基于VERICUT的大型五軸龍門機床加工仿真技術研究

王堃 王業偉 蹇悅

(上海航天精密機械研究所,上海 201600)

基于VERICUT的大型五軸龍門機床加工仿真技術研究

王堃 王業偉 蹇悅

(上海航天精密機械研究所,上海 201600)

本文以GMC50100u五軸龍門加工中心為對象,分析了大型五軸龍門機床的結構及運動形式,并從仿真模型構建、機床參數設置、控制系統定制等方面詳細講述了大型多軸復雜機床的仿真環境建立過程和步驟。并通過對偏心錐零件的試制,驗證了自建仿真環境的可靠性和建立方法的正確性。同時還介紹了Vericut軟件仿真環境下對數控程序的優化應用。

Vericut 仿真 五軸龍門機床

復雜零件在多軸軸聯動，尤其是五軸及以上聯動的數控機床加工中，由于附加的一些刀具旋轉或工件旋轉非常容易發生碰撞和干涉現象，這樣就可能造成工件、刀具甚至于機床的損壞。為了避免以上問題的產生，在加工前往往需要在零件坯料上進行試加工，并通過對數控程序進行反復調試，確保加工程序的正確安全。但這樣的方式不但增加了勞動強度、降低了工作效率，造成了人力、時間、能源和物質的浪費，且在試加工過程中亦存在質量隱患。Vericut軟件可以同時進行刀具軌跡和機床運動仿真。通過這仿真，可以有效免碰撞、干涉等現象，規避試切安全風險，縮短產品加工周期。

本文以沈陽中捷機床廠GMC50100u大型龍門結構形式的五軸五聯動加工中心為對象，講述復雜多軸數控設備在VERICUT軟件里仿真環境的建立和驗證方法。

圖1 機床運動軸組件依附關系

圖2 組件拓撲結構圖

1 龍門五軸加工中心仿真環境建立

機床仿真環境的建立主要包括機床結構模型構建和控制系統定制。

1.1 機床仿真模型構建

1.1.1 機床結構分析及構件依附關系梳理

VERICUT中機床模型以組件樹的形式存在，組件樹反映的是機床各部分之間的現對位置和運動依附關系。GMC50100u五軸龍門加工中心，由三個線性軸和兩個旋轉軸組成，機床主要部件包括x橫梁、y滑塊、z滑塊、c轉頭、a擺頭、工作臺。根據GMC50100u機床實際結構、運動關系，確定機床各部分間的相互依附關系，見圖1所示，圖中箭頭指向為下級子組件。

1.1.2 機床運動軸組件拓撲結構建立

按照機床運動軸組件依附在vericut軟件界面下建立機床運動軸組件拓撲結構，形成機床模型組件樹。

圖3 機床各組件三維模型

圖4 拓撲結構導入

圖 5龍門機床仿真模型

如圖2所示，是構建完成的GMC50100u龍門加工中心運動軸組件拓撲結構，包括運動仿真中始終處于靜止狀態的BASE組件、運動的X/Y/Z/C/A軸及主軸SPINDLE組件。BASE組件是機床中與地面直接連接或一直保持固定靜止的模型組，包括龍門導軌架、固定工作臺、機床外殼等。在BASE組件下一層級建立各運動組件，從樹形結構圖上可以清晰的看出，Y軸是構建在X軸上的。當X軸運動時，Y軸肯定跟隨X軸向著某一方向運動，但它此時在自己的Y方向并不發生位移。同理，Z/C/A軸及主軸SPINDLE均是如此。在BASE組件下第一層除了各運動軸組件還存在一類機床附屬結構Attach組，包括夾具Fixture和工件Stock。

圖6a (粗加工)

圖6b (精加工)

圖6 c(完成后)

圖7

圖8偏心錐試件

1.1.3 機床建模

拓撲結構建立好之后，相應地增加各機床組件模型實體，例如X/Y/Z/C/A軸、床身、主軸等。各組件模型的尺寸大小，坐標位置關系理論上要與實際機床結構相同，但XY軸的組件模型外形可以作相對簡化。由于機床模型復雜，而VERICUR軟件本身CAD功能有限，因此可先在專業CAD軟件里繪制三維模型，再導入至仿真軟件中進行裝配。GMC50100u機床采用UG三維軟件構建機床三維模型，然后結合polyworks軟件以組件為單位輸出PLY格式模型文件，再以組件為單位導入VERICUT，具體機床部分組件三維模型如圖3。

將各三維模型導入到拓撲結構框架對應的組件中(圖4)，最后可構建出具有運動能力的仿真機床模型，用同樣的方法構建并導入床身、工作臺等組件的三維模型就基本完成了這臺GMC50100u龍門加工中心機床模型的建立，如圖5。

1.2 機床參數設置

機床結構設置完成后，可對機床進行初始設置。包括對初始位置、各軸的先后運動順序及行程范圍、加工時的干涉等情況進行設置。在機床模型初始設置時，需通過“Near Miss”對話框多機床模型的各部件進行運動過程中的碰撞檢查設置。碰撞檢查以機床模型中兩個組件為一組檢查對象，設置內容包括需要進行碰撞檢查的兩組件、干涉臨界值等。碰撞設置完成后，在程序運行過程中，當出現機床部件間距離小于干涉臨界值時，系統判斷為碰撞產生進行預警。

機床初始設置時還需對機床行程進行設置，以精確的數據限制機床各運動軸運行的行程范圍。當程序運行時出現超出行程情況，系統將以設定的預警顏色進行報警。

1.3 控制系統定制

機床仿真環境的建立還必須給機床配置數字控制系統，使機床具有解讀數控代碼、插補運算等功能。GMC50100u龍門加工中心采用的是Fidia-C20系統，不屬于軟件自帶系統，我們在系統庫中調取了與Fidia-C20控制系統指令具有部分相近的Fidia-m30系統文件進行開發定制，再將定制好的控制系統設定為默認缺省值。

2 仿真環境驗證

2.1 數控加工過程仿真

在完成了機床仿真環境的構建后，運用構建的龍門加工中心模型及控制系統文件對偏心錐零件的數控程序進行了仿真加工。圖6為仿真加工中的三個過程。

2.2 數控仿真優化

通過VERICUT軟件中的優化功能對偏心錐零件切削速度進行優化，有以下三步。

(1)優化刀具庫的建立。VERICUT優化刀具庫用于設置不同刀具在不同切削情形設置進給速率和主軸轉速等優化數據。

(2)調用優化庫進行程序優化。通過調用前步建立好的設定優化刀軌庫的優化記錄，設定優化方式，從而生成一個被優化的數控程序文件。由圖7可以看出，優化后生成的新程序文件名稱和后綴名都發生了改變。

(3)優化后數控程序比較。經過優化，程序的走空刀時間明顯縮短，切深、進給速度等切削參數明顯優化，提高了零件表面質量，整個加工時間減少了10%左右。

2.3 產品試制

在前期的技術研究和仿真試驗后，采取立式裝夾的方式按照自動生產并優化的數控程序進行了偏心錐試制，并成功的加工出了偏心錐，偏心錐實物如圖8所示。

3 結語

針對GMC50100u五軸龍門機床開展基于VERICUT的大型五軸龍門機床加工仿真技術研究，通過在VERICUT軟件環境下對五軸龍門機床仿真模型構建、機床參數設置和控制系統定制，并通過對偏心錐零件的五軸聯動加工驗證了仿真環境的可靠性和環境建立方法的正確性，為龍門機床后續的多軸加工提供了技術支撐。

王堃,男,河南南陽人,1983年6月生,碩士研究生學歷,從事數控機加工工藝研究。