五軸機床的三維建模和運動仿真

李慶婷++王寬

摘 要：為改變加工模式，提高零件加工精度，完成復雜型面加工，加工中心由傳統的三軸加工向五軸加工轉變。使用五軸機床加工，要了解五軸機床各部件的三維建模過程和特點。為完成零件的形狀加工，運動的仿真尤為重要。

關鍵詞：五軸機床；三維建模；運動仿真

0 引言

五軸加工的建模和運動仿真一般應用在較復雜的曲面加工技術上，如大型船用螺旋槳。五軸機床加工中心采用了直流電動機、高速旋轉電主軸，結合了機電、通信的優勢。一臺機器就可以對付各類加工模式，這是未來“加工中心”全能設備的體現，將能成為真正實用意義上的加工中心。

1 五軸機床的概述和優勢

1.1 五軸機床

五軸聯動機床是在傳統三個線性坐標（X，Y，Z）軸的基礎上增加兩個可旋轉坐標軸，工件一次夾裝即可以對五個面的同時加工，也可以完成復雜空間曲面的高精度加工[1]。五軸機床通常有三種結構：（1）單轉臺單擺頭五軸聯動機床；（2）雙轉臺結構五軸聯動機床；（3）雙擺頭五軸聯動機床。

1.2 五軸機床的優勢

（1）適應范圍廣 程序是可編寫式的，因此當加工不同零件時，只需改變程序，不改動其他設備。（2）加工效率高 數控設備加工時可采用較大的切削量，能縮短零件加工所需要的時間。（3）產品有穩定的加工精度，提高了加工質量。（4）勞動強度較低 數控設備的自動化程度高，無需工人進行繁重的作業操作。

2 五軸機床的三維建模

對于vericut軟件，由于軟件本身帶有三維建模的功能，能創建方塊、圓柱、旋轉面輪廓等模型，但是這些只能創建一些簡單的機床，對于五軸機床，由于結構形式的復雜性，采用vericut創建不能實現，需要在Proe中創建機床模型，然后在導入到vericut中。在vericut中機床部件一般都是相對于機床坐標系創建的。在Proe的機床模型上創建合適的坐標系，將會降低導入過程可能出現的仿真模型的錯誤。還應該注意在Proe中創建完模型之后，保存文件的格式，應該是vericut能夠識別的格式。

2.1 新建一個項目文件

選擇“文件”-“新項目”-“毫米”，寫入你要建立的文件的名字。根據加工的仿真要求，在項目樹文件中對項目樹寫的各項，如數控系統、坐標系統、加工刀具等進行相應的設置。

2.2 定義機床運動構件

（1）定義Base部件。由于底座已經在Proe中畫好了，只需要導入到VERICUT軟件就可以了。首先在菜單欄中點擊顯示機床組件按鈕，則所有的節點就顯示在項目樹中了。然后在Base（0，0，0）節點，點擊鼠標右鍵，選擇“添加模型”，選擇“模型文件”，然后導出已畫底座模型。（2）右擊Base，點擊添加X線性軸-在“位置”文本中定義X軸零點。在X軸上，右擊添加Y線性軸-在“位置”文本中定義Y軸零點。（3）跟 X線性軸并行的位置，定義線性Z軸-在“位置”文本中定義Z軸零點。（4）定義B旋轉軸。在Y軸下，右擊添加B旋轉軸（Spindle），在“快速速度”中定義B速度。然后添加模型。右擊B旋轉軸，點擊主軸，定義模型，完成操作。定義C旋轉軸。在Z軸節點下添加C軸，（5）定義Tool軸。在Spindle軸節點下添加Tool軸。（6）移動“附屬”組件。在“附屬”右擊選擇剪切，粘貼在C軸下。按照上述步驟定義完成主要機床部件。調入各軸組件之前，為使裝配位置不變，在添加軸組件模型時讓其向方向移動相同的距離。

2.3 機床配置

在機床運動結構定義完成后，需要進行機床初始化設置。打開“配置”-“機床設定”命令，彈出機床設定對話框。

（1）加載機床文件：選擇配置--機床--打開機床文件命令，選擇在Proe中畫好的模型的存儲位置，就可以把畫好的機床模型導入vericut里面了。（2）控制系統的導入：配置-控制--打開控制文件，也可以在項目樹中“控制”節點下打開“機床庫”，在文件列表框中選擇“hei530.ctl”便將此系統加載到機床文件中（3）安裝圓形毛坯：在組件樹中選stock（0，0，0），在添加模型中，選擇圓柱。然后在“配置模型”對話框中，選擇“模型”，進而輸入圓柱的高、半徑。（4）新建刀具：在項目樹中雙擊“加工刀具”選項，彈出“刀具管理器”對話框，然后選取“添加”--“銑刀向導”對話框。由于一把完整的銑刀是由刀夾、引伸、切刀三部分組成，設置完刀具之后，要進行刀夾的設置，根據提示，完成一系列的刀具設置。（5）加工程序導入：在項目樹中，雙擊”數控程序”，在“配置NC程序”添加“NC程序文件”按鈕，然后根據提示選擇，根據編寫的加工工藝過程添加的相應加工程序。（6）G代碼偏置：在項目樹中雙擊“G代碼偏置”，將偏置名由“機床零點”改為“工作偏置”，將寄存器中的值由“1”改為“54”，單擊“添加”按鈕，完成 G代碼的添加。

2.4 碰撞干涉檢查的設定

（1）確定已選中的“開機床仿真”復選框。在碰撞檢測標簽中，選中“碰撞檢測”復選框。在“忽略在切刀和毛料間的碰撞”下拉列表框中選擇否。在“碰撞間隙文本框”中輸入2.0。（2）在機床設定對話框中，單擊“表”標簽，單擊“添加”按鈕。在“位置名”下拉列表框中選擇初始機床位置。在“子系統”名下拉列表框中選擇1。在“值”文本框（3）在機床設定對話框中，單擊行程極限標簽，選中超程錯誤復選框。

2.5 加工仿真

利用Vericut對葉輪零件進行加工仿真。在仿真之前，通過面板設定碰撞檢查和行程檢查值，結合信息欄對仿真進行分析和檢測[2]。

3 結束語

本文對五軸機床的發展做了簡單闡述，提出了五軸機床的概念，對比出了五軸機床的獨特地位和優勢。另外，還整理出五軸機床建模和仿真的開發思路和研發成果。該五軸機床以其方便快捷和強大的功能獲得了一致好評。

參考文獻：

[1]何志偉.數控加工過程建模和仿真的研究與應用[J].組合機床與自動加工技術，2004（03）：5-7.

[2]張健，唐清春，馬仲亮等.某離心式壓氣機葉輪加工工藝的分析[J].汽輪機技術.2013，55（03）：238-240.

作者簡介：李慶婷（1989-），女，山東滕州人，研究生在讀，研究方向：五軸后置處理。endprint