基于VERICUT的五軸聯動數控加工仿真研究

陳寶尚

基于VERICUT的五軸聯動數控加工仿真研究

陳寶尚

（揚州恒星精密機械有限公司，江蘇 揚州 225127）

為了保證五軸聯動數控加工的安全性與可靠性，在實際的零件生產加工前落實加工仿真分析極為必要。基于此，闡述了利用VERICUT軟件展開五軸數控加工仿真分析的方法，在明確軟件的應用優勢、VERICUT加工仿真的一般過程的基礎上，詳細分析了基于VERICUT的五軸聯動數控機床的建模及其加工仿真過程，結合結果驗證實驗，證實了基于VERICUT的加工仿真分析的結果具有實用性與科學性。

VERICUT軟件；五軸聯動數控機床；建模過程；加工仿真

在五軸聯動數控加工過程中，如果加工的零件相對復雜，則極容易產生零件與機床刀具碰撞、干涉的問題，直接損傷加工零件或機床刀具，加大了五軸聯動數控機床的運行風險。因此，為了保證五軸聯動數控加工的安全性與可靠性，提前利用VERICUT軟件展開加工仿真研究極為必要。

1 VERICUT軟件的簡述

1.1 VERICUT軟件的應用優勢

VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發的數控加工仿真系統，其最大優勢在于，既能夠完成多種CNC系統、刀位文件的仿真，又可以實現CAD/CAM后置處理的NC程序的仿真。利用該軟件展開加工仿真分析，能夠縮短加工時間、延長刀具壽命、改進表面質量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤。同時，軟件能夠實現三維實體顯示，可以完成切削模型尺寸的測量與保存，為檢驗后續工序切削加工的步驟落實提供支持[1]。另外，VERICUT軟件還具備多種接口，能夠直接完成多種信息數據的導入。就當前的情況來看，VERICUT軟件已經被廣泛應用于航空航天、汽車、模具制造等行業，有著較好的發展趨勢。

1.2 VERICUT加工仿真的一般過程

通常情況下，利用VERICUT軟件展開五軸聯動數控加工仿真的主要步驟如下：構建虛擬機床（運動學）模型；構建夾具、毛坯的模型；構建刀具（特定機床使用的所有刀具，形成刀具庫）模型；設置系統參數（包括刀具補償、工件編程原點等）；展開加工仿真（結合VERICUT軟件的實際需求完成加工刀具軌跡、NC代碼的調整）；分析并優化仿真結果（利用工件加工與碰撞干涉情況形成仿真結果，同時完成尺寸、廢料的數值計算）。

1.3 VERICUT加工仿真設計的原理

依托五軸聯動數控機床實體的結構特點，在VERICUT軟件（建模工具）中完成機床CAD模型的構建；確定虛擬機床的控制系統、控制代碼及參數；結合零件加工編程的工藝流程完成刀具庫的構建，并納入工藝參數實現加工仿真；比較加工仿真后獲取的零件與設計模型，確定加工仿真的誤差與分布，輸出最終結果。

2 基于VERICUT的五軸聯動數控機床的建模

2.1 構建機床組件樹

依托五軸聯動數控機床的結構，提取出床身基體、左右運動部件、前后運動部件、上下運動部件、旋轉工件臺、主軸擺動部件、主軸部件等關鍵機械結構，并形成各部分的運動關系、相互位置關系[2]。依托這些內容，能夠在VERICUT軟件中完成五軸聯動數控機床的組件樹的構建，形成機床的運動學模型。

在本次研究的組件樹構建中，上下運動部件位于Base根節點內部、旋轉工件臺位于上下運動部件節點內。同時，Fixture位于旋轉工件臺節點內部、Stock位于Fixture節點的內部。具體來說，Stock依托Fixture實現運動，而Fixture跟隨旋轉工件臺轉動，旋轉工件臺隨著上下運動部件的移動而運動。前后運動部件放置于左右運動部件上，主軸擺動部件圍繞前后運動部件擺動。Tool位于Spindle上，而Spindle位于主軸擺動部件中。

能夠看出，利用VERICUT軟件，能夠清晰掌握五軸聯動數控機床中各個部件之間的依附與約束關系，依托組件樹顯示了該機床的運動學結構。

2.2 構建不同位置的三維模型

在組件樹的支持下，能夠完成五軸聯動數控機床各個部分的三維模型的構建，并以此為基礎形成五軸聯動數控機床整體的空間立體模型。為了實現這一目標，需要在完成UG內建模的基礎上倒入VERICUT軟件，并利用軟件的自帶功能展開模型的平移、旋轉、縮放等，幫助研究人員更加直觀、全面觀察五軸聯動數控機床的建模效果。

在此過程中，必須要保證機床模型的主要幾何參數與原有五軸聯動數控機床的相應幾何參數保持一致，并將機床的原點穩定在主軸端面的正下方位置，確保后續加工仿真分析結果的準確性與有效性。

2.3 設定系統參數

2.3.1 設置機床的干涉檢查

在VERICUT軟件“機床設定”功能的支持下，能夠完成虛擬機床最基本狀態的設定。在本次五軸聯動數控加工仿真分析中，主要完成了10項組件間運動過程的干涉檢查，其中包含著機床在實際運行中可能遇到的所有的碰撞問題。本研究中，筆者設定1 mm為發生干涉的檢查臨界值。

2.3.2 設置機床的初始化

利用VERICUT軟件的“機床設定”功能，同樣可以完成虛擬機床初始狀態、換刀位置等多項細節參數的設定。在本研究中，將（0 0 0）設定為五軸聯動數控機床中旋轉中心樞軸的中心偏置；利用默認值完成機床的坐標原點、程序原點的設定；依托加工零件的參數實現換刀位置坐標的設定。

2.3.3 設置機床的行程

結合現有五軸聯動數控機床的工作行程，在VERICUT軟件中輸入左右運動部件、前后運動部件、上下運動部件、主軸擺動部件、旋轉工件臺運動范圍值。

在這過程中，如果在加工仿真分析中出現部件運動范圍超出允許數值的情況時，則VERICUT軟件的相應部件表述會呈現出紅色，并同時將記錄保存在日志文件內，供研究人員形成最終結果。

2.4 確定機床的數控系統

在數控系統的支持下，虛擬機床能夠展開加工運動。此時，數控系統主要實現了數控代碼解讀、運算的插補、顯示加工仿真情況等功能。在VERICUT軟件中，包含著大量的控制系統文件，研究人員可以直接從軟件中調取數控系統設置于虛擬機床中。同時，VERICUT軟件中還包含著機床開發工具箱，利用這一工具箱，研究人員可以自行完成控制系統的開發與設定。

2.5 構建機床刀具庫

在VERICUT軟件中，包含著刀具建模單元。利用這一單元，能夠完成仿真加工分析中刀具庫的組建。其中，在刀具庫中，存儲了刀桿與刀具挾持部分、刀具切削部分的數據信息。

3 基于VERICUT的五軸聯動數控機床的仿真加工

3.1 準備工作

3.1.1 調出刀具庫

在VERICUT軟件的菜單欄中調出利用上述操作構建起的五軸聯動數控虛擬機床以及機床刀具庫。

3.1.2 設定夾具

在仿真加工研究中，需要設定夾具，以此保證仿真加工的效果，與機床的實際加工更加貼近。

3.1.3 零件毛坯的準備

零件毛坯的準備過程與虛擬機床建模過程有著一定程度的一致性。在此過程中，需要依托CAD建模軟件完成形狀相對復雜的零件毛坯模型構建，并在數據接口的支持下，直接導入VERICUT軟件中。此時，要結合零件編程原點將零件毛坯移動至準確位置，避免在仿真分析中發生加工錯誤的問題，進一步保證加工仿真分析效果。

3.1.4 數控程序的輸入

利用VERICUT軟件中的“數控程序”對話框功能，能夠選擇、輸入數控程序。此時，研究人員可以結合實際需求，完成復數的數控程序的調入。

3.1.5 設置G代碼

相比于其他的代碼設置，G代碼設置具有一定的難度，需要實現編程方法的設置以及工件坐標系的偏移設置。在這一過程中，需要提前落實不同加工件的位置設定。

3.2 仿真加工

當虛擬機床復位后，即可判定其進入待加工狀態，此時，可以落實多種加工仿真操作。在VERICUT軟件的支持下，加工仿真的界面可以劃分左右兩個視圖。其中，左視圖主要展示了零件、刀具的切削部位，研究人員可以利用其了解零件毛坯的去料細節；右視圖主要展示了虛擬機床的實際運行情況，研究人員可以了解在加工中是否存在碰撞問題，并掌握加工中的實際運行情況。

如果在加工仿真過程中發生了干涉、過切、撞刀等問題，VERICUT軟件的相應位置會表現成紅色，同時在信息欄中顯示提示信息。完成加工仿真后，VERICUT軟件自動形成日志文件，包含著虛擬機床整個加工過程中存在的信息，具體有加工仿真啟示時間與結束時間、刀軌名稱、錯誤及警告數量等等。此時，顯示的錯誤及警告信息能夠細化到某一程度段中，實現精準定位。

在本次五軸聯動數控加工仿真研究中，并未表現出欠切、過切的問題，由此可以說明，研究中使用的加工仿真模型符合設計的精度要求。

3.3 結果驗證

為了進一步完成結果驗證，保證基于VERICUT軟件的加工仿真分析結果的準確性，筆者落實了結果驗證。此時，將上述分析過程中構建起的零件仿真模型引入實際的五軸聯動數控機床完成加工，得到實體零件。

對比結果顯示，依托VERICUT軟件完成五軸聯動數控加工仿真分析的結果具有實用性與科學性，是虛擬制造及仿真分析的有效策略。

4 總結

綜上所述，依托VERICUT軟件建立五軸聯動數控機床、復雜零件的模型展開加工仿真分析，結果顯示，在加工仿真中并未表現出欠切、過切的問題，研究中使用的加工仿真模型符合設計的精度要求。同時，為了保證加工仿真結果的科學性，落實了仿真零件模型的現實生產應用，形成真實零件。驗證結果顯示，依托VERICUT軟件完成五軸聯動數控加工仿真分析的結果具有實用性與科學性，是虛擬制造及仿真分析的有效策略。

［1］劉偉昊.基于Pro/E的數控機床后置處理技術和基于VERICUT的仿真加工技術研究［D］.濟南：山東大學，2019.

［2］黃振沛.VERICUT五軸聯動數控機床模型建立及加工仿真［J］.智能制造，2015（7）：36-39.

2095－6835（2019）22－0138－02

TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.057

〔編輯：嚴麗琴〕