曹 劍 李立軍 白廣華

（三峽大學機械與動力學院，宜昌 443002）

近幾年，隨著各行業(yè)對零件精度要求越來越高，使得五軸數(shù)控加工越來越重要。五軸數(shù)控機床具有自由度大、精度高且承受碰撞能力低等特點，因此五軸數(shù)控機床在執(zhí)行切削加工之前，必須進行切削模擬仿真加工[1]。通過VERICUT軟件中的建模和仿真模塊，為實驗提高了一個虛擬加工環(huán)境，通過向軟件UG輸出刀位點，程序進行后置處理，并將處理后的參數(shù)信息導入到以實驗室數(shù)控機床模擬程序中，建立相應虛擬機床運動模型，從而顯示五軸數(shù)控機床工作過程中過切、干涉、超行程、撞刀等狀況，即可根據(jù)出現(xiàn)的狀況對參數(shù)進行修改和優(yōu)化，最后得出最優(yōu)加工程序，將得到的最優(yōu)程序運用到實際機床上，能夠有效提升機床加工生產(chǎn)效率及安全性[2]。

1 機床建模

五軸機床虛擬建模包括三個步驟：第一，通過UG軟件對機床當中各個零部件進行三維立體建模，然后導出三維實體零件STL模型；第二，在軟件VERICUT8.0建立好各個零部件之間拓撲關(guān)系，然后將建立好的STL模型導入軟件；第三，選擇與實際機床配套的數(shù)控系統(tǒng)，通過之前建立好的拓撲關(guān)系，完成五軸虛擬機床建模。

在UG10.0三維建模過程中，需要根據(jù)實驗室中五軸數(shù)控機床各個零部件初步測量尺寸和相關(guān)資料數(shù)據(jù)信息，進行三維實體模型建立，按照各個零部件之間拓撲關(guān)系進行裝配。本文所研究的實驗室DMU 50五軸數(shù)控機床實體如圖1所示，DMU 50五軸虛擬數(shù)控機床如圖2所示。

2 虛擬機床數(shù)控仿真

在VERICUT軟件中，通過組件樹描述機床運動學模型，建立機床組件樹模型，然后根據(jù)幾何模型建立機床仿真模型。組件樹模型的建立其目的是要找出運動機床兩條運動鏈，即“工件-機架”運動鏈和“刀具-機架”運動鏈。（圖3為虛擬機床組建樹）根據(jù)組件樹描述各運動軸與工件和刀具之間的運動關(guān)系，建立虛擬機床組件數(shù)，如圖3所示。“機架-刀具”運動鏈為：底座（Base）→Z軸導軌→旋轉(zhuǎn)軸→刀架 →刀具（Tool）。“機架-工件”運動鏈為：底座（Base）→Y軸導軌→X軸導軌→夾具→工件（Stock）組成了。機床上兩個旋轉(zhuǎn)軸的運動和三個直線坐標軸的運動是相互獨立[3]。

圖3 虛擬機床組建樹

建立機床模型后還需要設置機床參數(shù)，在菜單“機床/控制系統(tǒng)>機床設定”中，列表框中要設置機床的參數(shù)如下：碰撞檢查系數(shù)設定（見圖4）、機床初始位置、機床參考點、換刀位置、行程極限、軸優(yōu)先、子程序、機床備忘錄[4]。

2.1 機床設置。

在完成上述步驟后，機床建模工作完畢，接下來需要對建好的虛擬機床進行初步運行，然后進行一系列參數(shù)設置，虛擬機床才能夠按照數(shù)控程序順利運行。在運行的過程中可能會出現(xiàn)干涉、碰撞、過切以及超行程等問題[5]。

2.2 刀具庫的建立

刀具是數(shù)控機床加工中一種非常重要的加工工具，在軟件VERICUT仿真加工開始前，首先建立刀具庫文件。一把刀具包含刀具切削部分、刀桿和刀具夾持部分等信息[6]。軟件VERICUT刀具設置界面如圖6所示。

圖4 機床碰撞檢查系數(shù)設定

圖6 刀具的設置界面圖

2.3 加入數(shù)控程序進行仿真

軟件VERICUT支持多種數(shù)控程序文件仿真，首先通過軟件UG形成刀位點，然后通過后置處理生成G代碼數(shù)控程序，最后將生成的G代碼程序?qū)氲絍ERICUT中[7]。軟件VERICUT數(shù)控程序如圖7所示。

3 仿真結(jié)果

在完成虛擬機床加工設置后，對數(shù)控機床進行虛擬仿真，軟件VERICUT系統(tǒng)在加工仿真過程中設置為左、右兩個視圖：左圖設置為“機床/切削模型”，主要是觀察數(shù)控機床在加工過程中各個坐標軸之間的運行情況；右圖設置為“工件”，主要是在加工的過程中，展現(xiàn)毛胚材料去除狀況和走刀路徑。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 數(shù)控程序

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，機床在仿真過程中能夠按照程序來加工工件，但是在加工過程中，Y軸、Z軸方向出現(xiàn)了超行程現(xiàn)象，如圖9所示。

根據(jù)虛擬機床建模和仿真可知，程序在Y軸、Z軸超出了機床形程，其原因是UG10.0軟件自動生成數(shù)控程序與Vericut 8.0設置不相符，可以將自動生成的程序設置在機床行程范圍內(nèi)，這樣自動生成的數(shù)控程序就可以在機床中穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)真實機床各零部件之間的拓撲關(guān)系建立了DMU50五軸數(shù)控機床的虛擬樣機，并對Sin840D控制系統(tǒng)中特定的編碼和G代碼進行了編輯和設定，定向開發(fā)了一套適合于DMU50五軸數(shù)控機床的后置處理程序。通過仿真驗證，了解到該后處理程序可以最大限度避免實際加工過程中出現(xiàn)碰撞、過切和超行程等問題，提高了加工程序可靠性和實用性。另外，將軟件VERICUT和軟件UG兩者進行結(jié)合，可以運用在新型數(shù)控機床研發(fā)工作上，可有效縮短研發(fā)時間和研發(fā)經(jīng)費。

圖8 仿真結(jié)果

圖9 錯誤檢查報告