基于VERICUT的數控機床虛擬仿真系統構建及應用

曹旭妍

進行多軸加工時，NC程序正確性無法通過人力來識別。試件加工中NC程序的正確性對機床安全有重要影響。基于VERICUT平臺，構建數控機床虛擬仿真系統，對樣件進行仿真加工，能直觀、快速地觀察加工過程，檢查加工中可能出現的碰撞、干涉等危險情況，驗證NC的正確性，提高樣件實際加工的效率，同時保障了機床的安全、高效應用。

一、引言

多軸數控機床結構復雜，運動多樣，是加工復雜零件、異形零件的重要工具。隨著國內加工制造技術的不斷發展與升級，多軸機床得到越來越多的應用。然而，復雜零件NC程序的正確性制約了該類機床的高效應用。如何有效地對NC程序的正確性進行快速、準確的檢驗對提高機床的實用效率具有重要意義。應用虛擬仿真技術能夠快速、準確的對工件進行仿真加工，驗證NC程序的正確性，同時能夠預先知道加工中可能出現的干涉、碰撞等危險情況，對NC程序的識錯、改進具有重要作用。本文以DMC70ev數控機床為原型，研究了該機床的結構及運動特點，在VERICUT中構建其虛擬仿真加工系統，并對一液壓殼體零件進行仿真加工，驗證了NC程序的正確性，為同類機床的虛擬模型構建提供一定參考。

二、構建機床虛擬仿真系統

虛擬仿真系統其實質就是將實際機床在虛擬計算機環境中的完全映射，通過對機床的運動、結構等相關信息進行分析，在虛擬環境中構建機床的三維實體，同時對其賦予特定的運動特性，使其達到與實際機床一致的加功功能，滿足仿真加工的要求。

1.創建虛擬仿真系統

在VERICUT中創建虛擬仿真系統，流程圖如圖1所示。

2.機床模型建立

DMC70ev機床為典型的五軸機床，其運動軸包括X、Y和Z三個線性軸。此外，還包含b、c兩個旋轉軸。通過測量工具對機床各個運動部件的尺寸進行測量，同時測量機床初始狀態下各部件的位置及其相對尺寸，為三維模型的創建提供原始數據。

構建機床模型，不僅包含了各結構部件的三維形體，同時還要對其賦予相應的運動關系，使其按照要求的邏輯關系來運動。VERICUT中運動關系是通過機床運動樹來實現的，根據實際機床的運動邏輯，在運動樹中添加：機架-Y-A夾具-工件；機架-X-Z-主軸-刀具運動鏈，如圖2所示。將各部件的三維模型導入機床運動樹中的相應位置，完成機床三維模型的建立。

3.建立刀具庫

刀具的建立必須與實際加工中使用到的刀具保持一致，否則可能造成仿真中不出現問題，而實際應用中出現碰撞等危險情況。VERICUT中建立刀具可通過兩種方式。直接建立，VERICUT中提供了豐富的刀具設計樣本，根據刀具的具體特征及參數，選擇所需結構及尺寸即可生成刀柄、刀片。通過UG、CATIA等三維軟件建立，在三維軟件中，根據刀具、刀柄尺寸，建立相應的三維模型，將其保存為STL格式文件，導入VERICUT刀具管理庫中。

4.配置控制系統及機床參數設置

VERICUT系統庫中提供了豐富的控制系統可供選擇，本文中機床的控制系統為Millplus IT V530，系統庫中并沒有該控制系統，因此需專門進行定制。根據機床手冊中給定的機床控制代碼及其功能，配置相應的控制代碼及功能，實現與實際機床相同的控制指令開發。

為確保仿真加工的順利進行，還需進行機床參數的正確設置。虛擬仿真系統中要對機床行程、碰撞檢測、換刀點、G代碼偏置等參數進行設置。只有機床參數設置正確，當仿真中出現碰撞、超程等情況時，系統才會及時、準確的進行提示，因此該項對于虛擬系統的可靠性和準確性具有重要意義。根據實際參數完成設置后，仿真系統構建完成，如圖4所示。

三、仿真加工

1.NC程序生成

在三維軟件CATIA中建立液壓殼體零件的三維模型，對工件進行工藝處理，生成刀具軌跡。目前大多數機床僅能識別NC程序，因此要將刀位文件轉化為機床能直接識別的NC程序，實現加工。CATIA本身提供了強大的后置處理模塊，能夠將刀位文件直接處理并生成NC程序，但該模塊也有其局限性，即僅能對三軸以下的運動進行處理，四軸及以上的多軸聯動運動軌跡則無法進行后置處理。本文為了最大限度的測試虛擬系統的加工功能，選擇了具“3+2”定軸加工特征的工件，因此直接用CATIA后處理模塊無法實現NC程序的生成。基于此，通過IMSPOST通用后置處理平臺，開發專用于該機床的后置處理器V530-POST，對液壓殼體零件的工藝文件進行后置處理，生成滿足機床加工要求的NC程序。

2.虛擬仿真加工

將生成的NC程序加載到虛擬仿真系統中，添加設計好的毛坯、工件三維模型文件，檢查好機床的參數等無問題后即可進行仿真加工，如圖5所示

仿真加工過程中，當出現干涉、碰撞、超程等問題時，系統中會有相應的提示信息，操作人員可根據信息提示，查找存在問題的程序段，進而分析問題所在并進行處理，排除工藝以及加工中可能存在的錯誤。

3.仿真結果分析

仿真加工結束后，通過自動比較模塊，對加工結果進行對比，可以檢測出加工中過切、欠切的部分（紅色區域為過切、藍色為欠切），同時可以對加工結果進行測量，預測加工結果，如圖6所示。

四、總結

本文針對多軸機床進行試件加工時NC程序正確性難以檢測的問題，基于仿真技術，以DMC70ev機床為原型，通過在計算機中建立機床虛擬仿真系統，并以一液壓殼體零件為加工樣件，對其進行仿真加工，驗證了NC程序的正確性。結果表明：基于VERICUT構建的虛擬仿真系統能夠正確的進行工件的仿真加工，加工中可能存在的碰撞、干涉等情況能夠有效進行識別，對實際加工中機床的安全保護提供有效保障，

同時對試件加工的效率有顯著提高，促進新產品的開發進程。