基于VERICUT車(chē)銑中心仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究*

楊　坤

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽安慶246003；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)學(xué)院，安徽合肥230009)

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基于VERICUT車(chē)銑中心仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究*

楊坤1，2

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽安慶246003；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)學(xué)院，安徽合肥230009)

摘要：利用VERICUT數(shù)控仿真軟件，建立起WFL M35型5軸車(chē)銑中心的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，并且以此仿真系統(tǒng)為平臺(tái)，完成曲軸類(lèi)零件的模擬加工過(guò)程。通過(guò)對(duì)典型復(fù)雜零件的數(shù)控加工程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步確保其程序的正確性，使得零件的實(shí)際加工合格率大大提高。

關(guān)鍵詞：車(chē)銑中心數(shù)控仿真系統(tǒng)VERICUT

0引言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的日益成熟，基于虛擬仿真系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都將虛擬仿真技術(shù)引入到復(fù)雜零件的加工中。本文在合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院董玉德教授的悉心指導(dǎo)下，利用UG和VERICUT軟件，以WFL M35型5軸車(chē)銑中心，初步嘗試建立車(chē)銑中心的數(shù)字化模型，利用數(shù)字化制造加工仿真技術(shù)，建立起完整的零件生產(chǎn)制造流程。

1機(jī)床數(shù)字化模型的建立

圖1　車(chē)銑中心的數(shù)字化三維模型

本文利用UG10.0完成車(chē)銑中心的建模工作。在建模的整個(gè)過(guò)程中，將機(jī)床劃分為以下幾大模塊分別完成，然后利用UG的虛擬裝配技術(shù)將機(jī)床完整構(gòu)造起來(lái)[1]。這些模塊是：基礎(chǔ)床身模塊、Z1線性軸模塊、Y1線性軸模塊、X1線性軸模塊、B1旋轉(zhuǎn)軸模塊、S3銑主軸模塊、C1車(chē)主軸及卡盤(pán)模塊、中心架模塊、尾座模塊以及相關(guān)附屬模塊。其UG建模的總裝配圖如圖1。

2機(jī)床加工仿真系統(tǒng)的建立

2.1硬件仿真系統(tǒng)的建立

本文將遵循三維建模環(huán)節(jié)的思路，將機(jī)床按照前述劃分的部件依次導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)，并建立好相互關(guān)系。要建立的部件有：Base部件、Z1線性軸部件、X1線性軸部件、Y1線性軸部件、B1旋轉(zhuǎn)軸部件、Tool Spindle S3刀具軸部件、C1旋轉(zhuǎn)軸部件、Main Spindle S1車(chē)削軸部件、卡盤(pán)部件、中心架部件、尾座部件[2]。

1)Base部件

將UG模型中的基礎(chǔ)床身部件以STL文件格式導(dǎo)出，以模型的方式添加到組件樹(shù)的Base結(jié)點(diǎn)下面，即完成基礎(chǔ)床身部件的添加(圖2)。

2)Z1線性軸

由于Z1線性軸是相對(duì)于基礎(chǔ)床身而運(yùn)動(dòng)的，從運(yùn)動(dòng)依賴(lài)關(guān)系上考慮，Z1線性軸從屬于Base部件。所以在項(xiàng)目樹(shù)的層次安排上，Z1線性軸應(yīng)放在Base結(jié)點(diǎn)下方。在Base結(jié)點(diǎn)下添加一個(gè)“Z線性軸”組件，重命名為Z1。在Z1組件下添加相關(guān)模型文件。模擬添加完畢后，將Z1線性軸的快進(jìn)定位速度設(shè)置為150 00 mm/min，最大進(jìn)給速度設(shè)置為12 000 mm/min。并且將此部件沿Z向移動(dòng)-155 mm，以便回到Z軸零點(diǎn)位置。過(guò)程見(jiàn)圖3[3]。

圖2　Base部件　　　　　圖3　Z1線性軸部件

3)X1線性軸和Y1線性軸

在M35型車(chē)銑中心機(jī)床的真實(shí)構(gòu)造中，X1軸是安裝在Z1軸上的，Y1軸是安裝在X1軸上的。從運(yùn)動(dòng)關(guān)系上分析，Y1軸的運(yùn)動(dòng)依賴(lài)于X1軸，而X1軸的運(yùn)動(dòng)依賴(lài)于Z1軸。因此，在項(xiàng)目樹(shù)的層次上，X1結(jié)點(diǎn)在Z1結(jié)點(diǎn)下面，Y1結(jié)點(diǎn)在X1結(jié)點(diǎn)下面。弄清楚層次關(guān)系后，在相關(guān)結(jié)點(diǎn)下添加對(duì)應(yīng)的模型文件以完成各部件的裝配。其建模結(jié)果見(jiàn)圖4。

4)B1旋轉(zhuǎn)軸

將Z1、X1、Y1線性軸添加完畢后，就開(kāi)始進(jìn)行B1旋轉(zhuǎn)軸的裝配工作。旋轉(zhuǎn)軸與直線軸不同，除了有安裝位置外，還需要設(shè)置該旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心。由于組件在建模時(shí)，會(huì)自動(dòng)的將自身的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置在建模坐標(biāo)系的原點(diǎn)。因此，我們需要修改B1軸的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)。從項(xiàng)目樹(shù)的邏輯層次上分析，B1旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點(diǎn)是在Y1線性軸下方，因此B1軸的旋轉(zhuǎn)中心就是Y1軸上的特定點(diǎn)。首先在Y1線性軸結(jié)點(diǎn)下方添加一個(gè)B1旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點(diǎn)，并添加相應(yīng)的模型文件。其旋轉(zhuǎn)軸部件建模結(jié)果見(jiàn)圖5[4]。

5)Tool Spindle S3刀具軸

圖6　Tool Spindle S3主軸部件

WFL M35 5軸車(chē)銑中心的銑主軸系統(tǒng)具有車(chē)鏜銑功能，即TDM單元。利用這種主軸系統(tǒng)，可以使用多任務(wù)刀具進(jìn)行加工。這就要求銑主軸具有定向、分度的功能。為了使仿真機(jī)床最大限度地接近真實(shí)機(jī)床，本文采用了以下方案。首先，在已經(jīng)建立好的B1旋轉(zhuǎn)軸下方添加一個(gè)用于主軸定向的旋轉(zhuǎn)軸。具體操作是在B1結(jié)點(diǎn)下方添加A軸，重命名為T(mén)ool orient，并將此旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心改為Z軸。其次，在建立好的Tool orient軸下方添加主軸組件，命名為T(mén)ool Spindle S3，并添加相應(yīng)的模型文件。我們可以針對(duì)A軸進(jìn)行編程，如此銑主軸系統(tǒng)就完成定向、分度動(dòng)作。最后，在Tool Spindle S3結(jié)點(diǎn)下方添加刀具組件，并將刀具組件在Z向移動(dòng)-250 mm，完成部件的定位。其結(jié)果見(jiàn)圖6。

到此為止，銑主軸系統(tǒng)硬件仿真建立完成。接下來(lái)進(jìn)行的是車(chē)主軸系統(tǒng)硬件仿真的建立過(guò)程[5]。

6)C1旋轉(zhuǎn)軸和Main spindle S1車(chē)削軸

在真實(shí)機(jī)床中，車(chē)主軸系統(tǒng)是直接裝配到基礎(chǔ)床身部件上。從項(xiàng)目樹(shù)邏輯層次上，C1旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)該位于Base結(jié)點(diǎn)下方，與Z1線性軸處于同一層次上。因此，應(yīng)在Base結(jié)點(diǎn)下方添加C旋轉(zhuǎn)軸，重命名為C1，設(shè)置好參數(shù)：快速定位速度9 000 mm/min，最大進(jìn)給速度9 000 mm/min。再在已經(jīng)建立好的C1旋轉(zhuǎn)軸下方添加主軸組件，完成Main spindle S1車(chē)削軸的建立。最后將Base結(jié)點(diǎn)下方的Attach組件移動(dòng)到Main spindle S1車(chē)削軸的下方。所謂Attach組件，即附屬組件，它主要包含了數(shù)控加工仿真過(guò)程中的夾具組件、毛坯組件和設(shè)計(jì)組件。當(dāng)機(jī)床的仿真系統(tǒng)建立好之后，這三個(gè)組件是最為常用的。

7)三爪卡盤(pán)

在M35型車(chē)銑中心上，其三爪卡盤(pán)具有自動(dòng)夾緊功能。我們?cè)赩ERICUT里必須精確建立三爪卡盤(pán)的仿真模型。所謂精確建立，就是利用項(xiàng)目樹(shù)的邏輯層次關(guān)系將三爪卡盤(pán)的各個(gè)零部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系表示出來(lái)。因?yàn)榭ūP(pán)是屬于夾具種類(lèi)，所以卡盤(pán)組件必須放在Fixture組件下面。在Fixture組件下方添加Chuck組件，并添加相應(yīng)的模型文件：Main_spindle1.sor，完成卡盤(pán)基座的建立；添加端面卡盤(pán)模型Main_spindle2.swp，并從Z向移動(dòng)110 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。將建立好的Main_spindle2.swp模型拷貝兩份，分別繞Z軸旋轉(zhuǎn)150°、30°[6]。

此時(shí)，將Stock結(jié)點(diǎn)移動(dòng)到Chuck結(jié)點(diǎn)下，以便形成正確的部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系。接下來(lái)進(jìn)入卡盤(pán)系統(tǒng)建立的第二階段——建立三個(gè)卡爪。由于我們要求此三個(gè)卡爪具有自動(dòng)夾緊功能。因此在添加模型文件之前，需要添加一個(gè)線性移動(dòng)組件，來(lái)完成卡爪的自動(dòng)夾緊。在Fixture組件下添加V線性軸組件，并重命名為Jaw_1，將其組件的運(yùn)動(dòng)軸改為X軸。再在Jaw_1組件下添加Base_Jaw組件，再此組件下添加Main_spindle3.swp，并從Z向移動(dòng)110 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°，以便完成卡爪基座初始位置。添加Main_spindle4.swp，并從Z向移動(dòng)139 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。添加Main_spindle5.swp，并從Z向移動(dòng)139 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°，最終完成卡爪基座的建立。三爪卡盤(pán)中的卡爪基座部件建模結(jié)果見(jiàn)圖7。

在完成卡爪基座基礎(chǔ)上，開(kāi)始添加軟爪。在Base_Jaw結(jié)點(diǎn)下添加一個(gè)Soft_Jaw組件，X向移動(dòng)-40 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°。在此組件下添加模型文件Main_spindle6.swp，X向移動(dòng)-40 mm，Z向移動(dòng)139 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°。添加模型Main_spindle7.swp，將坐標(biāo)移動(dòng)到(-10 -15 147.3)，且繞X軸旋轉(zhuǎn)-90°，繞Y軸旋轉(zhuǎn)-90°，完成模型重定位。最后添加模型Main_spindle8.swp，X向移動(dòng)-10 mm，Z向移動(dòng)147.3 mm，且繞Z軸旋轉(zhuǎn)-90°。到此第一個(gè)卡爪添加完成。

將組件Jaw_1拷貝兩份，分別重命名為Jaw_2、Jaw_3，并將這三個(gè)卡爪系統(tǒng)都放在Fixture組件下。將復(fù)制的兩個(gè)卡爪系統(tǒng)分別繞Z軸旋轉(zhuǎn)120°、-120°，最終完成三爪卡盤(pán)仿真系統(tǒng)的建立(圖8)。

8)中心架

在真實(shí)機(jī)床中，M35的中心架系統(tǒng)和三爪卡盤(pán)類(lèi)似，具有自動(dòng)夾緊工件的功能，要么通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)面板發(fā)出命令，利用液壓夾緊；要么通過(guò)NC程序控制中心架自動(dòng)夾緊工件。在中心架仿真系統(tǒng)的建立過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)上述功能。因?yàn)橹行募芟到y(tǒng)是直接安裝在基礎(chǔ)床身部件上的，所以在項(xiàng)目樹(shù)的結(jié)構(gòu)中，此部件與C1旋轉(zhuǎn)軸、Z1線性軸處于同一層級(jí)。在Base結(jié)點(diǎn)的下方添加Z線性軸，重命名為Steady rests。在此組件下添加相關(guān)模型，以便完成中心架基礎(chǔ)部件的建立。

在Steady rests組件下添加X(jué)線性軸組件，重命名為Steady rests_x。在此組件下添加模型Steady_rests_6.stl。接著在Steady rests組件下添加C旋轉(zhuǎn)軸，重命名為Steady rests_c1，并將組件X向移動(dòng)-92 mm，Y相移動(dòng)85 mm。在此組件下添加模型Steady_rests_5.stl，并X向移動(dòng)92 mm，Y向移動(dòng)-85 mm，重新定位該模型。最后在Steady rests組件下添加C2旋轉(zhuǎn)軸，重命名為Steady rests_c2，并X向移動(dòng)-92 mm，Y向移動(dòng)-85 mm，設(shè)置好其旋轉(zhuǎn)中心。在此組件下添加模型文件Steady_rests_4.stl，X向移動(dòng)92 mm，Y向移動(dòng)85 mm，以便重新定位模型。到此，中心架仿真系統(tǒng)建立完成(圖9)。

9)尾座

建立尾座系統(tǒng)的仿真模型是最后一步。該系統(tǒng)的建立比較簡(jiǎn)單。在Base結(jié)點(diǎn)下添加一個(gè)Z線性軸，重命名為T(mén)ailstock。在此組件下添加模型文件即可。仿真系統(tǒng)的硬件模型見(jiàn)圖10。

2.2軟件仿真系統(tǒng)的建立

WFL M35 5軸車(chē)銑中心是在SINUMMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。因此，這些改進(jìn)后的新編程指令都要在VERICUT中被實(shí)現(xiàn)出來(lái)。這些指令主要包括以下幾大類(lèi)：用于主軸旋轉(zhuǎn)的指令、用于控制卡盤(pán)的指令、用于控制中心架的指令、用于刀具和工件的角度位移指令、用于五軸聯(lián)動(dòng)的控制指令、用于選擇加工方式的編程指令、用于在回轉(zhuǎn)零件端面進(jìn)行加工的編程指令、用于固定循環(huán)的編程指令、用于刀具坐標(biāo)系的編程指令等等。由于該部分篇幅過(guò)大，就不在此處一一贅述了。

2.3機(jī)床參數(shù)的設(shè)置

在完成了機(jī)床的硬件仿真系統(tǒng)和軟件仿真系統(tǒng)的建立之后，還要進(jìn)行機(jī)床的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。主要包括干涉檢查設(shè)置、初始化位置設(shè)置等[7]。

(1)機(jī)床的干涉檢查設(shè)置

在VERICUT中利用機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工程序的仿真驗(yàn)證，最為重要的就是要檢查刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)是否發(fā)生碰撞，稱(chēng)之為干涉檢查設(shè)置(圖11)。

圖11　機(jī)床干涉檢查的方案一

(2)機(jī)床的初始化位置設(shè)置

數(shù)控機(jī)床具有機(jī)床原點(diǎn)、機(jī)床參考點(diǎn)、各軸的初始位置等各種初始化參數(shù)。在使用仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真前，需要做出正確的設(shè)置。X軸的零點(diǎn)在車(chē)主軸的軸線上，Z軸的零點(diǎn)在車(chē)主軸的卡盤(pán)后端面上，Y軸的零點(diǎn)在銑主軸的X軸平臺(tái)的表面上，最重要的是B1軸，它的零點(diǎn)軸線是與Z軸平行且出于轉(zhuǎn)動(dòng)的最左端面上，其設(shè)置結(jié)果見(jiàn)圖12[8]。

圖12　機(jī)床的初始化位置設(shè)置

3曲軸的數(shù)控仿真加工

圖13　典型曲軸零件

曲軸是各種發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心零部件，屬于典型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，也是使用車(chē)銑中心進(jìn)行加工的典型產(chǎn)品。其“一次裝夾，完全加工”的工藝?yán)砟睿畲笙薅鹊販p少了曲軸的裝夾次數(shù)，大大提高了曲軸的形位公差。這也是本文要以曲軸零件的加工來(lái)驗(yàn)證車(chē)銑中心仿真系統(tǒng)的意義所在。零件見(jiàn)圖13。

VERICUT軟件可以對(duì)零件的數(shù)控加工程序進(jìn)行全過(guò)程的監(jiān)控。在數(shù)控加工執(zhí)行前，可以對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行預(yù)覽，包括查看數(shù)控代碼的狀況、刀具軌跡，還可以提前分析刀具的干涉情況，并輸出報(bào)警信息。數(shù)控代碼的顯示窗口可以動(dòng)態(tài)的指示出目前加工到哪一段。在加工仿真的任何時(shí)刻，我們可以隨時(shí)暫停加工，查看當(dāng)前程序。在加工結(jié)束后，仿真系統(tǒng)還具有數(shù)控加工程序復(fù)查功能。除此之外，仿真系統(tǒng)還可以根據(jù)子地址格式和指令設(shè)置的情況，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行語(yǔ)法檢查，找出程序中出現(xiàn)的不符合機(jī)床設(shè)置的代碼。仿真過(guò)程見(jiàn)圖14。

圖14　曲軸仿真加工過(guò)程

4結(jié)論

本文利用UG和VERICUT軟件，以WFL M35型5軸車(chē)銑中心為基礎(chǔ)，完成了機(jī)床的加工仿真系統(tǒng)的建立，為復(fù)雜零件的數(shù)字化制造打下基礎(chǔ)。通過(guò)此仿真系統(tǒng)，本文模擬了曲軸零件的完整加工過(guò)程，驗(yàn)證了加工程序的正確性，使得該零件的制造合格率大大提高。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)03-0058-05

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目“數(shù)控技術(shù)專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)”(編號(hào)：2014zy108)。

作者簡(jiǎn)介：楊坤，男，安徽安慶人，安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系數(shù)控技術(shù)教研室教師，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院碩士生。

收稿日期：2016-03-07

The application of the simulation system of the turning & milling center based on VERICUT

YANG Kun

Abstract:In this study, we utilized the numerical control simulation software VERICUT to establish the numerical control simulation system of WFL M35 5-axis turning & milling center, and completed the simulated processing of the crankshaft parts with the system. Through simulation and verification of the numerical control processing program for typical complex parts, we guaranteed the correctness of the program, and greatly improved the qualification rate of the parts actually processed.

Keywords:turning & milling center; numerical control simulation system; VERICUT