基于TeamCenter與VERICUT的仿真加工關鍵技術研究

高 駿，孟 勇，鐘 浩

(重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶 400050)

隨著數字化、信息化與先進制造技術的發展，數字化的設計、工藝、仿真、制造等技術已經逐漸成熟并廣泛應用于航空、航天、船舶等領域，給制造業帶來了巨大的變革。因此，針對機械加工工藝驗證周期長[1-3]、所耗費人力物力大的問題，為降低產品研發成本，本文通過運用設計與工藝的協同平臺，基于統一模型開展數據接口開發研究[4-7]，通過虛擬仿真平臺將實物制造環境映射到數字環境中[8-9]，實現在三維可視化環境下進行加工工藝工序建模、加工坐標系建立與變換、多工位仿真加工，完成對加工工藝設計的可行性和合理性驗證，實現加工工藝的提前驗證，提升制造工藝的迭代優化效率，避免制造環節錯誤，提高產品實物質量。

1 仿真加工關鍵技術概述

基于TeamCenter與VERICUT的仿真加工技術流程如圖1所示。首先開展三維零件機械加工工藝工序建模研究，按工序內容和關聯的資源創建機械加工工藝工序模型；然后開展零件的數控編程工作，完善工序模型、刀具信息及加工設備信息；最后開展虛擬加工技術中加工坐標系建立及坐標系轉換研究，搭建三維工藝仿真加工平臺，實現零件多工位仿真加工代替實物驗證。

上述仿真加工過程中存在重復導入數控程序、設置加工毛坯參數等問題，因此本文將從機械加工工藝工序建模、數據接口開發及參數設置、加工坐標系轉換和多工位仿真加工4部分對基于TeamCenter與VERICUT仿真加工的關鍵技術進行闡述。

2 仿真加工關鍵技術研究

2.1 PMI標注與機械加工工序模型研究

基于TeamCenter與VERICUT的工藝設計、仿真、驗證等所需的基礎數據均來源于TeamCenter統一數據源，首先設計零件的三維模型，并對其進行三維制造信息(PMI)標注(見圖2)，并在TeamCenter中利用分類庫創建了設備庫、刀具庫、工裝庫等資源庫(見圖3)。

基于TeamCenter建立統一數據源，采用倒推法創建機械加工工藝工序模型。按照加工順序從零件最終狀態倒推至毛坯模型，即以下一道工序模型為基礎，應用同步建模進行快速修改，生成本道工序模型，并基于下一道工序模型，利用WAVE幾何鏈接器關聯上一道工序模型，實現零件數據自動更改、同步傳遞。因此，采用倒推法以上一道工序的模型為毛坯，本道工序的零件為目標，按工序內容和關聯的資源創建機械加工工藝工序模型(見圖4)。

根據對零件加工工藝的分析研究，在TeamCenter/CAM環境下建立2個程序組分別對應零件頂面及底面的加工程序，添加加工所需要的刀具信息并設置刀具參數，以及在對應的加工程序組下設置加工參數，建立工序中的加工方法，完成零件的加工刀軌(見圖5)。

2.2 接口開發技術與接口參數設置

基于TeamCenter已建立毛坯、刀具庫、數控程序、夾具、設計模型等要素，TeamCenter數據不能直接輸入VERICUT完成仿真加工，因此應開發相應接口，其目的是在零件多工位仿真加工時，可減少再次在項目中添加相關要素的操作，避免重復導入數控程序、設置加工毛坯等參數，從而節省大量仿真準備時間。接口開發步驟如下。

1)進入計算機環境變量，添加系統變量(見表1)，其中軟件版本為VERICUT 7.4.1、NX12.0。

表1 接口開發系統變量表

2)進入計算機路徑X:SiemensNX12.0UGIImenus，打開文件custom_dirs.dat，在文件末尾新增環境變量值X:ProgramFilesCGTechVERICUT7.4.1windows64 xNX12.0english(NX12.0、VERICUT7.4.1為具體版本名稱)，指向TeamCenter下集成的NX平臺。

通過增加系統環境變量，開發了TeamCenter與VERICUT的接口，進入加工模塊顯示VERICUT接口(見圖6)，接口參數界面可設置機床模板、設置工位、定義毛坯、夾具、定位以及加工程序等(見圖7)，完成參數設置后確認輸出運行仿真。

2.3 加工坐標系建立及坐標系轉換研究

通過開發接口并設置仿真加工參數，確認運行后數據輸出到VERICUT中。零件加工工位應建立相應的加工坐標系，其目的是將編程坐標系與零件的基準坐標系重合，從而使數控程序實現正確的仿真加工。建立加工坐標系方法如圖8所示，添加G代碼偏置，設置為工作偏置，寄存器為54，工件坐標原點參考位置為主軸到坐標原點。執行數控程序讀取到G54時，加工坐標原點與編程坐標原點重合，虛擬仿真加工實現對應的仿真動作。

零件加工面通常不止一個，需完成多工位的仿真加工。以本文零件為例，第2工位加工時毛坯為第1工位仿真后的結果(見圖9)，此時待加工面未在正確的空間位置，因此應對第2工位毛坯進行相應坐標系變換，完成毛坯及夾具等組件的空間位置變換，從而實現零件正確的加工仿真。

根據毛坯尺寸及坐標系位置進行齊次坐標變換，變換公式如下。

1)平移運動：將毛坯平移至正確位置，在X軸方向移動x，在Y軸方向移動y，在Z軸方向移動z，以矩陣形式表示為：

(1)

2)坐標系旋轉：毛坯的坐標系應根據實際位置進行變換，繞X、Y、Z軸旋轉的旋轉矩陣分別如下：

(2)

(3)

(4)

空間坐標系變換的步驟如下：通過第2工位項目樹選中整個夾具與毛坯組件，根據實際毛坯位置完成空間坐標變換，在Z軸正方向移動32 mm，繞Y軸順時針旋轉180°，齊次變換矩陣如下：

(5)

完成對STOCK組件的坐標變換(見圖10)，第2工位坐標系變換后的初始狀態如圖11所示。

2.4 基于設計與工藝的仿真加工結果

基于TeamCenter與VERICUT仿真加工關鍵技術的研究，完成了基于TeamCenter的機械加工工藝工序建模，開發了TeamCenter與VERICUT數據傳輸的接口并設置了接口參數，采用空間坐標變換完成了零件多工位仿真的加工坐標系設置，從而實現了從產品三維模型到仿真加工的全過程(見圖12)。在虛擬仿真環境下，可實時查看仿真加工過程中虛擬機床與零件的狀態，觀察刀具與零件切削過程干涉、虛擬機床運動軸與零件碰撞情況等，從而優化數控程序，提高機床效能，縮短開發周期，有效保護機床和刀具。

本次實驗以粗銑零件工序時間為目標值進行記錄，在構建的虛擬環境中驗證優化后NC代碼的合理性，通過實物加工對比仿真驗證優化后的加工時間與傳統工序的加工時間結果(見表2)，在側面銑削中仿真驗證后加工時間與經驗參數加工總時間減少187 s。結果表明，通過仿真加工實現了零件粗銑加工工藝的優化，進一步驗證了仿真加工提高機床效能的可行性。

表2 傳統工序與仿真驗證后加工時間數據表

3 結語

為減少工廠實物驗證環節，通過對基于TeamCenter與VERICUT仿真加工關鍵技術的研究，驗證機械加工工藝合理性和可行性提供了一種新的有效途徑。本文通過接口開發將TeamCenter與VERICUT實現數據的互聯互通，開展虛擬仿真加工技術研究，搭建了三維工藝仿真加工平臺，保證了工藝設計、仿真、驗證等所需的基礎數據均來源于TeamCenter統一數據源，實現了在三維可視化環境下進行加工工藝工序建模、加工坐標系創建與變換、零件多工位仿真加工，驗證了機械加工工藝設計的可行性和合理性，提高了工藝設計的效率。

結合虛擬加工環境驗證數控代碼的合理性，并通過實物加工對比仿真驗證優化后的加工時間與傳統工序的加工時間結果，結果表明，僅零件粗銑工序加工效率就提高了21.8%，理論計算出完整加工單件零件時間可節約數十分鐘，從而驗證了仿真加工提高機床效能的可行性，進一步佐證了虛擬仿真平臺的正確性，為企業提高生產效率提供了依據。