基于VERICUT 的双主轴车削加工中心虚拟仿真应用研究
2017-1-23 来源：陕西国防工业职业技术学院 作者：曹旭妍
摘要：双主轴车削加工中心加工功能强大，能够一次装夹下完成零件的所有加工特征，但由于其结构的复杂性，机床在进行新零件试切时容易发生干涉、碰撞等危险情况。采用虚拟仿真加工技术，基于VERICUT 软件构建机床的虚拟仿真加工系统，对工件进行仿真加工，能够方便、准确的检测NC 程序的正确性，观察加工过程，预知加工结果，进而完成NC 程序纠错，保证实际加工的可靠进行。
关键词：双主轴车削加工中心虚拟仿真VERICUT
0.引言
双主轴车削加工中心是在车削机床基础上添加了动力铣、钻、镗以及副主轴等功能而形成的先进加工机床，该机床使得需要多个加工工序的工件在车削加工中心上一次完成，不仅减少了因多次装夹而导致的加工误差，还提高了加工效率，对机械产品的高质量、高效率加工产生巨大影响，促进了制造业的快速发展。然而由于双主轴车削加工中心不仅结构复杂，且存在铣、车等不同模式，在实际应用中存在数控程序编写困难、正确性检测困难的问题，这些问题制约着车削中心的高效应用，给企业快速生产带来障碍。通过应用虚拟仿真技术，能够快速、准确的实现NC 程序的正确性检测，同时完成工件的仿真加工，直观的观察工件加工过程，预知加工中可能出现的干涉、碰撞的危险情况，降低机床使用中的风险[1]。本文以TNR-200YS 双主轴车削中心为研究对象，基于VERICUT仿真平台，构建该机床的虚拟仿真系统，介绍了在VERICUT 中建立双主轴车削加工中心虚拟仿真系统的一般方法及技术难点，并对一回转体零件进行仿真加工，证实该虚拟仿真系统的正确性及可靠性。
1.双主轴车削中心虚拟仿真加工原理
虚拟仿真加工系统是实际机床在不消耗能源和资源情况下在计算机中的完全映射。它由机床硬件结构和控制系统两部分组成。根据机床的结构及尺寸，在VERICUT中建立虚拟机床模型，使其具有与实际机床相同的加工功能，满足虚拟情况下加工的需要。其仿真原理及构建过程如图1 所示。
2.构建虚拟仿真系统
2.1 机床参数测量
虚拟机床模型和实际机床模型的一致性是虚拟加工仿真结果可靠性的重要保证[2]。双主轴车削中心要在不停机状态下完成换装，对机床各部件的空间位置精确度提出了更高的要求，获取准确的机床参数便成为研究的关键之一。机床的尺寸主要通过实际测量以及查询技术手册来获取，在实际测量时，主要通过激光测量仪、卷尺、板
图1 双主轴车削中心虚拟仿真加工原理
尺等工具来对机床各运动部件进行测量。建立虚拟模型所需主要尺寸有：①、机床主轴、副主轴、工作台、刀塔等组件的外形尺寸；②、机床在初始状态下（即X0Y0Z0C0时），各移动、旋转组件的定位尺寸及相互间的内部空间尺寸；③、机床其它部件的装配尺寸；④、机床外形轮廓尺寸。
2.2 构建虚拟机床硬件结构
要正确建立机床的虚拟模型首先需要明确机床的运动关系即机床的运动链。TNR-200YS 具有两条运动链：基座———工件；基座———刀具，如图 2。对运动链上的各部件进行三维建模，并按照运动关系将其组合起来，即完成机床的硬件结构。由于该机床结构较复杂，在VERICUT 中对其建模存在一定的困难，因此选择在UG 中完成各部件模型的建立，然后将部件模型保存为STL 文件导入VERICUT 中。
图2 机床运动链
完成机床各个结构部件的几何模型后还需对其赋予运动关系，这样机床才具有与实际机床一致的运动特性。在VERICUT 中构建机床的运动树，选择相应的运动组件来实现运动关系的添加。将UG 中建好的.STL 文件加载到相应的组件下，并对照实际机床将各部件放在准确位置[3]。如图3 为基座—刀具模型机构图。
用类似的方法完成主轴、副主轴、卡爪等部件的加载，如有模型的位置与实际模型位置不符的，利用VERICUT中的“配置模型”功能调整模型位置。
2.3 建立刀具库
VERICUT 中提供了丰富的刀具设计样本，根据刀具的具体特征及参数，选择所需结构及尺寸即可生成刀柄、刀片。刀具生成后，为保证加工的顺利进行，还需设置刀具的驱动点（对刀点）、安装点等参数如图4 所示为双刃车刀的设计。
2.4 控制系统配置
根据实际机床的控制系统，在VERICUT 所提供的控制系统库中选择FANUC21i 系统。由于双主轴车削加工中心与通用机床有所不同，因此，需要针对实际机床中用到的代码进行数控系统的再开发，使得开发后的控制系统能够满足机床的加工功能。
TNR-200YS 双主轴车削中心在使用中能够进行主轴车削、主轴铣削、副主轴车削、副主轴铣削等多个加工模式，这些加工模式的区分是通过代码M75、M76、M175、M176 来实现的，因此要专门对这些代码进行定制。在VERICUT“文字/ 地址”窗口中，添加需要的代码名称，并进行相应功能的描述，在宏命令格式中定义代码的功能，完成特殊功能代码的定制。用类似的方法实现其它特殊功能的G、M 代码的设定。
2.5 机床参数设置
为确保仿真加工的顺利进行，还需进行机床参数的正确设置。VERICUT 中要进行的机床参数设置主要包括：机床行程、碰撞检测、换刀点等。只有正确设置机床参数，才会在虚拟加工中当出现超程、碰撞的问题时及时报警。因此机床参数设置对虚拟系统的可靠运行尤为关键。根据实际参数完成设置后，仿真系统构建完成。
3.仿真加工
3.1 NC 程序生成
在三维软件UG 中建立工件的三维模型，并利用UG先进的数控加工功能，进行工件的工艺处理，生成正确的前置刀具轨迹。UG 中自带了强大的后置处理功能，能够快速的对三轴及以下的刀具轨迹文件进行处理，生成机床能直接识别的NC 程序[4]。本文主要研究机床的多轴复杂加工功能，而UG 自带的后置处理器不能满足工件的使用要求，因此需要基于UG 后处理模块进行专用后置处理器的开发，以满足NC 的正确生成。
3.2 虚拟仿真加工
将UG 中输出的NC 程序添加到虚拟仿真系统中，添加毛坯、工件的模型到系统中，并对G 代码偏置进行设置，设置完成后进行工件的仿真加工，如图5 所示。
图5 虚拟仿真加工
4.总结
文中对VERICUT 中建立双主轴车削加工中心虚拟仿真系统的一般方法进行了总结，并以TNR-200YS 双主轴车削中心为原型，对其建模中的一些关键点及难点进行概述，完成了该机床的虚拟仿真系统的建立，并对一回转体工件进行了仿真加工。结果表明：该仿真系统能够正确的实现双主轴车削加工中心的所有加工功能，正、副主轴上的加工与实际要求相符。通过仿真加工检测了加工中可能出现的干涉、碰撞等危险情况，预知加工过程，提高了实际机床应用中的安全性及效率。为双主轴车削加工中心的虚拟建模及仿真提供了参考。
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