuàng)建車刀刀座。車刀的切削特性是固定在機床刀塔上固定不動，所以車刀刀桿會通過刀座固定在車床刀塔上。刀座的形狀一般較為復雜，通常通過其他三維CAD軟件創(chuàng)建后導入VERICUT刀庫中。車刀刀座創(chuàng)建示意圖如圖5所示。

圖5　車刀刀座的創(chuàng)建

4)設置刀具裝夾點和裝夾方向。創(chuàng)建出的刀具通過裝夾點與機床上的裝刀位置重合，裝夾方向保證刀具的切削部分處于合適的位置。裝夾方向一般是針對車刀而言才需要設置，因為銑削刀具工作中是處于旋轉狀態(tài)，無需設置刀片方向，而車刀工作狀態(tài)是固定不動，若不注意刀片方向，可能會造成刀具切削錯位。裝夾點和裝夾方向設置圖如圖6所示。

圖6　裝夾點和裝夾方向設置

2　軸類零件車削仿真實例

典型軸類車削零件如圖7所示，該零件的加工涵蓋了各種主要的車削加工工藝，如車外圓、端面，鏜內孔以及車螺紋等。由于該零件兩端均需加工，如用普通車床加工，則需要2次裝夾才能完成整個零件的加工，而應用BOEHRINGER VDF 650機床，2個主軸可切換加工，從而保證了零件1次裝夾完成全部加工。

圖7　典型軸類零件實例

手工編制的2個刀塔的數(shù)控程序如圖8所示。該類程序的校驗完全依靠人工檢查，費時費力，不直觀，并容易遺漏，從而造成加工錯誤。

通過VERICUT軟件，加載構建好數(shù)控機床和控制系統(tǒng)文件，并對應載入加工毛坯模型、數(shù)控程序、加工刀具以及加工程序零點等信息，則可以在VERICUT視圖界面非常直觀地觀察數(shù)控程序的詳細加工過程，如支架的預定位、第一主軸和第二主軸對零件的抓取、以及2個刀塔分別的加工及同步等待等各種加工狀況。零件加工過程中的VERICUT仿真截圖如圖9所示。

圖8　2個刀塔數(shù)控程序

圖9　VERICUT軸類零件仿真

3　結語

隨著數(shù)控加工質量越來越嚴格要求，以及各種高端加工設備的廣泛應用，VERICUT軟件模擬仿真替代了簡單的人工校驗和機床試切，通過VERICUT軟件的數(shù)控化平臺檢驗了工件裝夾，機床運動，刀具、刀柄及機床附件等機構的運動過程， 避免了相互之間碰撞和干涉。這種程序驗證方法既提高了NC程序的可靠性，減少了程序在機床上的調試時間，確保了制件的加工質量，又減輕了工藝編程人員的工作壓力和勞動強度，提高了工藝員的編程效率，還為今后越來越復雜的數(shù)控加工程序的驗證提供了方便，也使數(shù)控加工登上了一個比較高的平臺。

[1] 袁紹斌，胡章洪，吳勤．虛擬制造技術在復雜曲面五軸聯(lián)動加工中的應用[J]．CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2006(2)：139．

[2] 李云龍，曹巖，魏娟，等．數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)VERICUT[M]．西安:西安交通大學出版社，2005．

[3] 劉東曉,董曉,張傳峰. 基于VERICUT的數(shù)控加工仿真驗證[J]. 新技術新工藝, 2015(12):97-100.

[4] 唐秀梅,牛昌安,楊勝群. Vericut數(shù)控加工仿真技術[M].北京：清華大學出版社, 2010.

責任編輯鄭練

Multi-channel CNC Turning Center Machine Simulation in VERICUT

WANG Zhongping, SONG Futian, LI Shitao, XU Peng

(CSR Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111, China)

CNC machining simulation technology has become an essential part of the cutting process, especially for the expensive complex structure CNC equipment. If we want to maximize the effectiveness of such devices, and to ensure the safety of the device, all cutting processes must be verified before the actual machining on devices. Ensure correct cutting parameters and rationality, prevent over-cutting, tool collisions, equipment components collisions, and other unexpected errors. The typical multi-channel turning center machine BOEHRINGER VDF 650 is taken as an example, introduce the basic concepts and configuration methods of VERICUT CNC machine simulation software, demonstrate its effectiveness and necessity of such a complex machine.

multi-channel CNC machine, CNC machine simulation, CNC control configuration

2015-11-13

TG 519.1

A

王忠平(1980-)，男，高級工程師，主要從事動車組車體加工工藝等方面的研究。