基于VERICUT的虛擬機(jī)床建模及應(yīng)用

丁 科,鄧 奕,寧立偉

(湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101)

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基于VERICUT的虛擬機(jī)床建模及應(yīng)用

丁 科,鄧 奕,寧立偉

(湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101)

VERICUT是一款既能對(duì)數(shù)控機(jī)床加工仿真又能進(jìn)行程序優(yōu)化的軟件，可預(yù)防加工程序錯(cuò)誤、機(jī)床碰撞、提升切削效率.為研究虛擬加工過(guò)程，通過(guò)UG對(duì)MV610加工中心進(jìn)行虛擬建模，在VERICUT軟件上進(jìn)行虛擬機(jī)床的組建，闡述了仿真機(jī)床建立的過(guò)程和方法，通過(guò)實(shí)例論述了在VERICUT平臺(tái)上進(jìn)行虛擬機(jī)床建模的過(guò)程，通過(guò)在虛擬平臺(tái)上的加工，成功對(duì)零件的加工過(guò)程進(jìn)行碰撞檢驗(yàn).

虛擬機(jī)床；建模；仿真；VERICUT

隨著制造業(yè)的發(fā)展，在產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中企業(yè)對(duì)各類零件的精度要求不斷提高，同時(shí)對(duì)縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期方面的要求也越來(lái)越高.一般來(lái)說(shuō)，借助CAM軟件自動(dòng)完成的刀具路徑經(jīng)后置處理后，所導(dǎo)出生成的數(shù)控程序也會(huì)因零件的精度提高、現(xiàn)狀復(fù)雜而變得復(fù)雜化[1].

虛擬機(jī)床是為虛擬制造建立一個(gè)真實(shí)的加工環(huán)境，它通過(guò)對(duì)產(chǎn)品整個(gè)加工過(guò)程的仿真，通過(guò)計(jì)算機(jī)以虛擬加工的方式仿真和評(píng)估各加工過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，有效地控制產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本.

VERICUT是一款基于Windows操作平臺(tái)計(jì)算機(jī)上的先進(jìn)專用數(shù)控加工仿真軟件，它可以進(jìn)行刀具路徑的仿真和優(yōu)化以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真.VERICUT可以進(jìn)行數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心、數(shù)控線切割和多軸機(jī)床的數(shù)控加工仿真，包括加工編程的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡、工件過(guò)切情況和刀、夾具運(yùn)動(dòng)干涉等錯(cuò)誤，可以直接代替實(shí)際加工過(guò)程中試切的工作[2].

本文通過(guò)UG軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)室MV610加工中心進(jìn)行建模，將建立好的機(jī)床模型導(dǎo)入VERICUT軟件，對(duì)某零件進(jìn)行數(shù)控加工仿真.

1 虛擬機(jī)床仿真系統(tǒng)的建立

虛擬機(jī)床的建模過(guò)程分為幾何實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模.

1.1 虛擬機(jī)床仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為運(yùn)用VERICUT軟件進(jìn)行MV610加工中心虛擬仿真環(huán)境的建立和實(shí)現(xiàn)仿真功能的過(guò)程.

圖1 虛擬機(jī)床仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)床幾何建模

幾何模型是構(gòu)建虛擬數(shù)控機(jī)床三維特征的基本元素，反應(yīng)了機(jī)床部件的形狀位置特征.機(jī)床模型建立按照以下順序進(jìn)行.

(1)把機(jī)床的幾何模型分解為底座、鞍座、工作臺(tái)、床身、立柱、主軸、刀庫(kù)等主要部件模型，確定MV610加工中心各主要部件的實(shí)際尺寸和部件在初始位置時(shí)各部件之間的相對(duì)位置數(shù)據(jù).

(2)構(gòu)建機(jī)床各主要部件的三維模型.本文是運(yùn)用UG/NX軟件完成的，然后將各運(yùn)動(dòng)組件輸出為STL或IGES格式以便于在VERICUT中調(diào)用.

(3)完成夾具的建模.夾具建模的主要作用一方面反映毛坯在夾具中的裝夾位置和狀態(tài)，另一方面是用來(lái)檢測(cè)夾具和機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件之間的干涉、碰撞.夾具的各個(gè)部件也是在UG/NX中進(jìn)行建模并裝配，裝配后的文件保存成STL或IGES格式，仿真加工時(shí)導(dǎo)入各夾具體.

(4)虛擬機(jī)床幾何模塊的導(dǎo)入.在機(jī)床組件樹(shù)中分別導(dǎo)入Y軸、X軸、Z軸、主軸以及刀庫(kù)模型的“STL格式”.BASE模型文件如圖2所示，X、Y、Z軸模型文件分別如圖3、圖4、圖5所示.

圖2 BASE模型文件

圖3 X軸模型文件

圖4 Y軸模型文件

圖5 Z軸模型文件

(5)刀具系統(tǒng)的建模.VERCIUT的刀具管理模塊可以實(shí)現(xiàn)刀具幾何參數(shù)和加工參數(shù)的定義，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具庫(kù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)操作功能，并保存在刀具庫(kù)文件中.在VERICUT刀具管理器中完成刀具庫(kù)的建模.根據(jù)實(shí)際加工要求，建立符合加工工藝的刀具庫(kù)，刀庫(kù)中每把刀具的刀號(hào)、類型與實(shí)際刀具相同.刀具信息包括切削部分、刀桿和刀具夾持部分，刀具建模設(shè)置切削部分的具體形狀參數(shù)和刀桿和刀具夾持部分的形狀及相應(yīng)尺寸，并可通過(guò)坐標(biāo)調(diào)整來(lái)確定其在機(jī)床上的安裝位置.刀具模型圖如圖6所示.

圖6 刀具管理器

(6)完成MV610加工中心的整體裝配.機(jī)床的整體裝配反映的是各部間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，組合關(guān)系和相對(duì)位置關(guān)系.根據(jù)部件之間的裝配順序和位置關(guān)系在UG/NX完成機(jī)床的整體裝配，裝配時(shí)注意機(jī)床的各部件所處的位置要與實(shí)際機(jī)床初始的位置一致.完成整體裝配后的機(jī)床如圖7所示.

圖7 機(jī)床總裝圖

1.3 虛擬機(jī)床的運(yùn)動(dòng)建模

虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)建模的關(guān)鍵技術(shù)就是分析數(shù)控機(jī)床各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，由運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立相應(yīng)的機(jī)床組件樹(shù).分析時(shí)要抓住兩條主要的傳動(dòng)關(guān)系鏈:一個(gè)是“機(jī)床床身”→“毛坯”傳動(dòng)鏈，一個(gè)是“機(jī)床床身”→“刀具”傳動(dòng)鏈.這兩條傳動(dòng)鏈構(gòu)成了數(shù)控機(jī)床的基本運(yùn)動(dòng)關(guān)系.以MV610加工中心為例，觀察機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，得出其兩大傳動(dòng)鏈關(guān)系.

(1)毛坯→夾具→X軸→Y軸→機(jī)床床身

(2)刀具→刀庫(kù)→機(jī)床床身

↓

主軸→Z軸→機(jī)床床身

在VERICUT系統(tǒng)中建立MV610加工中心組件樹(shù)模型如圖8所示.

機(jī)床組件樹(shù)只是完成了數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)模型，還不具備真正的仿真功能，還需要向各組件添加三維模型并裝配生成整個(gè)機(jī)床的空間三維立體模型，以反映出真實(shí)機(jī)床的幾何外形特征，并能利用三維模型實(shí)現(xiàn)機(jī)床部件的干涉碰撞檢測(cè).

圖8 MV610組件樹(shù)

1.4 虛擬機(jī)床的組建

按照毛坯→夾具→X軸→Y軸→機(jī)床床身；刀具→刀庫(kù)→機(jī)床床身

↓

主軸→Z軸→機(jī)床床身的順序，依次導(dǎo)入之前由UG/NX導(dǎo)出的各部件STL文件，并設(shè)定好各部件坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置關(guān)系，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕M建移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)完成MV610加工中心機(jī)床的組建.

2 基于VERICUT的虛擬機(jī)床應(yīng)用

2.1 零件工藝分析

在進(jìn)行數(shù)控銑削工藝分析時(shí)，主要從兩個(gè)方面考慮：效率、精度.理論上的加工工藝必須達(dá)到圖樣的要求之外，還需要能夠充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的功能價(jià)值.

(1)分析圖紙.圖9為某待加工的零件.分析圖上尺寸精度，幾乎所有表面均可在數(shù)控銑床上完成加工.依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量的不同和材料的利用效率，確定工藝方案：利用機(jī)夾虎鉗兩次裝夾，一次裝夾銑六方至尺寸139×99mm，二次裝夾完成工件表面、各凸臺(tái)、槽、曲面和型腔的銑削加工，至圖紙要求.

(2)確定數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng).

(3)工件的安裝和夾具的確定.

(4)工件材料的選擇及該材料的切削加工性能特點(diǎn).

圖9 加工的零件

2.2 利用MASTERCAM軟件完成對(duì)指定工件的仿真

(1)用Φ18的面銑刀完成對(duì)毛坯的表面銑削加工.

(2)挖槽加工.

(3)粗加工上表面各輪廓型腔.

依次完成毛坯的表面銑削→挖槽→上表面型腔的粗加工→圓角處的精加工→曲面的精加工→Φ12孔、Φ10孔的加工，MASTERCAM完成零件的加工后，選擇所有的刀具路徑如圖10所示，再單擊生成程序工具按鈕，按照軟件自帶的提示完成NC程序的自動(dòng)生成.

圖10 刀具路徑

2.3 零件的導(dǎo)入

在項(xiàng)目樹(shù)中通過(guò)選擇毛坯、添加模型、設(shè)定長(zhǎng)寬高為142×102×27mm的方塊毛坯，并將毛坯移動(dòng)到合適位置，生成模型文件.選擇已導(dǎo)出的零件“STL”文件，完成零件的添加，項(xiàng)目樹(shù)中零件模型如圖11所示.

圖11 零件模型

選擇“數(shù)控程序”，依次添加平面銑、挖槽、型腔粗加工、圓角精加工-1、圓角精加工-2、曲面精加工、鉆-1、鉆-2、鉆-3的NC程序如圖12所示.

圖12 NC程序

2.4 刀具的導(dǎo)入

選擇、添加刀具文件MV-610tls完成刀具導(dǎo)入，確定刀具偏置值并置于寄存器中，完成刀具各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)機(jī)床G54工件坐標(biāo)系的創(chuàng)建和刀具的對(duì)刀過(guò)程[5].

2.5 零件的仿真加工

打開(kāi)VERICUT軟件，重新加載MV610加工中心機(jī)床文件、刀具庫(kù)文件、數(shù)控程序，完成機(jī)床的坐標(biāo)系設(shè)定和對(duì)刀.在仿真加工前可通過(guò)“項(xiàng)目”→“手工數(shù)據(jù)輸入”來(lái)檢驗(yàn)機(jī)床參數(shù)設(shè)定是否安全如圖13.在“手動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)”選擇Z軸，依次輸入G00Z50；G00Z28；G01Z27；G01Z0程序段，完成本文中MV610虛擬加工中心仿真前的機(jī)床校驗(yàn)，進(jìn)行零件的仿真加工，仿真加工結(jié)果如圖14所示.

圖13 手工數(shù)據(jù)輸入界面

圖14 仿真

3 總結(jié)

本文主要通過(guò)對(duì)MV610加工中心虛擬機(jī)床的建模過(guò)程、模型的導(dǎo)出、整個(gè)機(jī)床的組建以及數(shù)控系統(tǒng)的配置、機(jī)床初始化參數(shù)的設(shè)定等方面的描述，介紹了基于VERICUT的虛擬機(jī)床建模的一個(gè)大致過(guò)程.并在這個(gè)基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)例對(duì)VERICUT構(gòu)建的虛擬機(jī)床做了簡(jiǎn)單應(yīng)用，圍繞零件的工藝分析、刀具的選擇、NC程序的生產(chǎn)以及零件、刀具、程序的導(dǎo)入，介紹了在VERICUT平臺(tái)上進(jìn)行虛擬機(jī)床建

模的過(guò)程.

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[2] 鄭貞平，黃云林.Vericut 7.3數(shù)控仿真技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

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Modeling of Virtualmachine Tools Based on VERICUT and Its Applications

DINGke,DENG Yi,NING Li-wei

(College ofmech.Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

VERICUT is a software that can simulate the NCmachine toolmachining process,prevent themachining program error,machine tool collision,and improve the cutting efficiency.To study the virtualmachining process,the virtualmodel ofmV610machining center is carried out by UG.The process andmethod of building the simulationmachine tool are described by VERICUT software.And the process ofmodeling of virtualmachine tools on the VERICUT platform is explained by examples.Through the processing on a virtual platform,the success of themachinging process of the collision test is achieved.

virtualmachine tool；modeling；simulation；VERICUT

2016-01-18基金項(xiàng)目：湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012GK3077);湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(13CY023).作者簡(jiǎn)介：丁 科(1993- )，男，碩士研究生，研究方向：風(fēng)電裝備制造技術(shù)．通迅作者：鄧 奕(1968- )，男，教授，研究方向：風(fēng)電裝備設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)．

TH122

A

1671-119X(2016)02-0024-05