VERICUT五軸聯動數控機床模型建立及加工仿真

黃振沛

通過對Mikron_Ucp800五軸數控機床坐標系和運動特征的分析，使用Creo軟件的CAD模塊建立機床中的部件和被加工工件的虛擬幾何模型并輸出STL模型，接著讓VERICUT系統可以直接讀入機床組件和被加工工件模型資料進入系統，完成機床在VERICUT中的虛擬建模。然后對機床組件模型、工件模型、NC程序、刀具資料及工作坐標系等資料進行整合，對后處理程序產生五軸加工程序進行仿真驗證，證明了后處理程序的正確性。

一、引言

近年來，許多醫療設備，航空零部件，汽車零部件和模具都需要具有較高的精度和復雜的空間幾何形狀，使得五軸加工越來越重要，但是因為五軸機床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特點，因此五軸機床在執行切削加工前，必須進行切削模擬測試。鑒于此，我們設計了一個五軸機床機構的運動仿真模型，并使用這個機構模型進行數控刀具路徑的仿真模擬。首先，由Creo沒計該五軸機床的機構模型和工件模型，通過CAM軟件設計五軸加工NC代碼，然后再通過VERICUT仿真模擬軟件整合兩者資料并構建刀具資料后，即可開始五軸加工仿真模擬，通過這樣的方式將Creo、CAM軟件和VERICUT軟件三種軟件中的五軸機床資料整合在一起，使用戶可以看到五軸機床的運動仿真場景的結果，并切削模擬，還能讓使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地獲得切削加工仿真的結果。

二、建模仿真用的機床各部件

1.機床結構

該機床型號UCP800，是雙擺臺五軸聯動立式加工中心，本機床配備X、y、Z、A和C軸，是一款A軸繞X軸旋轉，C軸繞Z軸旋轉的五軸加工中心。各軸行程如下：X軸行程800mm，Y軸650mm，Z軸500mm，A軸-100°-120°，C軸0-360°，各軸相對初始位置關系，由于機床模型的復雜性，我們首先利用Creo三維軟件構建三維機床，并且以組件形式逐個輸出STL格式模型文件，需要注意輸出組件模型時的參考基準坐標系，此參考坐標系相當于導入VERICUT中的坐標系原點，如圖1所示。

2.機床結構的邏輯關系

在Cre02.0中將7個機構模型畫出，如基座模型、y軸機構模型、X軸機構模型、Z軸機構模型、C軸機構模型、A軸機構模型和刀軸機構模型，導入機構模型必須轉換成STL格式。由于五軸機床的結構為整合的基礎，因此，有必要先建立五軸機床的結構，以Mikron_Ucp800五軸機床為例，其結構要分成X和Z兩部分，如圖2所示。

3.虛擬機床部件樹的建立

當所有的機構模型與五軸機床結構整合完成后，即可得到如圖3所示，每一個子結構中都包含了各自所代表的機構模型。

雙擺動機型五軸立式加工中心的結構描述如圖3所示，其中X和Z在機床本體上移動，所以在機床本體下面建立兩個子結構X和Z，并且把該結構分為X和Z兩部分來看。

（l）X部分：當X運動會帶動Y一起運動并且X是一個移動滑塊，其中夾具和工件都固定在回轉工作平臺C上，所以在X下面建立Y，并且使夾具和工件都依附于C回轉工作平臺下。

（2）Z部分：當X軸運動時將會帶動A軸一起運動，而A軸運動會帶著C軸一起運動，所以X軸下面建立A軸，在A軸下面建立C軸，我們把此模型稱為雙擺臺機型，刀軸是建立在Z軸上，所以在Z軸下建立主軸并在主軸下建立刀具。

當有了五軸機床的結構后，即可開始進行五軸機床結構與其他資料的整合。

4.導入機構模型的STL資料

將機構模型的資料與導入五軸機床的結構中，并在視窗中顯示五軸機床的各個機構模型。

本文將機構模型的資料導入五軸機床的結構方式說明如下，并以將基座模型導人為例。

（l）因為本研究是將外部資料與五軸機床的結構做整合，所以使用的方式為將外部資料導入至五軸機床的結構中，如圖4所示，運用加入模型檔案（Model File）的方式來將機構模型資料導入至結構中。

（2）將基座模型導入至結構后，模型會以模型設計時的坐標系原點為基準導入，如圖5所示，坐標系原點與五軸機床結構的機械原點會重合，且當資料導入后，即可在視窗中看見五軸機床的基座模型。

當所有的機構模型與五軸機床結構整合完畢后，即可得到如圖6所示，每一個子結構中皆包含了各自所代表的機構模型，并如圖7所示，整合完成的機構模型皆會顯示在視窗中。

5.機床初始化設置

在機床設定中設定行程（圖8）及其他參數，檢查機床運動結構是否符合真實運動情況，以此完成機床的構建。

三、調入控制系統、工件、夾具及NC程序

此機床采用TNC530控制系統，調入VERICUT控制系統文件hei530.ctl。

工件模型主要是提供使用者觀察整個NC加工模擬完的結果，所以整合資料中包含了工件模型資料，而在VERICUT系統中要取得工件模型的資料有兩種方式，第一種方式為由VERICUT系統本身建立工件模型，而另一種方式為由外部系統產生工件模型，然后將工件模型資料與五軸機床的結構整合。

夾具模型由外部系統產生，然后將夾具模型資料與五軸機床的結構整合。

NC程序的功能為驅動五軸機床的切削運動，所以在執行五軸機床的NC加工模擬前也需將此資料整合，當NC程序導入完成后，五軸機床才能按照NC程序中的內容來執行NC加工模擬。

四、刀具庫建立

刀具資料是由使用者在VERICUT系統中建立的，使用者也可以先行在VERICUT系統中建立一個刀具資料庫檔案，當需要使用時，可以直接呼叫刀具資料庫檔案進來，并且需定義刀具被夾持的位置點。

參考Creo系統中所設定的刀具資料來建立NC加工模擬所需使用的刀具，如圖9及圖10所示，在刀具資料庫中建立刀具、其中刀具參數包括了刀具的型式、刀具的長度、刀刃的直徑和刀刃的長度等。

五、設定工作坐標系及相關參數

因為NC程序都參照工作坐標系為基準，所以由圖11中的G代碼偏置來定義VERICUT系統的工作坐標系，并如圖12所示，定義工作坐標系的參照位置為TooL至MCS，系統會根據參照位置自動為機器做刀具補償的動作。

六、仿真結果

圖13為某零件在五軸機床加工模擬完成后的結果，其仿真過程反映了真實的加工過程，通過自帶比較功能，及時發現碰撞及干涉情況，有針對性的對刀具的走刀路徑進行優化，減少空走刀。

當NC加工模擬測試完成后，Creo及PowerMILL及VERICUT三者的資料整合已完成，接下來可以讓使用者直接使用此整合資料執行其他不同類型工件的NC加工模擬。

七、結語

本文根據VERICUT軟件構建仿真平臺，通過虛擬五軸加工過程中機床、刀具、夾具和程序的仿真驗證，避免實際加工中出現碰撞、過切，減少空走刀，大幅度提高機床的利用效率，保證產品質量，減少超差和報廢。