HPM 1850U虛擬機床的構建與多軸數控加工仿真驗證*

王智杰，曹 巖，姚 慧

(西安工業大學機電工程學院，西安 710021)

0 引言

裝備制造業不僅是重工業和國防工業領域的重要基礎，而且也是國民經濟生產的重要支柱，尤其是“中國制造2025”也將“促進制造業創新發展”作為主題。隨著裝備制造業中航空、航天、航海以及汽車領域技術的飛速發展，傳統的三軸數控加工已經無法滿足裝備加工要求，而五軸聯動數控機床不但可以滿足這些行業復雜零件的加工要求，還可以提高加工效率。五軸聯動機床在傳統三軸機床基礎上增加了兩個旋轉軸，實現了各個軸之間的聯動功能，并且可以很靈活地控制刀軸和工件在機床空間內的位置，隨時按照工藝人員的要求來調整刀軸的矢量與工件的位置，從而使得設置走刀軌跡更加靈活高效。目前走刀軌跡的生成主要依靠主流的數控編程軟件來完成，比如西門子的NX、達索公司的Catia、Delcam Plc公司的Power-MILL、OpenMind公司的hyperMILL等軟件，這些數控編程軟件提供了軌跡的后置處理、豐富的加工策略、逼真的渲染仿真、干涉檢查等功能，但是這些軟件都無法對后置處理得到的NC程序進行干涉檢查，尤其是五軸加工過程中刀軸或工作臺可以隨時旋轉，這樣就增加了加工過程中干涉碰撞的可能性，例如刀軸與零件、刀具與夾具、刀具與工作臺之間的干涉碰撞。所以就需要使用專業的仿真軟件對五軸聯動機床的加工進行仿真。而美國CGTECH公司開發的VERICUT就是一款專業的數控加工仿真軟件，其不僅可對后置處理的NC程序進行仿真，而且還可以對機床運動進行模擬仿真，同時也可以檢查加工過程中刀軸與零件、刀具與夾具、刀具與工作臺之間的干涉碰撞，最主要的是其能夠真實直觀地模擬機床實際切削加工的全過程。本文以瑞士GF阿奇夏米爾集團HPM 1850U五軸機床為例，利用VERICUT軟件對其構建數控加工仿真環境，并研究了VERICUT虛擬加工仿真的關鍵技術和方法，最后通過某葉輪的虛擬加工驗證了仿真的正確性。

1 HPM 1850U虛擬仿真環境的建立

1.1 HPM 1850U機床機構分析

HPM 1850U(后面都簡稱1850U)機床屬于擺頭+旋轉工作臺五軸機床，其最主要的特點就是其主軸可以進行-20°～+110°擺轉，實現立式機床與臥式機床的轉換。1850U加工中心如圖1所示。

圖1 1850U加工中心

1.2 VERICUT搭建虛擬仿真機床

1850U機床屬于專用類機床，VERICUT機床模型庫沒有其虛擬機床模型，所以需要單獨建立其虛擬機床模型。

(1)1850U機床結構分析及幾何建模

1850U機床屬于多軸聯動的加工中心，其主軸可進行立式與臥式的轉換，所以該機床各軸之間的相互運動關系相當復雜，其中主軸、擺頭以及旋轉臺的旋轉中心的相互位置關系等參數尤為重要。

1850U機床結構拓撲關系分為兩部分：一部分是以旋轉工作臺(C軸)為主的U軸模塊結構，另一部分是以擺動A軸為主的V軸模塊結構。根據1850U機床各部分的實際尺寸建立好幾何模型，分別將機床各部分的幾何模型搭建到U軸模塊和V軸模塊結構上。機床各軸結構模型的拓撲關系圖和幾何模型機構圖如圖2所示。

圖2 HPM1850U機床結構模型拓撲關系圖及幾何模型圖

(2)1850U機床運動關系建模

運動關系建模是將前期搭建好的1850U機床模型賦予運動特征，使機床各軸能按預定要求的運動進行切削加工。按以下步驟建立1850U機床的運動關系模型：

1)定義坐標系

1850U機床與其他機床類似，需要定義各種坐標系，通過坐標系判斷各運動軸相對于機床零點的位置和運動方向。這些坐標系包括：模型坐標系(XM,YM,ZM)、組件坐標系(XC,YC,ZC)、機床坐標系(Xmch,Ymch,Zmch)、工件坐標系(Xwp,Ywp,Zwp)、加工坐標系(X,Y,Z對刀點)。以上坐標系都是完成機床模型創建后由系統自動產生。而1850U機床要想完成虛擬仿真加工，還需通過“用戶坐標系(CSYS)”來定義編程坐標系，該坐標系與數控編程時坐標系一致，也可作為分析零件尺寸和剖切零件的基準坐標系。圖3 顯示了1850U機床的部分坐標系。

圖3 1850U機床的編程坐標系和機床坐標系

2)構建運動關系結構樹

通過分析1850U機床的運動關系可知，該機床加工過程的實現是兩條運動鏈的相互運動配合形成。分別為：床身(Base)→X軸→C軸→夾具(Fixture)→毛坯(Stock)，這是“床身-工件”(U軸模塊)的運動關系鏈，主要是解決工件在機床上運動的問題。然后要創建第二組創建運動關系：床身(Base)→Y軸→Z軸→A軸→主軸(Spindle)→刀具(Tool)，這是“床身-刀具”(V軸模塊)運動關系鏈，主要是解決刀具在機床主軸上運動的問題。根據機床運動關系結構樹將建好的機床各個部件模型逐個導入到VERICUT軟件中，完成配置虛擬機床的模型。構建的虛擬機床如圖4所示。

圖4 1850U機床的運動關系結構樹和虛擬機床

3)定義機床相關參數

1850U機床需要定義機床干涉檢測、機床行程極限等參數，這些根據1850U機床實際參數來設置。主要是防止在機床在仿真過程中發生運動失效和干涉的結果。機床干涉和行程極限設置如圖5和圖6所示。

圖5 設置碰撞檢查 圖6 設置“行程極限”

(3)創建虛擬刀具庫

構建虛擬刀具庫一般都是按照實際加工對象的工藝以及刀庫的容量來配置刀具庫。對于單一刀具來說，創建一把虛擬刀具主要有建立刀具(Cutter)、建立刀柄(Holder)、刀具命名和設定裝夾點4個步驟。刀具的創建要根據加工工藝的實際刀具的參數一比一進行構建。這些參數包括：刀具類型、刀具直徑、刀具總長、刃長、刀尖點以及刀具夾持點。如圖7所示。

圖7 刀具建立的示意圖

虛擬刀柄的創建是為了在虛擬仿真過程中防止發生干涉碰撞。1850U機床用的是高速切削的HSK刀柄系統，可根據實際刀柄尺寸創建虛擬刀柄。創建的刀柄如圖8所示。

圖8 刀柄建立的示意圖

1850U機床的刀具號應與其對應的數控程序中調用的指令號一致，保證換刀功能的準確實現。現將1850U虛擬機床中刀具管理器中的刀具命名為“4(D4R2直柄球頭銑刀)”，并將刀具的驅動點設置為刀尖點，坐標值為(0，0，0)，設定刀具的裝夾點坐標值為(0，0，200)，設置好刀具信息如圖9所示。

圖9 刀具信息設置

1.3 VERICUT數控系統調用與配置

(1)調用數控系統

機床的數控系統也叫機床的控制系統， HPM1850U機床用的是德國海德漢數控系統“iNTC530”，對應的VERICUT的控制系統庫中的“hei530”。如圖10所示。

圖10 “控制系統”庫

(2)數控系統的配置

1850U機床帶有自適應控制系統(CACS),可以根據實際加工情況來隨時調整加工參數。這就需要數控系統的柔性來滿足其定制化的要求。通過VERICUT提供的宏指令對數控系統進行特殊的配置和調整，并根據指令說明，定義相應的字格式，最后完成該功能的實現。

(3)進行MDI測試

在不加載數控程序的情況下，通過簡單的換刀指令和運動指令對機床各個運動軸的運動方向、碰撞、超程等狀況的進行檢驗、測試。

2 VERICUT 機床加工仿真過程

本文以某葉輪零件為例，使用該虛擬仿真機床進行切削加工仿真。加工的葉輪和加工過程如圖11所示。首先需要在Siemens NX軟件中利用CAM模塊生成刀軌，然后將生成的刀軌文件經1850U機床專用的后處理器生成數控加工程序。此時，將后置處理得到的數控加工程序導入VERICUT中就可以進行模擬仿真。在進行虛擬仿真加工之前，需要對毛坯、夾具、刀具、加工坐標系進行設置以及添加數控程序。

(1)設置毛坯和夾具

虛擬仿真環境中的毛坯、夾具的設置都是根據其實際尺寸構建三維模型，然后再將其導入模擬機床項目樹中的Fixture、Stock位置，并根據實際加工的要求，設置好毛坯和夾具在仿真機床環境中的位置，毛坯的中心必須與主軸的中心在同一直線。如圖12所示。

(2)設置刀具

刀具的設置已經在“創建機床刀具”中設置好，同時要將仿真加工的刀具與Siemens NX生成葉輪刀路的刀具保持一致，包括刀具的刀號、刀具尺寸等參數。

(3)設置坐標系

在Siemens NX軟件中刀具是相對于工件坐標系生成葉輪刀具軌跡的，所以在虛擬仿真環境中需要建立一個與Siemens NX中編程一致的工件坐標系，并設置為Csys 1。如果坐標系不一致虛擬仿真時就會出現干涉、撞刀等現象。

圖11 葉輪三維模型與加工過程圖

圖12 毛坯和夾具在仿真機床環境中的位置

(4)添加數控程序

將Siemens NX后置處理生成的數控加工程序添加到模型樹的“數控程序”中，當程序添加完成后就可進行虛擬仿真加工。加工過程如圖13所示。

圖13 葉輪數控虛擬仿真加工過程

通過VERICUT軟件中虛擬仿真加工，可以看到機床加工時的運動過程，并且還可以檢查數控程序的正確性、生成的刀具軌跡是否合理，然后可判斷刀具與夾具、刀柄與夾具、主軸與工作臺之間是否存在干涉和碰撞等。葉輪仿真加工過程如圖14所示。仿真完成后，可以通過在VERICUT的日志報告文件中得到加工過程中的詳細信息，并且可以對加工過程中出現的問題進行查詢和改進，最終滿足實際加工的要求。

圖14 葉輪數控虛擬仿真加工結果

3 實驗加工驗證

仿真驗證無誤后，需要在實際的機床上進行加工實驗，所以后續在1850U機床進行了葉輪的實際加工，加工結果如圖15所示。在加工過程中沒有發生刀具的干涉、碰撞以及機床超程等現象，加工后葉輪葉片的曲面和圓角處較為光順。證明了該機床的VERIVUT虛擬仿真模型的正確性和有效性。

圖15 葉輪加工實物圖

4 結束語

本文完成了五軸立臥轉換機床HPM 1850U主要部件的建模及裝配，利用VERICUT軟件構建了1850U虛擬機床的專用仿真平臺，并且針對該仿真平臺進行了虛擬加工驗證，最后進行了實際加工驗證。驗證結果表明，該專用仿真平臺可以模擬1850U機床實際加工情況，可以檢查數控程序的正確性，分析工藝的合理性，同時監測加工過程中的干涉、碰撞和超程等問題，可以對實際加工的設備和操作人員起到保護作用，并為現場實際加工提供仿真技術支撐。本文的虛擬仿真技術不但為其他多軸聯動數控機床的數控虛擬仿真技術提供一定的技術經驗支持，并且也對提高我國多軸數控加工仿真水平也具有重要的意義。