基于VERICUT的整體葉輪五軸聯動數控加工仿真

劉學航+廖璘志

（宜賓職業技術學院現代制造系 四川宜賓 644003）

摘要：用VERICUT軟件創建G996HSB型五軸聯動高速加工中心模型仿真加工整體葉輪。應用VERICUT的組件樹功能建立運動學模型，機床仿真模塊構建五軸加工中心仿真模型，通過設置毛坯，指定刀位軌跡文件，配置相應參數，實現了整體葉輪加工過程的仿真。

關鍵詞：數控加工；Vericut；整體葉輪；五軸聯動；仿真

1 引言

整體葉輪是典型的五軸加工零件，常用于航空、汽車、能源等多種領域，其結構特點是曲面復雜且相鄰葉片間氣流通道狹小，葉輪葉片較薄，且葉片為非可擴展扭曲直紋面，葉片之間的表面干涉狀況明顯。由于其刀軸矢量變化頻繁，在試切加工中極易出現撞刀、干涉現象。因此，在實際加工前采取仿真的方法對加工程序進行檢驗是十分必要的。VERICUT是專用的數控加工仿真軟件，可以同時進行刀具軌跡和機床運動仿真，模擬零件裝夾與加工過程中機床的真實運動情況，以避免機床部件與夾具和零件的碰撞。本文利用VERICUT軟件實現整體葉輪的五軸數控加工仿真。

2 五軸加工中心仿真環境的建立

建立五軸加工中心仿真環境是在計算機上建立虛擬的五軸加工中心本體、控制系統和刀具庫等，通過添加毛坯，調用NC程序，就可以在計算機上看到和機床加工一樣的效果，因此建立五軸加工中心仿真環境是進行整體葉輪銑削仿真的基礎。整體葉輪采用G996HSB型五軸聯動高速加工中心來加工，G996HSB加工中心技術參數如表1所示。

下面介紹在Vericut中建立仿真系統的過程。

2.1 建立機床部件的三維模型

只有準確地構造機床各部件的CAD模型，才能夠真實地模擬機床各部件的運動狀況，以檢測機床、刀具和工件在加工過程中的空間位置情況，防止干涉。為簡化建模過程，以每個運動單元為一個模塊，只建立運動單元外形模型，建模不考慮機床各軸及主軸內部傳動機構，底座及不運動部件簡化為整體建模，但其基準和控制尺寸與G996HSB五軸加工中心一致。使用UG/CAD模塊建立機床運動部件和固定部件的三維實體模型，并轉換成Vericut軟件可以識別的STL格式。

2.2 構建機床的部件樹

根據G996HSB五軸加工中心的實際運動結構，首先找到兩大傳動鏈。主軸帶著刀具通過立柱沿著Z向運動，該運動組件和實現X向運動的組建相連，沿X向運動的組件又和沿Y方向運動的組件相連，形成整個刀具傳動鏈。毛坯裝夾在實現C向轉動的組件上，該組件又和在實現A向旋轉的組件相連，共同構成毛坯傳動鏈。在項目樹中依次定義機床的組成部分，添加順序為Base→Y→X→Z→Spindle→Tool，Base→A→C，從而得到機床組件樹，如圖1所示。

2.3 添加機床幾何模型

添加各部件的STL模型時應注意將添加模型選擇為模型文件，找到相應STL格式文件。逐個導入后完成虛擬機床的裝配，得到虛擬機床模型，如圖2所示。

2.4 機床參數設置

選取“配置/機床設定”，在彈出的對話框中設置機床干涉檢查設置、機床初始位置、機床行程設置和運動軸分配等機床參數。

2.5 配置機床數控系統

G996HSB五軸加工中心配置的數控系統為SINUMERIK840D，選取“配置/控制/打開控制文件”，在控制系統庫目錄下選擇sin840d.ctl。但Vericut提供的控制系統是最基本的配置，需要根據機床的控制系統功能和指令格式，對準備功能G代碼、輔助功能M代碼、寄存器地址和狀態指令等進行設置。

2.6 創建刀具庫

在Vericut中利用刀具管理模塊，可建立適用于所加工工件的刀具庫。刀具建模包括刀柄和刀片兩部分，刀柄的形狀先用UG軟件建模，并將其轉換成STL格式，便于使用時調入和調整位置。刀片在VERICUT中設置，選擇相應刀片型號，輸入刀片尺寸即可。

2.7 進行刀具軌跡仿真

在項目樹中點擊“數控程序”選擇數控程序類型為“G-代碼數據”，點擊“添加數控程序文件”即可添加用于仿真G代碼刀具軌跡文件。

3 整體葉輪的加工仿真

整體葉輪的加工仿真操作步驟如下：

（1）在Vericut環境下，調用已構建好的G996HSB五軸加工中心模型。

（2）調用機床文件、CNC控制文件和刀具庫文件。

（3）引入整體葉輪毛坯。將毛坯的STL模型文件引入部件樹。

（4）設置工件坐標系。工件坐標系的原點設置在整體葉輪毛坯上表面的中心。

（5）調入NC程序，并定義刀具列表以建立G代碼中所指定的刀具號和主刀具庫文件中的刀具號的映射關系。

（6）檢查數控程序的正確性，設置碰撞、超程、干涉等識別顏色，選取工具條上的“單步仿真”或“連續仿真”鍵，開始加工仿真。仿真過程中，機床的運動狀態與實際加工中機床運動狀態相同，可以隨時變換角度觀察仿真情況，對機床、刀具以及夾具之間的干涉情況進行檢驗。整體葉輪的加工仿真，如圖3所示。

（7）仿真結果分析。選取“分析/自動-比較”工具，檢查零件有無過切、欠切等情況。若切削模型不理想，只需調整和更換NC程序，繼續零件的加工仿真，直至切削模型與設計原型一致。

4 結語

本文基于VERICUT軟件構建了G996HSB五軸加工中心的仿真環境，這種基于完整的數控加工工藝系統環境進行的整體葉輪NC加工仿真，比用CAD/CAM軟件單純的刀位文件仿真更真實，更接近實際加工情況，解決了實際加工過程中的過切、欠切，以及刀具、工件與機床部件和夾具的碰撞問題，降低了生產成本，提高了工作效率。