基于VERICUT虛擬五軸機(jī)床建模及應(yīng)用

林萍，華中平

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068）

軟件應(yīng)用

基于VERICUT虛擬五軸機(jī)床建模及應(yīng)用

林萍，華中平

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068）

設(shè)計(jì)出可供機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬的五軸機(jī)床模型，并利用此機(jī)床模型來(lái)執(zhí)行NC刀具路徑的計(jì)算機(jī)仿真。首先由Pro/ENGINEER設(shè)計(jì)出五軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)模型，接下來(lái)由PowerMILL設(shè)計(jì)五軸加工NC碼，再經(jīng)由VERICUT NC切削加工仿真軟件整合前兩者的數(shù)據(jù)并建立刀具數(shù)據(jù)后，即可開(kāi)始進(jìn)行五軸切削仿真，透過(guò)這樣的方式將Pro/ENGINEER、PowerMILL及VERICUT三種軟件中五軸機(jī)床資料整合為一，讓使用者可以了解五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的情形及切削模擬的結(jié)果，也讓使用者在NC加工程序設(shè)計(jì)完成后可以更簡(jiǎn)易、更快速地得到切削仿真的結(jié)果。

五軸機(jī)床；機(jī)構(gòu)建模；NC刀具路徑仿真

因?yàn)閭鹘y(tǒng)三軸機(jī)床的諸多限制，如使用上刀長(zhǎng)的限制、靜點(diǎn)切削及加工斜面效率較差，故無(wú)法滿(mǎn)足日益提高的精度及復(fù)雜的空間幾何形狀的加工質(zhì)量需求。隨著數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)的不斷革新，五軸機(jī)床加工已逐漸取代傳統(tǒng)三軸機(jī)床。雖然五軸機(jī)床可以滿(mǎn)足日益提高的加工需求，但是在技術(shù)層面上也相對(duì)增加了使用者使用及學(xué)習(xí)的困難，且由于五軸機(jī)床的自由度大及精度較高，機(jī)床承受不起碰撞，所以解決的方法即是在五軸機(jī)床執(zhí)行切削工作前先執(zhí)行切削仿真的測(cè)試。

本文研究設(shè)計(jì)出一個(gè)可供機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬的五軸機(jī)床模型，后續(xù)利用此機(jī)床模型來(lái)執(zhí)行NC加工模擬，主要內(nèi)容為整合Pro/E、PowerMILL及VERICUT三個(gè)系統(tǒng)的資料，在Pro/E系統(tǒng)下設(shè)計(jì)利用Topdown design的觀念來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)模型和工件模型，再由PowerMILL系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)NC程序，最后利用VERICUT系統(tǒng)來(lái)整合前述兩者及VERICUT的資料，讓使用者可以得到五軸機(jī)床和NC加工模擬結(jié)果。

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]。

1.1 虛擬五軸機(jī)床的幾何模型構(gòu)建

為了使五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)模型在Pro/E系統(tǒng)下能夠快速化設(shè)計(jì)變更，傳統(tǒng)的Bottom-up design設(shè)計(jì)方式，將各零件均分開(kāi)設(shè)計(jì)與繪制，最后再逐一組裝起來(lái)的方式已無(wú)法滿(mǎn)足及達(dá)到此需求，因此在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)模型時(shí)，勢(shì)必要使各零件間產(chǎn)生父子關(guān)系，以達(dá)到機(jī)構(gòu)模型同步變更的效果。

Top-down design在Pro/E系統(tǒng)中常用于組件及配合件的設(shè)計(jì)中，其有兩種基本的設(shè)計(jì)方式：（1）直接在組件中建立新零件。（2）在組件中修改變更零件。下面簡(jiǎn)單說(shuō)明這兩種方法[2]：

（1）在組件中直接建立新零件：按工具欄在組件中建立組件，如圖1所示，以建立新零件。

圖1 在組件中建立組件

以此方式建構(gòu)組件時(shí)，首先在組件模塊下將新零件內(nèi)定基準(zhǔn)平面FRONT、RIGHT、TOP定位到現(xiàn)變更的組件上，然后再逐一繪制實(shí)體或曲面等特征到此零件上。

（2）在組件中修改變更零件：將一個(gè)現(xiàn)更或已存在的零件組裝到組件上，然后點(diǎn)選此零件，按鼠標(biāo)右鍵，由彈出的選單中點(diǎn)選Activate，如圖2所示，以進(jìn)入該零件，進(jìn)行零件尺寸的修改、現(xiàn)更特征的修改、新特征的建立等等。

圖2 在組件中修改變更零件

本文中所使用的Top-down design是屬于上述第一種，即在組件中直接建立新零件的方式，因此在往后的介紹與說(shuō)明均為該方法的延續(xù)。

本研究在設(shè)計(jì)五軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)模型時(shí)，需考慮到該如何讓使用者以簡(jiǎn)單的操作即可得到修改完成的五軸機(jī)床模型，所以在Pro/ENGINEER系統(tǒng)下所設(shè)計(jì)規(guī)劃的機(jī)構(gòu)模型是相當(dāng)重要的，主要的設(shè)計(jì)規(guī)則包含了以下幾點(diǎn)：

（1）將五軸機(jī)床的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心都設(shè)定在坐標(biāo)系的X、Y或Z軸上。

（2）設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)模型時(shí)，將每一個(gè)機(jī)構(gòu)模型的坐標(biāo)系都定義在同一位置，讓VERICUT系統(tǒng)讀取檔案時(shí)不需額外去定義機(jī)構(gòu)模型的位置[3]。

（3）使用Top-down design的方式來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)模型，讓用戶(hù)可以對(duì)五軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)模型做同步設(shè)計(jì)變更。

本文中以工作臺(tái)傾斜型的五軸機(jī)床中的TATC機(jī)型（見(jiàn)圖3）為例來(lái)說(shuō)明。

圖3 五軸機(jī)床模型

1.2 定義機(jī)床組件的邏輯結(jié)構(gòu)

在基礎(chǔ)件Base以下有X線性軸、Y線性軸、外罩及ATC機(jī)構(gòu)。X線性以下有Z線性軸、Z線性軸以下有主軸節(jié)點(diǎn)，主軸節(jié)點(diǎn)以下有刀具節(jié)點(diǎn)。

Y線性以下有A旋轉(zhuǎn)軸、A旋轉(zhuǎn)以下有C旋轉(zhuǎn)、C旋轉(zhuǎn)以下有附件，附件節(jié)點(diǎn)以下有夾具節(jié)點(diǎn)，夾具節(jié)點(diǎn)下有毛坯，如圖4所示。另外還可以在基礎(chǔ)件以下定義機(jī)床外罩及ATC換刀系統(tǒng)組件。

2基于VERICUT的虛擬五軸機(jī)床的應(yīng)用

2.1 五軸機(jī)床數(shù)據(jù)的整合

本研究是以五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)定義機(jī)床虛擬節(jié)點(diǎn)及其邏輯關(guān)系、在虛擬節(jié)點(diǎn)上裝配機(jī)床模型、安裝機(jī)床控制系統(tǒng)文件、設(shè)置機(jī)床行程參數(shù)、利用手工數(shù)據(jù)方式測(cè)試機(jī)床、用執(zhí)行數(shù)控程序的方法測(cè)試機(jī)床等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合[4]。

2.1.1 定義機(jī)床結(jié)構(gòu)虛擬節(jié)點(diǎn)

由于五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)為整合的基礎(chǔ)，所以需先建立五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)，以所介紹的工作臺(tái)型的五軸機(jī)床為例，其結(jié)構(gòu)主要分成X及Y兩個(gè)部分，如圖5所示，在VERICUT系統(tǒng)中建立此結(jié)構(gòu)則先于VERICUT系統(tǒng)下建立一個(gè)新的項(xiàng)目，而此項(xiàng)目的初始結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中的CNC Machine包含了控制器（Control）及機(jī)器（Machine）兩個(gè)部分，其中機(jī)器底下包含了基座（Base）這個(gè)子結(jié)構(gòu)。

圖5 工作臺(tái)型五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)

圖6 CNC Machine的初始結(jié)構(gòu)

2.1.2 安裝機(jī)床結(jié)構(gòu)件模型

將機(jī)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)與導(dǎo)入五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)中，并在窗口中顯示五軸機(jī)床的各個(gè)機(jī)構(gòu)模型。以將基座模型匯入為例說(shuō)明如下：

（1）在項(xiàng)目樹(shù)中選擇節(jié)點(diǎn)，再單擊【添加模型】參數(shù)欄，在彈出的快捷菜單中選擇模型文件（Model File）如圖7所示，運(yùn)用加入的方式來(lái)將機(jī)構(gòu)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)中。同理，可以創(chuàng)建X組件模型、Z組件的模型、Y組件的模型、A軸組件的模型、旋轉(zhuǎn)C軸組件的模型。

圖7 將模型匯入至架構(gòu)

（2）將各個(gè)組件模型導(dǎo)入至機(jī)床結(jié)構(gòu)后，模型會(huì)以模型設(shè)計(jì)時(shí)的坐標(biāo)系原點(diǎn)為基準(zhǔn)來(lái)導(dǎo)入，如圖8所示，坐標(biāo)系原點(diǎn)與五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)的機(jī)械原點(diǎn)會(huì)重合，且當(dāng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，即可在窗口中看見(jiàn)五軸機(jī)床的基座模型。

圖8 模型導(dǎo)入后顯示在窗口中

當(dāng)所變更的機(jī)構(gòu)模型與五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)整合完畢后，即可得到如圖9所示的模型，每一個(gè)子結(jié)構(gòu)中皆包含了各自所代表的機(jī)構(gòu)模型，并如圖10所示，各個(gè)組件導(dǎo)入后的機(jī)床結(jié)構(gòu)模型都會(huì)顯示于窗口中。

圖9 子結(jié)構(gòu)所包含的機(jī)構(gòu)模型

圖10 整合完成的五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)模型

2.1.3 安裝機(jī)床控制系統(tǒng)文件

在左側(cè)的項(xiàng)目樹(shù)中右擊“控制”節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中【打開(kāi)】命令，然后在彈出的對(duì)話框中選擇文件vmd600_5ax_fan31im.ctl。

2.1.4 設(shè)定機(jī)床參數(shù)

在主菜單中執(zhí)行【設(shè)置】【機(jī)床設(shè)定】命令，選擇【碰撞檢測(cè)】選項(xiàng)卡，單擊【添加】按鈕，在【組件一】欄中單擊系統(tǒng)出現(xiàn)的【BASE】按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇【Z】，在【組件二】欄中單擊【BASE】按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇【Y】，再選中右側(cè)方框次組件。同理，設(shè)置其他參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模擬的正確性

本研究以五軸葉輪工件作為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模擬驗(yàn)證的范例，利用CGTech公司所開(kāi)發(fā)的商用實(shí)體模擬切削軟件VERICUT，進(jìn)行比對(duì)五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)的情形，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)模擬的正確性。另外，由于自行開(kāi)發(fā)了五軸機(jī)床后處理算法，因此也將針對(duì)本系統(tǒng)后處理轉(zhuǎn)換所得的NC程序，經(jīng)由VERICUT的實(shí)體切削模擬功能驗(yàn)證其正確性。如圖11所示，為本研究中NC加工仿真完成后的五軸機(jī)床，如圖12為本研究測(cè)試NC加工仿真完成后的結(jié)果，切削時(shí)每一點(diǎn)位置的刀具向量都為曲面的法線向量。

圖11 切削仿真完成的機(jī)床

圖12 五軸機(jī)床切削仿真完成的結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以Top-down design的方式來(lái)設(shè)計(jì)五軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)模型，來(lái)幫助使用者處理五軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)模型，并由VERICUT系統(tǒng)整合Pro/ENGINEER系統(tǒng)及PowerMILL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，成為一個(gè)整合性的數(shù)據(jù)，依用戶(hù)的需求來(lái)更改其中的數(shù)據(jù)后，即可得到五軸機(jī)床NC加工計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果[4]。

[1]趙立忠，郭登月，馬云輝，等.基于VERICUT的數(shù)控仿真環(huán)境建立與教學(xué)應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（1）：24-26.

[2]趙華，李衛(wèi)兵.基于VERICUT的CKA6150數(shù)控車(chē)床仿真研究[J].機(jī)械，2016（1）：24-27.

[3]陳鳳光，馬春文.基于VERICUT的數(shù)控宏程序仿真[J].機(jī)械工程師，2015（4）：104-105.

[4]林玉鋒，林清安．正交型五軸工具機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及NC刀具路徑之電腦模擬[D]．臺(tái)北：國(guó)立臺(tái)灣科技大學(xué)機(jī)械工程研究所，2012.

Modeling and Application of Virtual Five-axis Machine Tool Based on VERICUT

LIN Ping，HUA Zhong-ping
（Hubei University of Technology，Wuhan Hubei 430068，China）

In this paper，a five-axis machine tool model for mechanism motion simulation is designed，and the machine tool model is used to carry out the computer simulation of NC tool path.First of all，by Pro/ENGINEER design of the five-axis machine tool model，followed by PowerMILL design five-axis NC code，and then VERICUT NC cutting simulation software to integrate the first two data and the establishment of tool data，you can start five axis cutting simulation，through this way the Pro/ENGINEER，PowerMILL and VERICUT three kinds of software in the five-axis machine tool data into one，so that users can understand the five-axis machine tool simulation of the situation and cutting simulation results，so that users in the NC machining program design can be completed more easily and more quickly get the results of cutting simulation.

five-axis machine tools；structural modeling；NC tool path simulation

TP391.9

：A

：1672-545X（2017）01-0226-04

2016-10-11

林萍（1975-），女，浙江平陽(yáng)人，工程師，在讀研究生，主要從事機(jī)械制造與數(shù)控技術(shù)的教學(xué)與研究。