基于Vericut7.3四軸虛擬機床建模和仿真的關(guān)鍵技術(shù)研究

葉選林+鄒騶+張武+楊栩生+謝鈺+楊炳華

摘要： 以2033VMC加工中心為研究對象，全面闡述了利用UG8.5和VERICUT7.3軟件對虛擬機床四軸虛擬機床建模和仿真的關(guān)鍵技術(shù)，提出了構(gòu)建虛擬機床的具體思路和方法。以搓接鼓零件仿真加工與實際加工結(jié)果對比，驗證該虛擬機床模擬仿真的正確性和實用性，有利于教學(xué)和實際生產(chǎn)，值得廣大基層的工程技術(shù)人員的借鑒和推廣。

Abstract： Taking 2033VMC machining center as research object， the key technologies of modeling and simulation of virtual machine tool four axis virtual machine tool based on UG8.5 and VERICUT7.3 software are described in the paper. The specific ideas and methods of constructing virtual machine tools are presented. Through the comparison between the simulation and the actual processing results of the rolling， it verifies the correctness and practicability of the simulation of the virtual machine tool. It is conducive to teaching and practical production， and it is worth the general level of engineering and technical personnel for reference and promotion.

關(guān)鍵詞： Vericut7.3；UG8.5；仿真加工；虛擬機床

Key words： Vericut7.3；UG8.5；simulation process；virtual machine tool

中圖分類號：TG659 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0120-03

0 引言

美國CGTECH公司基于Windows及UNIX系統(tǒng)平臺開發(fā)了一個新的數(shù)控加工仿真軟件，即VERICUT軟件，該軟件的組成模塊主要包括NC程序驗證模塊、CAD/CAM接口、實體比較模塊、高級機床特征模塊、多軸模塊、優(yōu)化路徑模塊、機床運動仿真模塊等，可仿真數(shù)控車床、加工中心、銑床、線切割機床和多軸機床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過程，也能進行NC程序優(yōu)化，改進表面質(zhì)量、延長刀具壽命、縮短加工時間，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤；具有真實的三維實體顯示效果，可以對切削模型進行尺寸測量，并能保存切削模型供檢驗、后續(xù)工序切削加工。它有強大的功能模塊，不僅能夠真實地模擬出在加工過程中刀具的切削、加丁零件、夾具、工作臺及機床各軸的運動情況，而且能夠?qū)C程序進行仿真、驗證、分析及優(yōu)化[1]。本文以臺灣富裕機床廠生產(chǎn)的2033VMC加工中心為例來介紹Vericut軟件的虛擬機床的創(chuàng)建及仿真加工方法。

1 2033VMC加工中心的工作原理和結(jié)構(gòu)分析

1.1 2033VMC加工中心的工作原理

加工中心（Machining Center，MC）是由機械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動化機床，也被稱為電腦鑼。加工中心備有刀庫，具有自動換刀功能，對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。加工中心是高度機電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具，自動對刀、自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序。不僅將測量和機床調(diào)整等輔助工序時間和工件裝夾時間大大減少了，還能夠應(yīng)對加工形狀較為復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的零件，具有良好的經(jīng)濟效益。

1.2 2033VMC加工中心的結(jié)構(gòu)分析

加工中心主要由以下部分組成：①基礎(chǔ)部分；②主軸部件（Spindle）；③進給機構(gòu)；④數(shù)控系統(tǒng)（C.N.C.）；⑤自動換刀系統(tǒng)（A.T.C.）；⑥輔助裝置；⑦自動托盤更換系統(tǒng)（A.P.C.）。2033VMC加工中心配FANUC數(shù)控系統(tǒng)，采用三軸直線機床加第四軸數(shù)控回轉(zhuǎn)臺的形式，工作行程Z軸為510mm，X軸為850mm，Y軸520mm；T型槽5×18mm×100mm，A軸-99999.999°～99999.999°；主軸轉(zhuǎn)速60～10000r/min；工作臺面900×510mm；功率11kW，刀庫容量24把刀。

2 加工中心模型的建立

2.1 機床模型構(gòu)建方法

在VERICUT7.3軟件中，構(gòu)建機床仿真模型有兩種方法：①在VERICUT7.3軟件中添加一些簡單立方體、圓柱、圓錐等模型，對于一些復(fù)雜的機床部件很難完成，特點是不需要文件轉(zhuǎn)換，效率高。②采用三維CAD軟件（如UG、Pro/E、Solidworks等）根據(jù)機床實際尺寸，對逐個部件進行建模。本次采用UG8.軟件5根據(jù)機床部件的實際測量尺寸進行建模，然后將建好的機床的各個部件的三維模型進行裝配，裝配是根據(jù)機床的實際部件的功能和接觸的位置來裝配，把裝配好的機床模型轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入VERICUT7.3軟件中，用機床坐標(biāo)系定位整個機床，務(wù)必保證在組件各自的機床零點位置定義所有組件。在模型轉(zhuǎn)換的時候，可能引起其位置變化，這樣在VERICUT中其所需要移動的坐標(biāo)值，可以由CAD軟件的測量功能來求得，所以要用旋轉(zhuǎn)及移動的方式，得到所需要的狀況。

2.2 分析機床的運動關(guān)系endprint

通過觀察機床的結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系，2033VMC加工中心共有三條運動鏈：運動鏈一：床身（BASE）-Z軸-主軸-刀具；運動鏈二：床身（BASE）-Y軸-X軸- A軸-附件；運動鏈三：床身（BASE）-X2軸-Y2軸- 刀具鏈。根據(jù)上述的2033VMC加工中心結(jié)構(gòu)關(guān)系，就可以構(gòu)建機床模型了，具體步驟如下：

2.2.1 底座部分的構(gòu)建

新建一個新的項目，并保存為項目文件名稱為“basic_4axes_vmill.VcProject”。在圖形窗口中，從彈出的對話框中，鼠標(biāo)雙擊控制，加載機床的控制系統(tǒng)文件。加載控制系統(tǒng)文件法拉克10m 數(shù)控銑床控制系統(tǒng)文件——“fan10m.ctl”。然后鼠標(biāo)右鍵單擊Base，在彈出的下拉菜單中，選擇添加模型，因為2033VMC加工中心的底座部分圖形較為簡單，直接可以在VERICUT7.3軟件中完成，如圖1所示。

2.2.2 添加機床其他的幾何模型

在項目樹中鼠標(biāo)右鍵單擊Base，在彈出的下拉菜單中，選擇添加模型依次選擇“Base→添加→選擇Y 線性，添加Y軸；右鍵單擊Y （0，0，0）→添加→選擇X 線性，添加X軸；右鍵單擊X（0，0，0）→添加→選擇A旋轉(zhuǎn)，添加A軸；按照同樣的方法，添加其他夾具及零件部件。選擇Base（0，0，0）→添加→選擇Z 線性，添加Z 軸；右鍵Z （0，0，0）→添加→主軸，添加主軸，右鍵主軸（0，0，0）→添加→刀具，添加刀具[2]。選擇Base（0，0，0）→添加→選擇X2線性，添加X2 軸；右鍵X2 （0，0，0）→添加→Y2，添加Y2軸，右鍵Y2 （0，0，0）→添加→刀具鏈，添加刀具鏈。按照上述的運動鏈關(guān)系添加了模型，運動鏈關(guān)系如圖2所示，機床模型如圖3所示。

2.3 機床參數(shù)的設(shè)定

組裝完機床的部件后，應(yīng)設(shè)置機床相應(yīng)參數(shù)，包括機床零點、機床參考位置、機床原點、補償方式、行程等，同時設(shè)置刀具長度補償、機床轉(zhuǎn)心距的補償?shù)忍厥庖?。有兩個參數(shù)最為重要，即轉(zhuǎn)動中心軸線到主軸軸線的偏移距離和轉(zhuǎn)動中心到主軸端面的距離，這兩個參數(shù)的正確與否直接決定了仿真結(jié)果的真實與否[3]（見圖4-圖7）。

3 VERICUT的仿真加工、驗證

要進行數(shù)控程序的機床仿真與驗證，首先應(yīng)預(yù)建整個數(shù)控加工工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，其過程通常如下[4]：

①項目初始化。在VERICUT7.3 中，建立新項目文件、設(shè)置視圖數(shù)量及類型和設(shè)置工作目錄等。項目文件名稱為“basic_4axes_vmill.VcProject”。

②加載機床文件、控制系統(tǒng)文件。本實例中，直接加載已經(jīng)創(chuàng)建好的控制系統(tǒng)文件和機床文件。

③創(chuàng)建刀具。分別建立如下刀具：1號刀：Φ12中心鉆頭；2號刀：Φ4鉆頭；3號刀：Φ4.8鉆頭；4號刀：Φ5鉆頭；5號刀：Φ6鉆頭；6號刀：Φ8平底刀；7號刀：Φ10圓鼻刀；8號刀：Φ8球頭刀。

④添加夾具，在UG8.5中完成夾具的模型的創(chuàng)建，并裝配，然后保存為STL格式即“夾具.stl”，導(dǎo)入到VERICUT7.3中，調(diào)整坐標(biāo)。

⑤添加加工模型，即安裝毛坯，如圖8所示。

⑥數(shù)控程序的添加。添加由UG8.5生成的名為“01.NC”的NC程序。

⑦建立坐標(biāo)系統(tǒng)。建立坐標(biāo)系統(tǒng)Csys1。

⑧設(shè)置G—代碼偏置—G54。定義加工坐標(biāo)系G54。

⑨指定加工刀具。完成搓接鼓的仿真加工，如圖9所示。

4 結(jié)束語

本文研究了2033VMC加工中心仿真過程中的三維建模和加工仿真技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，利用UG8.5 建立機床的部分模型及夾具和工件模型，然后在VER ICUT7.3 平臺上將機床各部件和工件進行裝配，構(gòu)建了虛擬仿真機床，并對機床進行參數(shù)設(shè)置，使虛擬機床運行起來跟實際機床一樣。通過搓接鼓零件的仿真加工與實際加工結(jié)果對比，實際加工如圖10所示，驗證了虛擬機床的準(zhǔn)確性和實用性，不僅有利于教學(xué)，而且在實際生產(chǎn)中，防止實際加工中產(chǎn)生干涉或過切，同時減少首件的試切的工作，大幅度提高加工效率，對我國的制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻：

[1]李建剛，俞春華，王琳，等.基于VERICUT非圓齒輪磨齒虛擬加工研究[J].機械傳動，2010，34（2）.

[2]王虎奇，張健，唐清春.基于VERICUT7.0五軸雙擺頭機床建模和仿真的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2014（6）：12-14.

[3]鄭貞平，黃云林，黎勝榮.VERICUT7.0數(shù)控仿真技術(shù)與應(yīng)用實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社出版社，2011：41-55.

[4]仲興國.基于UG 和VERICUT 的四軸自動編程及仿真[J]. 機床與液壓，2013（8）：10-12.endprint