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VERICUT 软件构建五轴机床仿真模型的方法及应用
2016-7-25 来源：许昌烟草机械有限责任公司等 作者：王晓勇 王晓强
摘要：文章以数控仿真软件VERICUT 为开发平台，以企业内一台五轴加工机床UCP600 为例，探讨了构建五轴机床仿真模型的方法和步骤，并针对典型零件叶轮，进行了数控程序仿真、优化和试切加工，实际验证仿真系统的有效性，提高了企业五轴设备的加工效率和可靠性。
关键词：数控加工；仿真软件；五轴机床
1、概述
五轴联动加工常用来加工连续、平滑的自由曲面，能够有效提高曲面的加工精度、质量和效率，在加工复杂曲面类零件方面具有很大优势。但五轴机床加工程序复杂，刀具路径和机床各组成部件的位置关系不直观，在加工过程中，容易发生干涉，碰撞，严重时甚至会损坏机床，造成重大损失。
VERICUT 是美国CGTech 公司开发的一款数控加工过程仿真软件，具有数控程序验证、机床加工模拟、程序优化等多种功能，尤其适合五轴或车铣复合机床的仿真加工，能避免机床碰撞、消除程序中的错误并优化切削过程，提高加工效率、延长刀具寿命，达到降低加工成本的目的。
文章针对企业一台五轴加工机床UCP600 为实施对象，在VERICUT 软件上建立机床的仿真模型，进行数控程序的仿真和优化，并在机床上试切加工，取得较好的效果。
2 、五轴机床仿真模型的建立
机床仿真模型的建立是进行机床仿真的关键。建立机床仿真模型的一般步骤为：建立机床的运动模型；添加机床各部件几何模型，建立刀具库，配置控制系统等。
2.1 分析机床结构，确定机床运动链
UCP600 机床属于工作台回转+摆动的五轴加工中心，结构模型如图1 所示。机床工作台可绕A 轴和C 轴转动，机床刀具安装在主轴上，主轴通过立柱沿Z 向运动，立柱连接滑台实现Y 向运动，刀具-主轴-Z 向立柱-Y 向滑台形成了刀具传动链。
毛坯和夹具在工作台上装夹，可绕C 轴360°转动，工作台与A 轴转台连接，可以绕A 轴摆动；A 轴转台与X 向滑台连接，实现X 方向运动，工件-夹具-C 轴工作台-A 轴转台-X 向滑台形成了工件传动链。经过以上分析，UCP600 机床的运动链形式如图2 所示。
2.2 根据机床运动关系，建立机床组件树
图1 UCP600 机床结构模型
图2 UCP600 机床运动链
在VERICUT 系统中，机床的运动模型要以组件树的形式表达，不同的组件对应机床各种功能部件的实体模型。按照机床各个部件之间的实际运动和位置关系，将组件连接成组件树，通过VERICUT 软件中的虚拟数控系统控制文件，控制组件的运动与实际机床运动相同。从而达到虚拟仿真的目的。依据UCP600 机床的运动链，建立的UCP600 机床组件树如图3所示。
图3 UCP600机床组件树
2.3 机床关键部件几何建模，建立机床仿真实体模型机床组件是没有真实大小的，只是表达了机床各个运动部件之间的逻辑关系。为了实现机床的仿真模拟和干涉碰撞检测，必须建立相应组件的几何模型。在VERICUT 系统中，可以使用软件的建模功能建立部件模型（后缀为*.ply），也可以引用其他CAD 系统建立部件模型，文件后缀一般为STL 或STEP。
由于VERICUT 软件的建模功能有限，建议使用UG 或CATIA 等三维软件建立机床各个部件模型。为此，在建模之前，需要了解机床的结构，收集机床各关键部件的具体尺寸、如工作台大小、各坐标轴行程等数据资料，也可以现场测绘机床部件的尺寸。如果条件许可，尤其是新购置机床时，还可以要求机床厂家提供STEP 格式的机床三维模型，厂家一般都会提供。本企业机床UCP600 的工作台的结构和具体尺寸如图4、图5 所示。
图4 UCP600机床工作台结构示意图
图5 UCP600机床工作台部分尺寸
我们采用UG8.5 软件建立机床各个部件的几何模型，并保存成STEP 格式的文件，导入VERICUT 系统，导入方法如图6 所示。需要注意的是，在UG 软件建模时，最好根据机床部件的实际装配位置，将每个机床部件的模型坐标系零点建立在机床的零点之上，这样有利于在VERICUT 系统中的部件位置配置。按照机床的真实尺寸和位置，以及机床运动链建立的UCP600 机床仿真模型如图7 所示。
图6 机床部件几何模型导入方法
图7 UCP600机床机床仿真模型
2.4 建立机床常用刀具库
将UCP600 机床常用的刀具建成标准刀具库，仿真加工时可以直接调用。
2.5 配置机床初始参数设置
机床仿真实体模型建立后，必须根据机床的实际情况，对机床进行初始化设置。包括换刀位置、行程、运动轴限位等参数，确保仿真机床的运动与实际机床运动一致。
2.6 配置数控机床控制系统文件
建立的机床仿真模型必须配置控制系统，使虚拟机床具有解读数控代码、插补运算、仿真显示的基本功能。UCP600 机床的控制系统为海德汉TNC430。在VERICUT 软件的控制系统文件库中有对应模版，可以直接选用。但是，系统提供的控制模版文件一般与实际机床控制文件不完全相符，需要根据具体机床的系统特点和编程习惯进行修改，否则在实际加工时会出现错误。在VERICUT 软件中，配置和修改控制系统文件需要专业人员操作。
3、UCP600 五轴机床仿真模型的应用
建立机床仿真模型的目的是进行零件加工程序的虚拟化仿真，校验程序的正确性，安全性，下面以一种典型叶轮的加工为例，介绍仿真的步骤及注意事项。
3.1 设计加工方案，编制数控程序
我们利用UGNX8.5 软件设计了叶轮的粗、精加工刀具路径，因为叶轮上的槽形和叶片属于均布排列，为了缩短程序长度，我们只生成一个轮槽和叶片的程序，其它的通过坐标旋转实现加工。规划的叶轮加工刀路和数控程序如图8 所示。
图8 叶轮加工刀路及数控程序
3.2 数控程序导入VERICUT，进行仿真分析
在VERICUT 软件中的仿真分析主要有两项，一是机床干涉分析，主要检测机床部件之间的干涉、刀具非切削路径与工件的干涉、机床部件与工件之间的干涉等。一旦出现干涉，软件会出现红色警示区，并且在命令行中显示干涉程序行，便于分析处理。二是加工精度分析，叶轮虚拟加工的仿真结果，可以和零件的三维模型对比分析，检测加工过切、欠切情况，并显示对应的位置和结果。
我们将叶轮加工程序导入VERICUT 软件中， 利用UCP600 机床仿真模型进行干涉和精度分析，结果显示无干涉，无过切，符合加工精度要求。叶轮的仿真加工分析如图9所示。
图9 叶轮五轴加工仿真分析
3.3 数控加工程序优化，提高加工效率
干涉和精度分析之后，可以利用VERICUT 软件的刀具路径优化模块（Optipath），对刀具切削参数和程序代码进行优化，提高加工效率。优化过程并不改变刀具原有加工路径，而是根据刀具和工件材料、机床功率、刀具切削状况等约束条件，参照预先设定的刀具切削参数优化库，重新计算进给速度和主轴转速，自动改变程序代码，生成优化的数控程序，实现快速、高效切削。
实现数控程序优化的关键在于建立符合实际的加工优化参数库，这需要根据企业设备状况和加工经验进行建立，并在实践中不断的补充和修正。
我们根据UCP600 加工中心的设备使用经验建立了优化参数库，对叶轮加工数控代码进行了优化，并在机床上实际验证加工，效果良好，加工效果如图10 所示。
图10 叶轮加工过程示意图
4 、结束语
文章探讨了利用VERICUT 软件构建五轴数控机床加工仿真模型的方法和具体应用。目前，机械加工企业的制造过程正向着集成化，信息化，智能化方向发展，五轴机床、车铣复合机床的应用范围会越来越广。利用VERICUT 软件仿真技术，可以有效地防止五轴机床加工过程中出现的干涉、过切等加工错误，预防机床事故，提高五轴设备的加工效率和可靠性.
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