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

曹旭妍

進行多軸加工時，NC程序正確性無法通過人力來識別。試件加工中NC程序的正確性對機床安全有重要影響?；赩ERICUT平臺，構(gòu)建數(shù)控機床虛擬仿真系統(tǒng)，對樣件進行仿真加工，能直觀、快速地觀察加工過程，檢查加工中可能出現(xiàn)的碰撞、干涉等危險情況，驗證NC的正確性，提高樣件實際加工的效率，同時保障了機床的安全、高效應(yīng)用。

一、引言

多軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動多樣，是加工復(fù)雜零件、異形零件的重要工具。隨著國內(nèi)加工制造技術(shù)的不斷發(fā)展與升級，多軸機床得到越來越多的應(yīng)用。然而，復(fù)雜零件NC程序的正確性制約了該類機床的高效應(yīng)用。如何有效地對NC程序的正確性進行快速、準確的檢驗對提高機床的實用效率具有重要意義。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)能夠快速、準確的對工件進行仿真加工，驗證NC程序的正確性，同時能夠預(yù)先知道加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞等危險情況，對NC程序的識錯、改進具有重要作用。本文以DMC70ev數(shù)控機床為原型，研究了該機床的結(jié)構(gòu)及運動特點，在VERICUT中構(gòu)建其虛擬仿真加工系統(tǒng)，并對一液壓殼體零件進行仿真加工，驗證了NC程序的正確性，為同類機床的虛擬模型構(gòu)建提供一定參考。

二、構(gòu)建機床虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬仿真系統(tǒng)其實質(zhì)就是將實際機床在虛擬計算機環(huán)境中的完全映射，通過對機床的運動、結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息進行分析，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建機床的三維實體，同時對其賦予特定的運動特性，使其達到與實際機床一致的加功功能，滿足仿真加工的要求。

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.機床模型建立

DMC70ev機床為典型的五軸機床，其運動軸包括X、y和Z三個線性軸。此外，還包含b、c兩個旋轉(zhuǎn)軸。通過測量工具對機床各個運動部件的尺寸進行測量，同時測量機床初始狀態(tài)下各部件的位置及其相對尺寸，為三維模型的創(chuàng)建提供原始數(shù)據(jù)。

構(gòu)建機床模型，不僅包含了各結(jié)構(gòu)部件的三維形體，同時還要對其賦予相應(yīng)的運動關(guān)系，使其按照要求的邏輯關(guān)系來運動。VERICUT中運動關(guān)系是通過機床運動樹來實現(xiàn)的，根據(jù)實際機床的運動邏輯，在運動樹中添加：機架-Y-A夾具-工件；機架-X-Z-主軸-刀具運動鏈，如圖2所示。將各部件的三維模型導(dǎo)入機床運動樹中的相應(yīng)位置，完成機床三維模型的建立。

3.建立刀具庫

刀具的建立必須與實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)問題，而實際應(yīng)用中出現(xiàn)碰撞等危險隋況。VERICUT中建立刀具可通過兩種方式。直接建立，VERICUT中提供了豐富的刀具設(shè)計樣本，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刀具管理庫中。

4.配置控制系統(tǒng)及機床參數(shù)設(shè)置

VERICUT系統(tǒng)庫中提供了豐富的控制系統(tǒng)可供選擇，本文中機床的控制系統(tǒng)為Millplus IT V530，系統(tǒng)庫中并沒有該控制系統(tǒng)，因此需專門進行定制。根據(jù)機床手冊中給定的機床控制代碼及其功能，配置相應(yīng)的控制代碼及功能，實現(xiàn)與實際機床相同的控制指令開發(fā)。

為確保仿真加工的順利進行，還需進行機床參數(shù)的正確設(shè)置。虛擬仿真系統(tǒng)中要對機床行程、碰撞檢測、換刀點、G代碼偏置等參數(shù)進行設(shè)置。只有機床參數(shù)設(shè)置正確，當(dāng)仿真中出現(xiàn)碰撞、超程等情況時，系統(tǒng)才會及時、準確的進行提示，因此該項對于虛擬系統(tǒng)的可靠性和準確性具有重要意義。根據(jù)實際參數(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，對工件進行工藝處理，生成刀具軌跡。目前大多數(shù)機床僅能識別NC程序，因此要將刀位文件轉(zhuǎn)化為機床能直接識別的NC程序，實現(xiàn)加工。CATIA本身提供了強大的后置處理模塊，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，即僅能對三軸以下的運動進行處理，四軸及以上的多軸聯(lián)動運動軌跡則無法進行后置處理。本文為了最大限度的測試虛擬系統(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后處理模塊無法實現(xiàn)NC程序的生成?；诖?，通過IMSPOST通用后置處理平臺，開發(fā)專用于該機床的后置處理器V530 POST，對液壓殼體零件的工藝文件進行后置處理，生成滿足機床加工要求的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)計好的毛坯、工件三維模型文件，檢查好機床的參數(shù)等無問題后即可進行仿真加工，如圖5所示

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

3.仿真結(jié)果分析

仿真加工結(jié)束后，通過自動比較模塊，對加工結(jié)果進行對比，可以檢測出加工中過切，欠切的部分（紅色區(qū)域為過切、藍色為欠切），同時可以對加工結(jié)果進行測量，預(yù)測加工結(jié)果，如圖6所示。

四、總結(jié)

本文針對多軸機床進行試件加工時NC程序正確性難以檢測的問題，基于仿真技術(shù)，以DMC70ev機床為原型，通過在計算機中建立機床虛擬仿真系統(tǒng)，并以一液壓殼體零件為加工樣件，對其進行仿真加工，驗證了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行識別，對實際加工中機床的安全保護提供有效保障，

同時對試件加工的效率有顯著提高，促進新產(chǎn)品的開發(fā)進程。