基于VERICUT虛擬五軸機床建模及應用

林萍，華中平

（湖北工業大學，湖北武漢430068）

軟件應用

基于VERICUT虛擬五軸機床建模及應用

林萍，華中平

（湖北工業大學，湖北武漢430068）

設計出可供機構運動模擬的五軸機床模型，并利用此機床模型來執行NC刀具路徑的計算機仿真。首先由Pro/ENGINEER設計出五軸機床的機構模型，接下來由PowerMILL設計五軸加工NC碼，再經由VERICUT NC切削加工仿真軟件整合前兩者的數據并建立刀具數據后，即可開始進行五軸切削仿真，透過這樣的方式將Pro/ENGINEER、PowerMILL及VERICUT三種軟件中五軸機床資料整合為一，讓使用者可以了解五軸機床機構運動仿真的情形及切削模擬的結果，也讓使用者在NC加工程序設計完成后可以更簡易、更快速地得到切削仿真的結果。

五軸機床；機構建模；NC刀具路徑仿真

因為傳統三軸機床的諸多限制，如使用上刀長的限制、靜點切削及加工斜面效率較差，故無法滿足日益提高的精度及復雜的空間幾何形狀的加工質量需求。隨著數控機床加工技術的不斷革新，五軸機床加工已逐漸取代傳統三軸機床。雖然五軸機床可以滿足日益提高的加工需求，但是在技術層面上也相對增加了使用者使用及學習的困難，且由于五軸機床的自由度大及精度較高，機床承受不起碰撞，所以解決的方法即是在五軸機床執行切削工作前先執行切削仿真的測試。

本文研究設計出一個可供機構運動模擬的五軸機床模型，后續利用此機床模型來執行NC加工模擬，主要內容為整合Pro/E、PowerMILL及VERICUT三個系統的資料，在Pro/E系統下設計利用Topdown design的觀念來設計機構模型和工件模型，再由PowerMILL系統來設計NC程序，最后利用VERICUT系統來整合前述兩者及VERICUT的資料，讓使用者可以得到五軸機床和NC加工模擬結果。

1 虛擬機床仿真系統的建立

虛擬機床的建模過程分為幾何實體建模和運動學建模[1]。

1.1 虛擬五軸機床的幾何模型構建

為了使五軸機床機構模型在Pro/E系統下能夠快速化設計變更，傳統的Bottom-up design設計方式，將各零件均分開設計與繪制，最后再逐一組裝起來的方式已無法滿足及達到此需求，因此在設計機構模型時，勢必要使各零件間產生父子關系，以達到機構模型同步變更的效果。

Top-down design在Pro/E系統中常用于組件及配合件的設計中，其有兩種基本的設計方式：（1）直接在組件中建立新零件。（2）在組件中修改變更零件。下面簡單說明這兩種方法[2]：

（1）在組件中直接建立新零件：按工具欄在組件中建立組件，如圖1所示，以建立新零件。

圖1 在組件中建立組件

以此方式建構組件時，首先在組件模塊下將新零件內定基準平面FRONT、RIGHT、TOP定位到現變更的組件上，然后再逐一繪制實體或曲面等特征到此零件上。

（2）在組件中修改變更零件：將一個現更或已存在的零件組裝到組件上，然后點選此零件，按鼠標右鍵，由彈出的選單中點選Activate，如圖2所示，以進入該零件，進行零件尺寸的修改、現更特征的修改、新特征的建立等等。

圖2 在組件中修改變更零件

本文中所使用的Top-down design是屬于上述第一種，即在組件中直接建立新零件的方式，因此在往后的介紹與說明均為該方法的延續。

本研究在設計五軸機床的機構模型時，需考慮到該如何讓使用者以簡單的操作即可得到修改完成的五軸機床模型，所以在Pro/ENGINEER系統下所設計規劃的機構模型是相當重要的，主要的設計規則包含了以下幾點：

（1）將五軸機床的兩個旋轉機構的旋轉中心都設定在坐標系的X、Y或Z軸上。

（2）設計機構模型時，將每一個機構模型的坐標系都定義在同一位置，讓VERICUT系統讀取檔案時不需額外去定義機構模型的位置[3]。

（3）使用Top-down design的方式來設計機構模型，讓用戶可以對五軸機床的機構模型做同步設計變更。

本文中以工作臺傾斜型的五軸機床中的TATC機型（見圖3）為例來說明。

圖3 五軸機床模型

1.2 定義機床組件的邏輯結構

在基礎件Base以下有X線性軸、Y線性軸、外罩及ATC機構。X線性以下有Z線性軸、Z線性軸以下有主軸節點，主軸節點以下有刀具節點。

Y線性以下有A旋轉軸、A旋轉以下有C旋轉、C旋轉以下有附件，附件節點以下有夾具節點，夾具節點下有毛坯，如圖4所示。另外還可以在基礎件以下定義機床外罩及ATC換刀系統組件。

2基于VERICUT的虛擬五軸機床的應用

2.1 五軸機床數據的整合

本研究是以五軸機床的結構為基礎，對定義機床虛擬節點及其邏輯關系、在虛擬節點上裝配機床模型、安裝機床控制系統文件、設置機床行程參數、利用手工數據方式測試機床、用執行數控程序的方法測試機床等數據進行整合[4]。

2.1.1 定義機床結構虛擬節點

由于五軸機床的結構為整合的基礎，所以需先建立五軸機床的結構，以所介紹的工作臺型的五軸機床為例，其結構主要分成X及Y兩個部分，如圖5所示，在VERICUT系統中建立此結構則先于VERICUT系統下建立一個新的項目，而此項目的初始結構如圖6所示，圖中的CNC Machine包含了控制器（Control）及機器（Machine）兩個部分，其中機器底下包含了基座（Base）這個子結構。

圖5 工作臺型五軸機床的結構

圖6 CNC Machine的初始結構

2.1.2 安裝機床結構件模型

將機構模型的數據與導入五軸機床的結構中，并在窗口中顯示五軸機床的各個機構模型。以將基座模型匯入為例說明如下：

（1）在項目樹中選擇節點，再單擊【添加模型】參數欄，在彈出的快捷菜單中選擇模型文件（Model File）如圖7所示，運用加入的方式來將機構模型數據導入到結構中。同理，可以創建X組件模型、Z組件的模型、Y組件的模型、A軸組件的模型、旋轉C軸組件的模型。

圖7 將模型匯入至架構

（2）將各個組件模型導入至機床結構后，模型會以模型設計時的坐標系原點為基準來導入，如圖8所示，坐標系原點與五軸機床結構的機械原點會重合，且當數據導入后，即可在窗口中看見五軸機床的基座模型。

圖8 模型導入后顯示在窗口中

當所變更的機構模型與五軸機床結構整合完畢后，即可得到如圖9所示的模型，每一個子結構中皆包含了各自所代表的機構模型，并如圖10所示，各個組件導入后的機床結構模型都會顯示于窗口中。

圖9 子結構所包含的機構模型

圖10 整合完成的五軸機床機構模型

2.1.3 安裝機床控制系統文件

在左側的項目樹中右擊“控制”節點，在彈出的快捷菜單中【打開】命令，然后在彈出的對話框中選擇文件vmd600_5ax_fan31im.ctl。

2.1.4 設定機床參數

在主菜單中執行【設置】【機床設定】命令，選擇【碰撞檢測】選項卡，單擊【添加】按鈕，在【組件一】欄中單擊系統出現的【BASE】按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇【Z】，在【組件二】欄中單擊【BASE】按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇【Y】，再選中右側方框次組件。同理，設置其他參數。

2.2 系統運動模擬的正確性

本研究以五軸葉輪工件作為系統運動模擬驗證的范例，利用CGTech公司所開發的商用實體模擬切削軟件VERICUT，進行比對五軸機床運動的情形，驗證其運動模擬的正確性。另外，由于自行開發了五軸機床后處理算法，因此也將針對本系統后處理轉換所得的NC程序，經由VERICUT的實體切削模擬功能驗證其正確性。如圖11所示，為本研究中NC加工仿真完成后的五軸機床，如圖12為本研究測試NC加工仿真完成后的結果，切削時每一點位置的刀具向量都為曲面的法線向量。

圖11 切削仿真完成的機床

圖12 五軸機床切削仿真完成的結果

3 結束語

本文以Top-down design的方式來設計五軸機床的機構模型，來幫助使用者處理五軸機床的機構模型，并由VERICUT系統整合Pro/ENGINEER系統及PowerMILL系統的數據，成為一個整合性的數據，依用戶的需求來更改其中的數據后，即可得到五軸機床NC加工計算機仿真的結果[4]。

[1]趙立忠，郭登月，馬云輝，等.基于VERICUT的數控仿真環境建立與教學應用[J].實驗室研究與探索，2013，32（1）：24-26.

[2]趙華，李衛兵.基于VERICUT的CKA6150數控車床仿真研究[J].機械，2016（1）：24-27.

[3]陳鳳光，馬春文.基于VERICUT的數控宏程序仿真[J].機械工程師，2015（4）：104-105.

[4]林玉鋒，林清安．正交型五軸工具機運動機構及NC刀具路徑之電腦模擬[D]．臺北：國立臺灣科技大學機械工程研究所，2012.

Modeling and Application of Virtual Five-axis Machine Tool Based on VERICUT

LIN Ping，HUA Zhong-ping
（Hubei University of Technology，Wuhan Hubei 430068，China）

In this paper，a five-axis machine tool model for mechanism motion simulation is designed，and the machine tool model is used to carry out the computer simulation of NC tool path.First of all，by Pro/ENGINEER design of the five-axis machine tool model，followed by PowerMILL design five-axis NC code，and then VERICUT NC cutting simulation software to integrate the first two data and the establishment of tool data，you can start five axis cutting simulation，through this way the Pro/ENGINEER，PowerMILL and VERICUT three kinds of software in the five-axis machine tool data into one，so that users can understand the five-axis machine tool simulation of the situation and cutting simulation results，so that users in the NC machining program design can be completed more easily and more quickly get the results of cutting simulation.

five-axis machine tools；structural modeling；NC tool path simulation

TP391.9

：A

：1672-545X（2017）01-0226-04

2016-10-11

林萍（1975-），女，浙江平陽人，工程師，在讀研究生，主要從事機械制造與數控技術的教學與研究。