VERICUT五轴联动数控机床模型建立及加工仿真

撰文/ 台州技工学校 黄振沛 通过对Mikron_Ucp800五轴数控机床坐标系和运动特征的分析， 使用Creo 软件的CAD 模块建立机床中的部件和被加工工件的虚拟几何模型并输出STL 模型，接着让VERICUT 系统可以直接读入机床组件和被加工工件模型资料进入系统，完成机床在VERICUT 中的虚拟建模。然后对机床组件模型、工件模型、NC 程序、刀具资料及工作坐标系等资料进行整合，对后处理程序产生五轴加工程序进行仿真验证，证明了后处理程序的正确性。 一、引言 近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。首先，由Creo 设计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM 软件设计五轴加工NC 代码，然后再通过VERICUT 仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM 软件和VERICUT 软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC 加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。 二、建模仿真用的机床各部件 1. 机床结构 该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、Y、Z、A 和C 轴，是一款A 轴绕X 轴旋转，C 轴绕Z 轴旋转的五轴加工中心。各轴行程如下：X 轴行程800mm,Y 轴650mm，Z 轴500mm，A 轴-100°～ 120°，C 轴0 ～ 360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo 三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL 格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT 中的坐标系原点，如图1 所示。 2．机床结构的逻辑关系 在Creo2.0 中将7 个机构模型画出，如基座模型、Y轴机构模型、X 轴机构模型、Z 轴机构模型、C 轴机构模型、A 轴机构模型和刀轴机构模型，导入机构模型必须转换成STL 格式。由于五轴机床的结构为整合的基础，因此，有必要先建立五轴机床的结构，以Mikron_Ucp800 五轴机床为例，其结构要分成X 和Z 两部分，如图2 所示。 3. 虚拟机床部件树的建立 当所有的机构模型与五轴机床结构整合完成后，即可得到如图3 所示，每一个子结构中都包含了各自所代表的机构模型。 双摆动机型五轴立式加工中心的结构描述如图3 所示，其中X 和Z 在机床本体上移动，所以在机床本体下面建立两个子结构X 和Z，并且把该结构分为X 和Z 两部分来看。 （1）X 部分：当X 运动会带动Y 一起运动并且X 是一个移动滑块，其中夹具和工件都固定在回转工作平台C上，所以在X 下面建立Y，并且使夹具和工件都依附于C回转工作平台下。 （2）Z 部分：当X 轴运动时将会带动A 轴一起运动，而A 轴运动会带着C 轴一起运动，所以X 轴下面建立A 轴，在A 轴下面建立C 轴，我们把此模型称为双摆台机型，刀轴是建立在Z 轴上，所以在Z 轴下建立主轴并在主轴下建立刀具。 当有了五轴机床的结构后，即可开始进行五轴机床结构与其他资料的整合。 4. 导入机构模型的STL 资料 将机构模型的资料与导入五轴机床的结构中，并在视窗中显示五轴机床的各个机构模型。 本文将机构模型的资料导入五轴机床的结构方式说明如下，并以将基座模型导入为例。 （1）因为本研究是将外部资料与五轴机床的结构做整合，所以使用的方式为将外部资料导入至五轴机床的结构中，如图4 所示，运用加入模型档案（Model File）的方式来将机构模型资料导入至结构中。 （2）将基座模型导入至结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准导入，如图5 所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当资料导入后，即可在视窗中看见五轴机床的基座模型。 当所有的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图6 所示，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图7 所示，整合完成的机构模型皆会显示在视窗中。 5. 机床初始化设置 在机床设定中设定行程（图8）及其他参数，检查机床运动结构是否符合真实运动情况，以此完成机床的构建。 三、调入控制系统、工件、夹具及NC 程序 此机床采用TNC530 控制系统，调入VERICUT 控制系统文件hei530.ctl。 工件模型主要是提供使用者观察整个NC 加工模拟完的结果，所以整合资料中包含了工件模型资料，而在VERICUT 系统中要取得工件模型的资料有两种方式，第一种方式为由VERICUT 系统本身建立工件模型，而另一种方式为由外部系统产生工件模型，然后将工件模型资料与五轴机床的结构整合。 夹具模型由外部系统产生，然后将夹具模型资料与五轴机床的结构整合。 NC 程序的功能为驱动五轴机床的切削运动，所以在执行五轴机床的NC 加工模拟前也需将此资料整合，当NC程序导入完成后，五轴机床才能按照NC 程序中的内容来执行NC 加工模拟。 四、刀具库建立 刀具资料是由使用者在VERICUT 系统中建立的，使用者也可以先行在VERICUT 系统中建立一个刀具资料库档案，当需要使用时，可以直接呼叫刀具资料库档案进来，并且需定义刀具被夹持的位置点。 参考Creo 系统中所设定的刀具资料来建立NC 加工模拟所需使用的刀具，如图9 及图10 所示，在刀具资料库中建立刀具、其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等。 五、设定工作坐标系及相关参数 因为NC 程序都参照工作坐标系为基准，所以由图11中的G 代码偏置来定义VERICUT 系统的工作坐标系，并如图12 所示，定义工作坐标系的参照位置为TooL 至MCS，系统会根据参照位置自动为机器做刀具补偿的动作。 六、仿真结果 图13 为某零件在五轴机床加工模拟完成后的结果，其仿真过程反映了真实的加工过程，通过自带比较功能，及时发现碰撞及干涉情况，有针对性的对刀具的走刀路径进行优化，减少空走刀。 当NC 加工模拟测试完成后，Creo 及PowerMILL 及VERICUT 三者的资料整合已完成，接下来可以让使用者直接使用此整合资料执行其他不同类型工件的NC 加工模拟。 七、结语 本文根据VERICUT 软件构建仿真平台，通过虚拟五轴加工过程中机床、刀具、夹具和程序的仿真验证，避免实际加工中出现碰撞、过切，减少空走刀，大幅度提高机床的利用效率，保证产品质量，减少超差和报废。