基于POWERMILL&VERICUT的銑刀盤數控仿真與加工

呂彎彎

（河南應用技術職業學院，鄭州 450042）

0 引言

隨著現代制造技術的飛速發展，對于數控加工刀具的數量和種類的需求量越來越龐大，刀具的刃型[1]也越來越復雜，刀具的加工精度也越來越高。針對具有復雜曲面的零件企業廣泛都會采取自動編程，提高編程效率。以零件加工的安全性、可靠性為宗旨，通常在零件批量生產前進行數控仿真，以檢查加工工藝安排的正確性、合理性，在加工過程中是否發生過切、欠切、刀具與工件碰撞等現象。

POWERMILL[2]是一款專業的數控加工自動編程軟件，同時也是CAD/CAM軟件中最具有代表性的軟件。此款軟件在多軸加工方面具有獨特的優點，并為用戶提供了多種加工策略。

VERICUT[3]是某公司專為數控加工技術量身打造的一款仿真模擬兼仿真優化的軟件。該款數控仿真模擬軟件主要具備以下兩大功能：仿真驗證功能和仿真優化功能。仿真驗證功能主要解決了采用試切法加工時所產生的各種弊端，既節約了生產所需要的加工成本，同時也減少了生產周期，提高加工效率。仿真優化功能主要優化了銑削加工過程中各個參數的設置，從而提高了產品的最終加工質量和降低了刀具的破損等優點。

1 面銑刀盤建模及加工工藝設計

面銑刀盤的整個建模過程和加工過程，在此，以全國職業院校技能大賽“工業設計技術”賽項為案例，闡述整個建模過程、仿真過程和加工過程。首先對實際產品模型進行噴粉→貼標志點→掃描得出的點云數據（.asc文件）；導入至點云數據處理軟件Geomagic Wrap中對掃描的點云數據進行數據處理得出的文件（.STL文件）；最后將其導入至逆向軟件Geomagic Dedign X中對其進行逆向處理封裝為實體，將實體模型導出（.STP文件）即可。如圖1所示。

圖1 Design、Stock與Fixture模型

為節省產品加工時間，毛坯已在CAK6150數控車床將其外圓毛坯進行粗加工。經分析銑刀盤的零件幾何特征，該工件是單個切削刃均勻分布的回轉體。正面加工工藝如表1所示；經過分析盤銑刀反面的幾何形狀特征，其加工工藝如表2所示。

表1 正面加工工藝方案

表2 反面加工工藝方案

2 刀路軌跡生成及加工程序后置處理

2.1 刀路軌跡生成

無論在CAM/CAD哪款軟件中進行程序的設置，思路都是一致的。現將其操作步驟敘述如下：選擇加工環境（如銑床、車床、線切割等）→創建工件坐標系（MCS）→創建刀具模型→選擇合適加工策略→結合工件精度要求設置加工參數→生成刀具路徑→軟件內部模擬→優化刀具路徑（不產生過切、欠切、撞刀等現象），直至達到最佳加工效果為止。

正面粗加工外形時，采用模型區域清除策略，選擇大刀具、低轉速、大的背吃刀量，快速高效率的將殘料清除，而半精加工和精加工根據反面銑刀盤幾何形體的不同，采取合理、可靠、效率高的加工策略，例如偏移平坦面精加工、SWARF精加工[4]、優化等高精加工、平行精加工等在多軸加工中常用的加工策略，刀軸均通過垂直方式沿曲面進行切削。如圖2所示。

圖2 刀路軌跡

2.2 加工程序的后置處理

后置處理是將CAD/CAM軟件（如UG、Mastercam、POWERMILL等）經過一系列的參數設置生成的刀具路徑，選用適合當前數控系統的后處理器生成數控NC代碼。經查閱華中HNC-848B（WG-125）機床操作說明書，查到X、Y、Z、A、C相關軸的轉速范圍、行程參數等，如表3所示。

表3 WG-125五軸聯動加工中心主要參數

利用POWERMILL軟件對應的后處理器，根據華中848B-5axis-BC-TT機床參數設置相關參數，如G代碼輸出的單位、相應坐標軸的行程設置、A軸和C軸的角度活動范圍，生成的.pmoptz后處理文件。

3 VERICUT中機床構造

依據華中HNC-848B五軸聯動加工中心的實際結構，在VERICUT8.1.1軟件項目樹[5]中，以控制→機床→Base→Y→X→B→C→附屬→Fixture→Stock→Design，Base→Z→Spindle→Tool的順序定義五軸聯動數控機床[6]各個部位之間的附屬關系（圖3）。

圖3 運動控制文件與本體結構文件

4 加工仿真與優化

4.1 仿真過程

VERICUT軟件是一款專門為數控模擬仿真設計的軟件。這款軟件擁有多種不同系統[7]不同類型的機床模型、加工刀具模型、多種多樣的零件模型等重要組成部分組成的三維模型，更直觀、清晰地模擬、驗證整個的加工過程，在虛擬的環境中完成對NC程序的檢驗以及優化。

（1）仿真模型和仿真系統的建立與選擇

在VERICUT仿真軟件中，建立機床模型有兩種方法。①通過VERICUT仿真軟件中自帶的機床模型[8]，根據實際加工的機床系統進行選擇即可；②通過其他三維造型軟件建立機床三維模型之后導入VERICUT仿真軟件中即可。

（2）虛擬機床基本參數的設置

仿真的實體三維模型建立好以后，必須以機床的實際參數情況為依據（機床各類主要參數可查看機床參數說明書），對機床的基本參數進行設置。包括行程位置、幾個運動軸的極限位置、換刀等基本參數[9]，用來保證仿真機床的運動軌跡與實際機床的運動軌跡保持一致。在仿真過程中一旦出現撞刀、干涉、超程等情況時，在實際加工中也會出現，同時仿真系統也會出現報警，因此，需要對程序進行二次優化。

（3）刀具庫建立

VERICUT仿真軟件自帶的有刀具管理庫，同時也可以把自己常用的各種型號的刀具建立好，儲存在刀具管理庫中，用的時候方便調用。刀具庫里并且還優化了對刀點[10]、刀柄、刀刃和各種刀片等參數。用戶也可以根據實際生產的需求對以上參數進行調整，從而建立更多適合實際加工機床刀具的數據庫，方便后續階段直接調用。

（4）機床加工過程仿真

在項目樹中依次導入Fixture（夾具）、Stock（毛坯）、Design[6]（設計）等STL模型文件，構建與實際加工環境相同的數控機床仿真環境。在數控仿真模擬加工過程中要特別注意觀察機床主軸、刀具、夾具、工作臺、工件之間的空間位置關系、加工過程中是否會出現機床運動是否超出行程極限[7]干涉、過切、欠切、數控代碼的正確性、可靠性等。只要在數控模擬仿真過程中所加工的工件出現紅色部位就一定要認真仔細檢查，防止在實際加工過程中發生不可挽回的過失。

4.2 結果比較分析

數控仿真過程結束后，可以通過不同顏色的顯示，觀察出過切、漏加工、碰撞等結果，繼而對原先的數控程序進行修正，直至顏色顯示正常（綠色為正常，紅色為異常），不出現過切、漏加工、刀具碰撞等嚴重的后果為止。零件仿真效果如圖4所示。

圖4 零件仿真效果

5 VERICUT仿真軟件特點

數控仿真軟件就是一款模擬數控加工的真實情景，給數控機床操作者營造一個虛擬的加工環境，以方便數控操作者根據實際加工的環境進行現場操作演練。數控仿真軟件的優點：其一，可以根據實際加工的需求，進行工件的裝夾，例如所需要的工裝夾具（臺虎鉗、墊鐵、壓板、四爪卡盤、分度盤等特殊夾具）。同樣也可以調用數控仿真軟件中的精準對刀儀器[11]進行對刀操作（如機械尋邊器、光電尋邊器、Z軸設定器等），以提高對刀精度、加工精度；其二是數控仿真軟件可以實時測量工件的加工精度，避免在實際加工中出現過切、欠切等情況，也避免誤操作、程序出現重大錯誤造成不可挽回的過失，可以及時查缺補漏；其三是，多款數控仿真軟件都具備標準的數據端口，可以將計算機輔助軟件（如UGNX、POWERMILL、中望3D等軟件）生成的程序G代碼傳輸到數控仿真軟件中，進行模擬仿真加工；其四是，對于數控實訓教學這是最大的優勢，利用數控仿真軟件可以提高學生的自信心，更提高了學生實踐動手能力。在學習中養成查缺補漏的習慣，同時也養成良好的職業道德規范，這都是對學生今后的學習道路有益處的地方。

6 結束語

本文主要闡述了銑刀盤的建模過程[12]、數控加工工藝的設計、刀路軌跡的生成及后處理、基于VERICUT8.1.1數控仿真軟件模擬真實加工環境，分析其加工過程中容易出現的問題及程序的優化，并在華中HNC_848B五軸機床上實際加工。經過實踐證明，VERICUT8.1.1數控仿真軟件合理可靠，并提高了實際加工的效率和產品質量。本文是將自動編程軟件與仿真軟件相結合，驗證程序的正確性，從而提高安全性，節省加工成本。