基于VERICUT多轴机床加工仿真的研究

徐刚1，2

（ 1.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049；2.中国航天科技集团公司7107厂，陕西宝鸡

721006）

Based on VERICUT simulation of multi-axis machining

XU Gang

(School Of Mechanical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Shannxi Xi’an,710049) 【摘要】针对多轴机床加工中的干涉及撞刀问题，采用VERICUT软件对实

际加工过程在计算机平台上进行模拟，降低多轴加工风险。文章以两类典型

多轴机床为例，从机床的建模、装配、参数设置、模拟仿真等几个方面对多

轴仿真中的关键技术进行详细讨论。

关键词：多轴机床干涉仿真VERICUT

Abstract: For multi-axis machining in the intervention and colliding problem, using VERICUT

to simulated the machining process on a computer platform to reduce the risk of multi-axis

machining. Article take two types of typical multi-axis machine tools for example, from the

virtual machine modeling, assembly, parameter settings, simulation, and several other aspects to

discusse the key technologies of the multi-axis simulation.

Key words: M ulti-axis machine Interfere VERICUT Simulation

1．前言

随着制造业的不断发展，越来越多的高端加工设备已广泛用于航天、航空、汽车、船舶等领域，多轴加工设备便是其中的典型代表。多轴机床由于具有高的加工效率和加工精度以及加工产品多样性等特点，正符合现今市场对产品多变的需求，多轴机床的使用从原来的军工大企业逐步向民用小企业过渡，具有很好的发展潜力。

数控设备都是由加工程序来控制，加工程序的安全性对于设备来说是至关重要的。多轴机床由于造价昂贵，对加工程序的准确性和安全性要求更高。在生产实践中，3轴和3轴以下的加工程序可直接通过CAM软件提供的加工仿真功能对刀路进行验证，程序出错机率相对较少。但多轴加工程序为空间坐标点，人工不能验证，CAM软件提供的仿真仅对刀具的运动轨迹进行仿真，不能对最终控制机床的加工程序进行验证，即不能对实际的加工过程进行模拟，这样给加工带来极大风险，稍有疏漏，就会给机床和用户造成巨大的损失。

利用VERICUT软件可对加工程序在输入NC系统之前，在电脑的虚拟环境中对机床的加工过程进行仿真，及时发现并纠正程序中的错误，避免机床的碰撞和干涉，有效的保护机床。以下论述如何在VERICUT软件实现多轴机床的加工仿真，并对其中的关键技术将进行讨论。

2．机床模型的建立的加工仿真

构建机床的数字模型，应根据实际使用机床结构，对各主要运动模块进行分解、抽象并简化，以此绘制出各组成部分的3D模型，其次根据机床各部分间的依附关系，在Vericut

软件中完成机床模型的整体搭建。

2.1 3D模型的创建

完成机床床身、X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴或A轴3D模型的建立，有两种方式。通过Vericut软件的“Modeling”对话框绘制模型，设置相应参数可建立“Block”、“Cone”、“Cylinder”三类几何体，此种方法简单易行，但构建模型相对简单，不能满足机床的装配

要求或者影响机床的视觉效果，可在要求不高时使用。其二，可利用较为常用的CAD软件来完成，如ProE、UG、Cimotron等通用软件，通过数据接口保存成“IGES”、“STL”等格式，使用“Model File”方式导入到Vericut环境中进行组装。此种方式不受软件限制，可建立任意复杂的机床模型。此外，在CAD软件中绘制模型时，应根据装配关系设定好模型坐标系。

五轴机床由于设计结构的特殊性以及装配误差，回转轴轴线在空间上有一定距离，或者回转轴轴线与主轴端面有一定距离，此距离在建立机床模型时必须充分考虑装配后应与实际机床尺寸相一致，否侧将直接导致模拟切削的失败。如在BC轴（摆头+转台）机床中，应考虑B轴回转轴线与主轴端面的实际距离（Dz），如图1所示，该参数可从机床中获得，并且与后处理中对应参数保持一致，Dp为摆长（Pivot Distance），如图2所示。在AC轴（双转台）机床中，A轴回转中心到C轴端面距离也应与实际机床参数和后处理保持一致。

图1 各轴误差及摆长示意图图2 UG后处理参数设定

2. 2虚拟机床装配。

装配之前，必须对机床各轴之间的依附及装配关系搞清楚，对于多轴机床而言，两个回转轴的位置关系至关重要。图3中分别给出了BC轴和AC轴五轴机床的原理图。根据机床各轴间的依附关系，构建机床结构树。

图3 多轴机床原理图

通过“Assemble”方式进行装配，仅需建立表述各轴依附关系的结构树，装配过程使用一个坐标系，各轴坐标原点与机床原点重合，如图6中AC轴机床的建立。若通过设定各轴偏移距离来装配，可在建立结构树的同时根据装配关系和模型大小来偏移模型坐标系，如图5中BC轴机床的建立。

使用“Model File”对话框依次添加各部分模型。若使用“坐标系偏移结构树”，则直接添加模型即可，若使用“各轴依附结构树”则添加模型的同时需通过“Modeling”选项卡中

的“Position”、“Rotate”、“Assemble”选项进行模型位置及旋转角度的定义，如图4所示为装配约束对话框，选择相应约束类型，再选择相邻两轴的配合表面即可完成装配。

图4 匹配对齐装配方式对话框

“转台+摆头”五轴机床，由于采用动柱结构，稳定性好，控制精度高，在实际使用机床中具有一定的代表性。如图5所示机床，机床参数：X轴（800mm）、Y轴（500mm）、Z 轴(500mm)，C轴（-360°～360°），B轴（-10°～110°），控制系统（FANUC160i）。

图5 机床配置结构树

龙门式双转台AC轴机床，由于其加工范围大，承载质量高，具有高的加工精度，高动态性能及高稳定性，在重型切削和工模具领域被广泛使用。如图6所示机床结构树及模型。

图6 AC轴机床原理图及模型

3．机床参数设定

机床参数设定包括各轴行程设定、旋转轴正反向设定、APT设定、系统设定等主要方面。

3.1行程设定

为更好的模拟实际加工效果，通过“Machine Settings”选项卡中“Travel Limits”来实现对机床各轴行程的设定，确定机床有效加工范围，避免加工中“超程”。

3.2旋转方向设定

旋转轴的旋向可能与实际机床旋向存在差异，可通过系统提供的“MDI”方式检测其旋向，然后通过“Modeling”选项卡中“Component Attributes”栏，选择“Reverse Direction”复选框来实现旋向的改变。

3.3 旋转运动设定

对于多轴机床而言，旋转轴的旋转方式需根据使用机床情况进行设置。在上述两种机床中，C轴可正反360°旋转，可将“C-axis Rotary Type”设置为“EIA(360 Absolute)”，而在“Absolute Rotary Direction”设置为“Shortest Distance”，可避免在C轴连续回转加工时的过切问题。该设置和后处理也有一定关系，应视具体情况而定。

3.4操作系统设定

在Vericut中几乎集成了所有目前正在使用的数控操作系统，可直接来选取操作系统。选择“Setup”→“Control”→“Open”，在软件安装目录下查找“Library”文件夹，选取与使用机床相同的操作系统即可，文件后缀为“ctl”。

4．仿真前准备

4.1毛坯设定与装入

毛坯的定义方式与机床装配过程类似，制作好毛坯的数字模型，添加在机床结构树的“stock”节点下，设置其放置位置和方向，若有夹具，添加到“Fixture”节点下即可。

4.2刀具定义

使用打开“Tool Manager”对话框定制模拟加工中所使用的刀具。在该对话框中可设定所有常用刀具及非标刀具，也可使用“Import DXF”功能将刀具图导入来使用。应注意刀具号应与程序中保持一致。

4.3加载加工程序

通过“Tool Path”对话框，可完成加工程序的添加、删除、替换等多种操作，支持“NC”、“PTP”等多种程序格式，可一次可添加多个需要模拟加工的程序。

4.4设定加工坐标系（对刀）

加工坐标系的设定与实际对刀原理相同，主要来确定主轴端面到编程零点的距离。首先选择“Analysis”“X-Caliper”“Distance/Angle”，测量类型选择“Model Origin”依次选择主轴模型和工件模型，将获得XYZ三个方向的偏移值，若主轴部件的坐标系位于主轴端面，且工件原点与程序原点重合，所得数据即为对刀值，若在其他位置，所测值需换算到相对位置才可使用。其次，依次单击“Setup”“G-Code”打开“G-Code Settings”对话框，选择“Tables”选项，双击“Job Tables”，打开“Add/Modify G-Code Table”选项卡，在“Table Name”中选择“Input Program Zero(Special Z)”并在下方方框内输入刚才测量得到的偏移值（Dx Dy Dz）即可。最后可通过MDI方式检测加工零点和机床原点是否重合，来检测对刀的正确与否。

5．机床验证

完成上述工作后，即可进行试切。如图7所示为BC轴机床加工弧齿锥齿轮的实例，图8中为AC轴机床加工叶片的实例，及时发现碰撞及干涉，优化了刀具路径和切削参数，仿真结果与实际加工完全吻合，最终取得满意加工效果。

图7 弧齿锥齿轮加工实例

图8 叶片加工实例

6．结束语

多轴机床的加工仿真涵盖机床运动学、CAD/CAM技术、后处理、加工刀具及加工工艺等多方面知识，对技术人员要求较高，但通过系统学习和工作积累也可很好的掌握。多轴仿真技术在生产实践中有很强的经济性和实用性，有很好的应用前景。Vericut是一种基于机床的几何仿真，无法根据刀具及加工材料对加工过程中的切削力、温度、热流、残余应力、变形及切屑进行分析，随着仿真技术及有限元（FEM）技术的不断发展，切削过程的微观仿真技术也会越来越成熟。

参考文献：

1李云龙，曹岩。数控机床加工仿真系统VERICUT.西安交通大学出版社。2005.

2 安杰，邹昱章。UG后处理技术. 清华大学出版社。2003.

3 李朝光，谢龙汉。UGNX5 多轴加工应用实例。清华大学出版社。2007.

4 王庆林李莉敏韦纪祥。UG CAM 应用案例集（NX版）.2003

作者简介：

徐刚，男，生于1980年10月，工程师，硕士，研究方向：数字化产品的开发与制造。现工作单位：中国电子技术研究院7107厂。

通信地址：陕西省宝鸡市宝光路43号中国电子技术研究院7107厂机加车间邮编：721016

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