基于VERICUT五軸數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)建模與數(shù)控仿真

曹 劍 李立軍 白廣華

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，宜昌 443002）

近幾年，隨著各行業(yè)對(duì)零件精度要求越來越高，使得五軸數(shù)控加工越來越重要。五軸數(shù)控機(jī)床具有自由度大、精度高且承受碰撞能力低等特點(diǎn)，因此五軸數(shù)控機(jī)床在執(zhí)行切削加工之前，必須進(jìn)行切削模擬仿真加工[1]。通過VERICUT軟件中的建模和仿真模塊，為實(shí)驗(yàn)提高了一個(gè)虛擬加工環(huán)境，通過向軟件UG輸出刀位點(diǎn)，程序進(jìn)行后置處理，并將處理后的參數(shù)信息導(dǎo)入到以實(shí)驗(yàn)室數(shù)控機(jī)床模擬程序中，建立相應(yīng)虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，從而顯示五軸數(shù)控機(jī)床工作過程中過切、干涉、超行程、撞刀等狀況，即可根據(jù)出現(xiàn)的狀況對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改和優(yōu)化，最后得出最優(yōu)加工程序，將得到的最優(yōu)程序運(yùn)用到實(shí)際機(jī)床上，能夠有效提升機(jī)床加工生產(chǎn)效率及安全性[2]。

1 機(jī)床建模

五軸機(jī)床虛擬建模包括三個(gè)步驟：第一，通過UG軟件對(duì)機(jī)床當(dāng)中各個(gè)零部件進(jìn)行三維立體建模，然后導(dǎo)出三維實(shí)體零件STL模型；第二，在軟件VERICUT8.0建立好各個(gè)零部件之間拓?fù)潢P(guān)系，然后將建立好的STL模型導(dǎo)入軟件；第三，選擇與實(shí)際機(jī)床配套的數(shù)控系統(tǒng)，通過之前建立好的拓?fù)潢P(guān)系，完成五軸虛擬機(jī)床建模。

在UG10.0三維建模過程中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中五軸數(shù)控機(jī)床各個(gè)零部件初步測(cè)量尺寸和相關(guān)資料數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行三維實(shí)體模型建立，按照各個(gè)零部件之間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行裝配。本文所研究的實(shí)驗(yàn)室DMU 50五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)體如圖1所示，DMU 50五軸虛擬數(shù)控機(jī)床如圖2所示。

2 虛擬機(jī)床數(shù)控仿真

在VERICUT軟件中，通過組件樹描述機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立機(jī)床組件樹模型，然后根據(jù)幾何模型建立機(jī)床仿真模型。組件樹模型的建立其目的是要找出運(yùn)動(dòng)機(jī)床兩條運(yùn)動(dòng)鏈，即“工件-機(jī)架”運(yùn)動(dòng)鏈和“刀具-機(jī)架”運(yùn)動(dòng)鏈。（圖3為虛擬機(jī)床組建樹）根據(jù)組件樹描述各運(yùn)動(dòng)軸與工件和刀具之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立虛擬機(jī)床組件數(shù)，如圖3所示。“機(jī)架-刀具”運(yùn)動(dòng)鏈為：底座（Base）→Z軸導(dǎo)軌→旋轉(zhuǎn)軸→刀架 →刀具（Tool）。“機(jī)架-工件”運(yùn)動(dòng)鏈為：底座（Base）→Y軸導(dǎo)軌→X軸導(dǎo)軌→夾具→工件（Stock）組成了。機(jī)床上兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)和三個(gè)直線坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立[3]。

圖3 虛擬機(jī)床組建樹

建立機(jī)床模型后還需要設(shè)置機(jī)床參數(shù)，在菜單“機(jī)床/控制系統(tǒng)>機(jī)床設(shè)定”中，列表框中要設(shè)置機(jī)床的參數(shù)如下：碰撞檢查系數(shù)設(shè)定（見圖4）、機(jī)床初始位置、機(jī)床參考點(diǎn)、換刀位置、行程極限、軸優(yōu)先、子程序、機(jī)床備忘錄[4]。

2.1 機(jī)床設(shè)置。

在完成上述步驟后，機(jī)床建模工作完畢，接下來需要對(duì)建好的虛擬機(jī)床進(jìn)行初步運(yùn)行，然后進(jìn)行一系列參數(shù)設(shè)置，虛擬機(jī)床才能夠按照數(shù)控程序順利運(yùn)行。在運(yùn)行的過程中可能會(huì)出現(xiàn)干涉、碰撞、過切以及超行程等問題[5]。

2.2 刀具庫的建立

刀具是數(shù)控機(jī)床加工中一種非常重要的加工工具，在軟件VERICUT仿真加工開始前，首先建立刀具庫文件。一把刀具包含刀具切削部分、刀桿和刀具夾持部分等信息[6]。軟件VERICUT刀具設(shè)置界面如圖6所示。

圖4 機(jī)床碰撞檢查系數(shù)設(shè)定

圖6 刀具的設(shè)置界面圖

2.3 加入數(shù)控程序進(jìn)行仿真

軟件VERICUT支持多種數(shù)控程序文件仿真，首先通過軟件UG形成刀位點(diǎn)，然后通過后置處理生成G代碼數(shù)控程序，最后將生成的G代碼程序?qū)氲絍ERICUT中[7]。軟件VERICUT數(shù)控程序如圖7所示。

3 仿真結(jié)果

在完成虛擬機(jī)床加工設(shè)置后，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真，軟件VERICUT系統(tǒng)在加工仿真過程中設(shè)置為左、右兩個(gè)視圖：左圖設(shè)置為“機(jī)床/切削模型”，主要是觀察數(shù)控機(jī)床在加工過程中各個(gè)坐標(biāo)軸之間的運(yùn)行情況；右圖設(shè)置為“工件”，主要是在加工的過程中，展現(xiàn)毛胚材料去除狀況和走刀路徑。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 數(shù)控程序

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，機(jī)床在仿真過程中能夠按照程序來加工工件，但是在加工過程中，Y軸、Z軸方向出現(xiàn)了超行程現(xiàn)象，如圖9所示。

根據(jù)虛擬機(jī)床建模和仿真可知，程序在Y軸、Z軸超出了機(jī)床形程，其原因是UG10.0軟件自動(dòng)生成數(shù)控程序與Vericut 8.0設(shè)置不相符，可以將自動(dòng)生成的程序設(shè)置在機(jī)床行程范圍內(nèi)，這樣自動(dòng)生成的數(shù)控程序就可以在機(jī)床中穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)真實(shí)機(jī)床各零部件之間的拓?fù)潢P(guān)系建立了DMU50五軸數(shù)控機(jī)床的虛擬樣機(jī)，并對(duì)Sin840D控制系統(tǒng)中特定的編碼和G代碼進(jìn)行了編輯和設(shè)定，定向開發(fā)了一套適合于DMU50五軸數(shù)控機(jī)床的后置處理程序。通過仿真驗(yàn)證，了解到該后處理程序可以最大限度避免實(shí)際加工過程中出現(xiàn)碰撞、過切和超行程等問題，提高了加工程序可靠性和實(shí)用性。另外，將軟件VERICUT和軟件UG兩者進(jìn)行結(jié)合，可以運(yùn)用在新型數(shù)控機(jī)床研發(fā)工作上，可有效縮短研發(fā)時(shí)間和研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

圖8 仿真結(jié)果

圖9 錯(cuò)誤檢查報(bào)告