基于VERICUT的數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

曹旭妍

進(jìn)行多軸加工時(shí)，NC程序正確性無(wú)法通過(guò)人力來(lái)識(shí)別。試件加工中NC程序的正確性對(duì)機(jī)床安全有重要影響?；赩ERICUT平臺(tái)，構(gòu)建數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)，對(duì)樣件進(jìn)行仿真加工，能直觀、快速地觀察加工過(guò)程，檢查加工中可能出現(xiàn)的碰撞、干涉等危險(xiǎn)情況，驗(yàn)證NC的正確性，提高樣件實(shí)際加工的效率，同時(shí)保障了機(jī)床的安全、高效應(yīng)用。

一、引言

多軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)多樣，是加工復(fù)雜零件、異形零件的重要工具。隨著國(guó)內(nèi)加工制造技術(shù)的不斷發(fā)展與升級(jí)，多軸機(jī)床得到越來(lái)越多的應(yīng)用。然而，復(fù)雜零件NC程序的正確性制約了該類(lèi)機(jī)床的高效應(yīng)用。如何有效地對(duì)NC程序的正確性進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢驗(yàn)對(duì)提高機(jī)床的實(shí)用效率具有重要意義。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確的對(duì)工件進(jìn)行仿真加工，驗(yàn)證NC程序的正確性，同時(shí)能夠預(yù)先知道加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞等危險(xiǎn)情況，對(duì)NC程序的識(shí)錯(cuò)、改進(jìn)具有重要作用。本文以DMC70ev數(shù)控機(jī)床為原型，研究了該機(jī)床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在VERICUT中構(gòu)建其虛擬仿真加工系統(tǒng)，并對(duì)一液壓殼體零件進(jìn)行仿真加工，驗(yàn)證了NC程序的正確性，為同類(lèi)機(jī)床的虛擬模型構(gòu)建提供一定參考。

二、構(gòu)建機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬仿真系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)就是將實(shí)際機(jī)床在虛擬計(jì)算機(jī)環(huán)境中的完全映射，通過(guò)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息進(jìn)行分析，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建機(jī)床的三維實(shí)體，同時(shí)對(duì)其賦予特定的運(yùn)動(dòng)特性，使其達(dá)到與實(shí)際機(jī)床一致的加功功能，滿(mǎn)足仿真加工的要求。

1.創(chuàng)建虛擬仿真系統(tǒng)

在VERICUT中創(chuàng)建虛擬仿真系統(tǒng)，流程圖如圖1所示。

2.機(jī)床模型建立

DMC70ev機(jī)床為典型的五軸機(jī)床，其運(yùn)動(dòng)軸包括X、Y和Z三個(gè)線(xiàn)性軸。此外，還包含b、c兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。通過(guò)測(cè)量工具對(duì)機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量機(jī)床初始狀態(tài)下各部件的位置及其相對(duì)尺寸，為三維模型的創(chuàng)建提供原始數(shù)據(jù)。

構(gòu)建機(jī)床模型，不僅包含了各結(jié)構(gòu)部件的三維形體，同時(shí)還要對(duì)其賦予相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使其按照要求的邏輯關(guān)系來(lái)運(yùn)動(dòng)。VERICUT中運(yùn)動(dòng)關(guān)系是通過(guò)機(jī)床運(yùn)動(dòng)樹(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)邏輯，在運(yùn)動(dòng)樹(shù)中添加：機(jī)架-Y-A夾具-工件；機(jī)架-X-Z-主軸-刀具運(yùn)動(dòng)鏈，如圖2所示。將各部件的三維模型導(dǎo)入機(jī)床運(yùn)動(dòng)樹(shù)中的相應(yīng)位置，完成機(jī)床三維模型的建立。

3.建立刀具庫(kù)

刀具的建立必須與實(shí)際加工中使用到的刀具保持一致，否則可能造成仿真中不出現(xiàn)問(wèn)題，而實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)碰撞等危險(xiǎn)情況。VERICUT中建立刀具可通過(guò)兩種方式。直接建立，VERICUT中提供了豐富的刀具設(shè)計(jì)樣本，根據(jù)刀具的具體特征及參數(shù)，選擇所需結(jié)構(gòu)及尺寸即可生成刀柄、刀片。通過(guò)UG、CATIA等三維軟件建立，在三維軟件中，根據(jù)刀具、刀柄尺寸，建立相應(yīng)的三維模型，將其保存為STL格式文件，導(dǎo)入VERICUT刀具管理庫(kù)中。

4.配置控制系統(tǒng)及機(jī)床參數(shù)設(shè)置

VERICUT系統(tǒng)庫(kù)中提供了豐富的控制系統(tǒng)可供選擇，本文中機(jī)床的控制系統(tǒng)為Millplus IT V530，系統(tǒng)庫(kù)中并沒(méi)有該控制系統(tǒng)，因此需專(zhuān)門(mén)進(jìn)行定制。根據(jù)機(jī)床手冊(cè)中給定的機(jī)床控制代碼及其功能，配置相應(yīng)的控制代碼及功能，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際機(jī)床相同的控制指令開(kāi)發(fā)。

為確保仿真加工的順利進(jìn)行，還需進(jìn)行機(jī)床參數(shù)的正確設(shè)置。虛擬仿真系統(tǒng)中要對(duì)機(jī)床行程、碰撞檢測(cè)、換刀點(diǎn)、G代碼偏置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。只有機(jī)床參數(shù)設(shè)置正確，當(dāng)仿真中出現(xiàn)碰撞、超程等情況時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)及時(shí)、準(zhǔn)確的進(jìn)行提示，因此該項(xiàng)對(duì)于虛擬系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性具有重要意義。根據(jù)實(shí)際參數(shù)完成設(shè)置后，仿真系統(tǒng)構(gòu)建完成，如圖4所示。

三、仿真加工

1.NC程序生成

在三維軟件CATIA中建立液壓殼體零件的三維模型，對(duì)工件進(jìn)行工藝處理，生成刀具軌跡。目前大多數(shù)機(jī)床僅能識(shí)別NC程序，因此要將刀位文件轉(zhuǎn)化為機(jī)床能直接識(shí)別的NC程序，實(shí)現(xiàn)加工。CATIA本身提供了強(qiáng)大的后置處理模塊，能夠?qū)⒌段晃募苯犹幚聿⑸蒒C程序，但該模塊也有其局限性，即僅能對(duì)三軸以下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行處理，四軸及以上的多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡則無(wú)法進(jìn)行后置處理。本文為了最大限度的測(cè)試虛擬系統(tǒng)的加工功能，選擇了具“3+2”定軸加工特征的工件，因此直接用CATIA后處理模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)NC程序的生成?；诖?，通過(guò)IMSPOST通用后置處理平臺(tái)，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用于該機(jī)床的后置處理器V530-POST，對(duì)液壓殼體零件的工藝文件進(jìn)行后置處理，生成滿(mǎn)足機(jī)床加工要求的NC程序。

2.虛擬仿真加工

將生成的NC程序加載到虛擬仿真系統(tǒng)中，添加設(shè)計(jì)好的毛坯、工件三維模型文件，檢查好機(jī)床的參數(shù)等無(wú)問(wèn)題后即可進(jìn)行仿真加工，如圖5所示

仿真加工過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)干涉、碰撞、超程等問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)有相應(yīng)的提示信息，操作人員可根據(jù)信息提示，查找存在問(wèn)題的程序段，進(jìn)而分析問(wèn)題所在并進(jìn)行處理，排除工藝以及加工中可能存在的錯(cuò)誤。

3.仿真結(jié)果分析

仿真加工結(jié)束后，通過(guò)自動(dòng)比較模塊，對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以檢測(cè)出加工中過(guò)切、欠切的部分（紅色區(qū)域?yàn)檫^(guò)切、藍(lán)色為欠切），同時(shí)可以對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，預(yù)測(cè)加工結(jié)果，如圖6所示。

四、總結(jié)

本文針對(duì)多軸機(jī)床進(jìn)行試件加工時(shí)NC程序正確性難以檢測(cè)的問(wèn)題，基于仿真技術(shù)，以DMC70ev機(jī)床為原型，通過(guò)在計(jì)算機(jī)中建立機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)，并以一液壓殼體零件為加工樣件，對(duì)其進(jìn)行仿真加工，驗(yàn)證了NC程序的正確性。結(jié)果表明：基于VERICUT構(gòu)建的虛擬仿真系統(tǒng)能夠正確的進(jìn)行工件的仿真加工，加工中可能存在的碰撞、干涉等情況能夠有效進(jìn)行識(shí)別，對(duì)實(shí)際加工中機(jī)床的安全保護(hù)提供有效保障，

同時(shí)對(duì)試件加工的效率有顯著提高，促進(jìn)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。