丁 科,鄧 奕,寧立偉

(湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411101)

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基于VERICUT的虛擬機床建模及應(yīng)用

丁 科,鄧 奕,寧立偉

(湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411101)

VERICUT是一款既能對數(shù)控機床加工仿真又能進(jìn)行程序優(yōu)化的軟件，可預(yù)防加工程序錯誤、機床碰撞、提升切削效率.為研究虛擬加工過程，通過UG對MV610加工中心進(jìn)行虛擬建模，在VERICUT軟件上進(jìn)行虛擬機床的組建，闡述了仿真機床建立的過程和方法，通過實例論述了在VERICUT平臺上進(jìn)行虛擬機床建模的過程，通過在虛擬平臺上的加工，成功對零件的加工過程進(jìn)行碰撞檢驗.

虛擬機床；建模；仿真；VERICUT

隨著制造業(yè)的發(fā)展，在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中企業(yè)對各類零件的精度要求不斷提高，同時對縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期方面的要求也越來越高.一般來說，借助CAM軟件自動完成的刀具路徑經(jīng)后置處理后，所導(dǎo)出生成的數(shù)控程序也會因零件的精度提高、現(xiàn)狀復(fù)雜而變得復(fù)雜化[1].

虛擬機床是為虛擬制造建立一個真實的加工環(huán)境，它通過對產(chǎn)品整個加工過程的仿真，通過計算機以虛擬加工的方式仿真和評估各加工過程對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，有效地控制產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本.

VERICUT是一款基于Windows操作平臺計算機上的先進(jìn)專用數(shù)控加工仿真軟件，它可以進(jìn)行刀具路徑的仿真和優(yōu)化以及機床運動仿真.VERICUT可以進(jìn)行數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心、數(shù)控線切割和多軸機床的數(shù)控加工仿真，包括加工編程的刀具運動軌跡、工件過切情況和刀、夾具運動干涉等錯誤，可以直接代替實際加工過程中試切的工作[2].

本文通過UG軟件，對實驗室MV610加工中心進(jìn)行建模，將建立好的機床模型導(dǎo)入VERICUT軟件，對某零件進(jìn)行數(shù)控加工仿真.

1 虛擬機床仿真系統(tǒng)的建立

虛擬機床的建模過程分為幾何實體建模和運動學(xué)建模.

1.1 虛擬機床仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為運用VERICUT軟件進(jìn)行MV610加工中心虛擬仿真環(huán)境的建立和實現(xiàn)仿真功能的過程.

圖1 虛擬機床仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 機床幾何建模

幾何模型是構(gòu)建虛擬數(shù)控機床三維特征的基本元素，反應(yīng)了機床部件的形狀位置特征.機床模型建立按照以下順序進(jìn)行.

(1)把機床的幾何模型分解為底座、鞍座、工作臺、床身、立柱、主軸、刀庫等主要部件模型，確定MV610加工中心各主要部件的實際尺寸和部件在初始位置時各部件之間的相對位置數(shù)據(jù).

(2)構(gòu)建機床各主要部件的三維模型.本文是運用UG/NX軟件完成的，然后將各運動組件輸出為STL或IGES格式以便于在VERICUT中調(diào)用.

(3)完成夾具的建模.夾具建模的主要作用一方面反映毛坯在夾具中的裝夾位置和狀態(tài)，另一方面是用來檢測夾具和機床運動部件之間的干涉、碰撞.夾具的各個部件也是在UG/NX中進(jìn)行建模并裝配，裝配后的文件保存成STL或IGES格式，仿真加工時導(dǎo)入各夾具體.

(4)虛擬機床幾何模塊的導(dǎo)入.在機床組件樹中分別導(dǎo)入Y軸、X軸、Z軸、主軸以及刀庫模型的“STL格式”.BASE模型文件如圖2所示，X、Y、Z軸模型文件分別如圖3、圖4、圖5所示.

圖2 BASE模型文件

圖3 X軸模型文件

圖4 Y軸模型文件

圖5 Z軸模型文件

(5)刀具系統(tǒng)的建模.VERCIUT的刀具管理模塊可以實現(xiàn)刀具幾何參數(shù)和加工參數(shù)的定義，實現(xiàn)對刀具庫的各項數(shù)據(jù)庫操作功能，并保存在刀具庫文件中.在VERICUT刀具管理器中完成刀具庫的建模.根據(jù)實際加工要求，建立符合加工工藝的刀具庫，刀庫中每把刀具的刀號、類型與實際刀具相同.刀具信息包括切削部分、刀桿和刀具夾持部分，刀具建模設(shè)置切削部分的具體形狀參數(shù)和刀桿和刀具夾持部分的形狀及相應(yīng)尺寸，并可通過坐標(biāo)調(diào)整來確定其在機床上的安裝位置.刀具模型圖如圖6所示.

圖6 刀具管理器

(6)完成MV610加工中心的整體裝配.機床的整體裝配反映的是各部間的運動副關(guān)系，組合關(guān)系和相對位置關(guān)系.根據(jù)部件之間的裝配順序和位置關(guān)系在UG/NX完成機床的整體裝配，裝配時注意機床的各部件所處的位置要與實際機床初始的位置一致.完成整體裝配后的機床如圖7所示.

圖7 機床總裝圖

1.3 虛擬機床的運動建模

虛擬機床運動建模的關(guān)鍵技術(shù)就是分析數(shù)控機床各部件之間的運動關(guān)系，由運動關(guān)系建立相應(yīng)的機床組件樹.分析時要抓住兩條主要的傳動關(guān)系鏈:一個是“機床床身”→“毛坯”傳動鏈，一個是“機床床身”→“刀具”傳動鏈.這兩條傳動鏈構(gòu)成了數(shù)控機床的基本運動關(guān)系.以MV610加工中心為例，觀察機床的實際運動特點，得出其兩大傳動鏈關(guān)系.

(1)毛坯→夾具→X軸→Y軸→機床床身

(2)刀具→刀庫→機床床身

↓

主軸→Z軸→機床床身

在VERICUT系統(tǒng)中建立MV610加工中心組件樹模型如圖8所示.

機床組件樹只是完成了數(shù)控機床的運動模型，還不具備真正的仿真功能，還需要向各組件添加三維模型并裝配生成整個機床的空間三維立體模型，以反映出真實機床的幾何外形特征，并能利用三維模型實現(xiàn)機床部件的干涉碰撞檢測.

圖8 MV610組件樹

1.4 虛擬機床的組建

按照毛坯→夾具→X軸→Y軸→機床床身；刀具→刀庫→機床床身

↓

主軸→Z軸→機床床身的順序，依次導(dǎo)入之前由UG/NX導(dǎo)出的各部件STL文件，并設(shè)定好各部件坐標(biāo)系之間的相對位置關(guān)系，經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕M建移動、旋轉(zhuǎn)完成MV610加工中心機床的組建.

2 基于VERICUT的虛擬機床應(yīng)用

2.1 零件工藝分析

在進(jìn)行數(shù)控銑削工藝分析時，主要從兩個方面考慮：效率、精度.理論上的加工工藝必須達(dá)到圖樣的要求之外，還需要能夠充分發(fā)揮數(shù)控機床的功能價值.

(1)分析圖紙.圖9為某待加工的零件.分析圖上尺寸精度，幾乎所有表面均可在數(shù)控銑床上完成加工.依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量的不同和材料的利用效率，確定工藝方案：利用機夾虎鉗兩次裝夾，一次裝夾銑六方至尺寸139×99mm，二次裝夾完成工件表面、各凸臺、槽、曲面和型腔的銑削加工，至圖紙要求.

(2)確定數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng).

(3)工件的安裝和夾具的確定.

(4)工件材料的選擇及該材料的切削加工性能特點.

圖9 加工的零件

2.2 利用MASTERCAM軟件完成對指定工件的仿真

(1)用Φ18的面銑刀完成對毛坯的表面銑削加工.

(2)挖槽加工.

(3)粗加工上表面各輪廓型腔.

依次完成毛坯的表面銑削→挖槽→上表面型腔的粗加工→圓角處的精加工→曲面的精加工→Φ12孔、Φ10孔的加工，MASTERCAM完成零件的加工后，選擇所有的刀具路徑如圖10所示，再單擊生成程序工具按鈕，按照軟件自帶的提示完成NC程序的自動生成.

圖10 刀具路徑

2.3 零件的導(dǎo)入

在項目樹中通過選擇毛坯、添加模型、設(shè)定長寬高為142×102×27mm的方塊毛坯，并將毛坯移動到合適位置，生成模型文件.選擇已導(dǎo)出的零件“STL”文件，完成零件的添加，項目樹中零件模型如圖11所示.

圖11 零件模型

選擇“數(shù)控程序”，依次添加平面銑、挖槽、型腔粗加工、圓角精加工-1、圓角精加工-2、曲面精加工、鉆-1、鉆-2、鉆-3的NC程序如圖12所示.

圖12 NC程序

2.4 刀具的導(dǎo)入

選擇、添加刀具文件MV-610tls完成刀具導(dǎo)入，確定刀具偏置值并置于寄存器中，完成刀具各項參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)機床G54工件坐標(biāo)系的創(chuàng)建和刀具的對刀過程[5].

2.5 零件的仿真加工

打開VERICUT軟件，重新加載MV610加工中心機床文件、刀具庫文件、數(shù)控程序，完成機床的坐標(biāo)系設(shè)定和對刀.在仿真加工前可通過“項目”→“手工數(shù)據(jù)輸入”來檢驗機床參數(shù)設(shè)定是否安全如圖13.在“手動進(jìn)給運動”選擇Z軸，依次輸入G00Z50；G00Z28；G01Z27；G01Z0程序段，完成本文中MV610虛擬加工中心仿真前的機床校驗，進(jìn)行零件的仿真加工，仿真加工結(jié)果如圖14所示.

圖13 手工數(shù)據(jù)輸入界面

圖14 仿真

3 總結(jié)

本文主要通過對MV610加工中心虛擬機床的建模過程、模型的導(dǎo)出、整個機床的組建以及數(shù)控系統(tǒng)的配置、機床初始化參數(shù)的設(shè)定等方面的描述，介紹了基于VERICUT的虛擬機床建模的一個大致過程.并在這個基礎(chǔ)上通過實例對VERICUT構(gòu)建的虛擬機床做了簡單應(yīng)用，圍繞零件的工藝分析、刀具的選擇、NC程序的生產(chǎn)以及零件、刀具、程序的導(dǎo)入，介紹了在VERICUT平臺上進(jìn)行虛擬機床建

模的過程.

[1] 姚運萍，王素梅.基于VERICUT的虛擬機床建模與復(fù)雜曲面加工的研究[J].新技術(shù)新工藝，2010(1)：37-39.

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Modeling of Virtualmachine Tools Based on VERICUT and Its Applications

DINGke,DENG Yi,NING Li-wei

(College ofmech.Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

VERICUT is a software that can simulate the NCmachine toolmachining process,prevent themachining program error,machine tool collision,and improve the cutting efficiency.To study the virtualmachining process,the virtualmodel ofmV610machining center is carried out by UG.The process andmethod of building the simulationmachine tool are described by VERICUT software.And the process ofmodeling of virtualmachine tools on the VERICUT platform is explained by examples.Through the processing on a virtual platform,the success of themachinging process of the collision test is achieved.

virtualmachine tool；modeling；simulation；VERICUT

2016-01-18基金項目：湖南省科技計劃項目(2012GK3077);湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育項目(13CY023).作者簡介：丁 科(1993- )，男，碩士研究生，研究方向：風(fēng)電裝備制造技術(shù)．通迅作者：鄧 奕(1968- )，男，教授，研究方向：風(fēng)電裝備設(shè)計技術(shù)、數(shù)控技術(shù)．

TH122

A

1671-119X(2016)02-0024-05