基于VERICUT的三軸側(cè)銑削仿真技術(shù)研究

馬艷萍， 郭輝， 何多政， 沈勇

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任分公司，陜西漢中723003）

0 引 言

角度頭作為一種機(jī)床附件（如圖1），可用于與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成一定角度的工件加工，如管道內(nèi)壁或狹小空間銑削、孔內(nèi)壁切槽鉆孔等環(huán)境，不僅能減少工件裝夾次數(shù)，還能提高加工精度和效率。正是因?yàn)榻嵌阮^在銑削過程處于復(fù)雜的工況環(huán)境，切削仿真顯得尤為重要。

VERICUT作為被廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、模具制造等行業(yè)的一款仿真軟件，其最大特點(diǎn)是可模擬各種CNC系統(tǒng)。既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序。還提供了大多數(shù)CAD/CAM軟件的接口模塊，能輕松實(shí)現(xiàn)與UG、CATIA等軟件的嵌套運(yùn)行，可對數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、多軸機(jī)床等數(shù)控設(shè)備進(jìn)行程序驗(yàn)證、分析、優(yōu)化，過切、欠切檢查，機(jī)床仿真等操作[1-3]。

1 角度頭三維模型的創(chuàng)建與部件、毛坯導(dǎo)入VERICUT的快捷方法

角度頭三維數(shù)模創(chuàng)建方式較多，一般根據(jù)機(jī)床選用的角度頭幾何尺寸利用CAD/CAM三維軟件，在其加工模塊創(chuàng)建，如在UG加工模塊中，直接在WCS原點(diǎn)創(chuàng)建角度頭模型，并保證其坐標(biāo)系與部件加工坐標(biāo)系MCS平行（減少模型導(dǎo)入VERICUT后位置調(diào)整的復(fù)雜程度）；也可以直接在CADCAM三維軟件創(chuàng)建角度頭部件，并將其另存為VERICUT支持的模型格式，如*.stl、*.swp、*.igs、*.CATPart、*.model、*.stp、*.prt等；也可在VERICUT軟件中，按選用的角度頭幾何尺寸，采用創(chuàng)建掃略的建模方法，通過直線、圓弧或?qū)氲腄XF截面圖形掃略成三維模型。本文主要以UG10和VERICUT8.1進(jìn)行側(cè)銑建模仿真。

圖1 90°角度頭

圖2 VERICUT 8.1交互界面

采用VERICUT仿真接口導(dǎo)入部件、毛坯等元素是最快捷的方法。采用nx10.bat啟動(dòng)UG10內(nèi)置的VERICUT仿真接口或直接在UG10激活VERICUT仿真接口，通過交互界面選取加工部件，啟動(dòng)VERICUT完成模型自動(dòng)加載。具體步驟：在UG加工模塊中程序順序視圖下，任意選中一個(gè)程序根節(jié)點(diǎn)后，直接在主菜單點(diǎn)擊VERICUT仿真接口插件，啟動(dòng)VERICUT接口界面。在彈出的交互界面的模型設(shè)置中（如圖2），依次選擇工件模型、毛坯模型及夾具體；其他設(shè)置保持默認(rèn)；點(diǎn)擊Output and Run 啟 動(dòng)VERICUT。VERICUT軟件啟動(dòng)的同時(shí)，工件模型、毛坯模型及夾具體被一一導(dǎo)入添加至VERICUT項(xiàng)目下的工位中。

2 角度頭側(cè)銑功能

2.1 間接實(shí)現(xiàn)角度頭銑削功能

在VERICUT工位→Z軸→數(shù)模下, 選中機(jī)床Z軸模型中的主軸模塊，點(diǎn)擊快捷鍵添加模型→模型文件，選擇從UG導(dǎo)出的STL格式角度頭。建議將WCS坐標(biāo)創(chuàng)建于角度頭和機(jī)床主軸連接的端面中心，并保持MCS坐標(biāo)和WCS坐標(biāo)平行，便于后續(xù)角度頭在VERICUT中進(jìn)行裝配和移動(dòng)。激活刀尖零點(diǎn)坐標(biāo)，此時(shí)刀尖零點(diǎn)坐標(biāo)仍在主軸端面中心，須根據(jù)角度頭的尺寸位置參數(shù)，移動(dòng)刀具并旋轉(zhuǎn)Spindle刀軸方向。

在修改刀具位置和旋轉(zhuǎn)Spindle方向前，首先需要在建模軟件中（如UG軟件），測量角度頭安裝中心距離MCS坐標(biāo)X、Y、Z的數(shù)值，作為修改Spindle參數(shù)依據(jù)。

在UG中測量角度頭模型刀具安裝點(diǎn)距離MCS坐標(biāo)值或讀取刀具安裝點(diǎn)的點(diǎn)信息（170,0,-110）。則在VERICUT組件Spindle移動(dòng)設(shè)置中，將相對于上級組件位置欄數(shù)值修改為（170 0 -110）。Spindle角度遵循右手笛卡爾坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)原則，刀軸矢量繞Y軸旋轉(zhuǎn)-90°，即角度值為（0 -90 0），到此Spindle位置和旋轉(zhuǎn)方向修改完成。未驗(yàn)證操作正確性，可手動(dòng)執(zhí)行“M06 T01”換刀指令，用于觀察刀尖零點(diǎn)坐標(biāo)變換后的位置。

圖3 角度頭在Spindle 參數(shù)設(shè)置

2.2 創(chuàng)建角度頭刀柄實(shí)現(xiàn)銑削功能

在VERICUT工位→加工刀具菜單中，添加一把具有刀柄的銑刀，在刀柄節(jié)點(diǎn)下→刀具組件→模型文件，彈出加載界面，直接選擇角度頭.stl模型（如圖3（a）和圖4（a）），并勾選刀柄“不跟著主軸旋轉(zhuǎn)”。組合→移動(dòng)中的位置（0 0 0），角度（000）；回到銑刀刀具信息中：裝夾方向（0 0 0），裝夾點(diǎn)（0 0 0），對刀點(diǎn)（245 0-110）。其中，對刀點(diǎn)可以智能捕捉角度頭模型端面，再加刀具總長，即對刀點(diǎn)X值為UG軟件中相對WCS原點(diǎn)X方向的偏距加上刀具長度（刀具總長75 mm）；進(jìn)入刀具→刀具組件，輸入刀具參數(shù)（如圖4（b）），組合中的移動(dòng)位置（245 0 -110），角度（0 -90 0），即移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)刀具后，保證對刀點(diǎn)與刀具的一致性。

圖4 角度頭刀具

3 基于VERICUT的三軸側(cè)銑仿真

對在立式加工中心中采用90°角度頭進(jìn)行G19平面銑面、鉆孔仿真的一般設(shè)置過程是：根據(jù)實(shí)際使用機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)選擇與之匹配的仿真機(jī)床和控制器，激活坐標(biāo)系，添加G-代碼偏置，增加數(shù)控程序，指定加工刀具，加工仿真和分析對比等。90°角度頭三軸側(cè)銑仿真機(jī)床與普通三軸銑削機(jī)床的X、Y、Z軸層級關(guān)系完全一樣（如圖5），側(cè)銑仿真難點(diǎn)在于：如何將VERICUT中的角度頭與刀具建立聯(lián)系。三軸仿真可直接使用VERICUT 機(jī)床庫中的fadal_vmc4020 設(shè)備，修改各軸行程而直接使用。

在VERICUT項(xiàng)目下的工位中[4-5]：1）設(shè)置仿真機(jī)床、控制器。在自帶機(jī)床庫中選擇立式加工機(jī)床fadal_vmc4020.mch，自帶控制文件中選擇fan15m.ctl，根據(jù)實(shí)際使用機(jī)床修改X、Y、Z軸行程。2）激活坐標(biāo)系統(tǒng)。選擇與UG加工模塊中創(chuàng)建操作一致的坐標(biāo)系并激活。3）設(shè)置G-代碼偏置。工件偏置參數(shù)設(shè)置為TOOL到PROGRAM_ZERO，寄存器參數(shù)必須與程序中G54～G59一一對應(yīng)。4）添加數(shù)控程序。點(diǎn)擊“添加數(shù)控程序文件”進(jìn)入文件選擇窗口，選擇由側(cè)銑頭后處理生成的NC代碼。5）添加加工刀具。因?yàn)椴捎媒嵌阮^側(cè)銑，建議一把刀對應(yīng)一個(gè)程序段或程序組，換刀方式推薦采用“列表”或刀具號碼。6）添加機(jī)床角度頭。

圖5 機(jī)床中X、Y、Z 軸的層級關(guān)系

角度頭在實(shí)際加工時(shí)，只有刀具在作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，角度頭和主軸部件相對靜止，安裝在Z軸模型中的主軸下端。具體兩種添加方式見2.2節(jié)，不再贅述。

完成仿真設(shè)置后，檢測程序中是否有G54～G59，正確無誤后，直接進(jìn)行平面、鉆孔、型腔、曲面切削仿真（如圖6）。經(jīng)驗(yàn)證，刀軌正確，加工過程無干涉碰撞現(xiàn)象。

注意：當(dāng)部件低于角度頭刀具回轉(zhuǎn)中心時(shí)，易發(fā)生角度頭與工作臺碰撞現(xiàn)象[1-2]。因此需要調(diào)整部件、毛坯在機(jī)床中的安裝位置（與實(shí)際加工中部件墊高環(huán)節(jié)原理一致）?？稍赩ERICUT 中直接移動(dòng)Attach的位置，達(dá)到同時(shí)調(diào)整部件、毛坯、夾具的效果。為避免角度頭在快速移動(dòng)時(shí)與零件發(fā)生碰撞或與夾具體發(fā)生干涉等故障，建議刀軌路徑先沿X、Y方向移動(dòng)，再沿Z負(fù)方向進(jìn)刀；加工前刀具在靠邊或分中找正的參數(shù)輸入時(shí)，需考慮是否應(yīng)減去刀具半徑值；生成的程序盡可能采用切削仿真驗(yàn)證，消除運(yùn)動(dòng)過程中潛在的過切、干涉等風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

側(cè)銑頭作為一種功能強(qiáng)大的機(jī)床附件，能增強(qiáng)加工中心使用范圍和設(shè)備能力。在復(fù)雜型腔、曲面加工時(shí)，確定角度頭是否會(huì)發(fā)生干涉碰撞現(xiàn)象的最好方法就是進(jìn)行切削仿真。文中介紹了2種實(shí)現(xiàn)角度頭銑削仿真的技術(shù)，不但適用于三軸側(cè)銑，而且也適用于四軸、五軸機(jī)床。對于初次接觸VERICUT軟件的工程人員，推薦使用修改刀具位置和旋轉(zhuǎn)Spindle方向?qū)崿F(xiàn)側(cè)銑頭仿真技術(shù)。熟悉VERICUT軟件的人員，可進(jìn)一步深入了解刀具管理器，發(fā)掘VERICUT軟件角度頭、探針、3D打印等強(qiáng)大的刀具管理功能。

圖6 基于VERICUT 8.1 的平面、型腔、曲面切削仿真