基于VERICUT7.0五轴双摆头机床建模和仿真的研究*

王虎奇，张 健，唐清春

(广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州 545006)

基于VERICUT7.0五轴双摆头机床建模和仿真的研究*

王虎奇，张 健，唐清春

(广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州 545006)

文章通过对XH2420/5X五轴双摆头机床各部件的实际尺寸进行测量，据测量结果采用UG8.0对各部件进行建模，将建好的三维模型导入VERICUT7.0内并结合机床的运动关系构建仿真机床，在此基础上对分流式叶轮进行模拟仿真加工，最后通过对分流式叶轮的实际加工验证了模拟仿真的正确性和实用性，同时也为其它结构机床的模拟仿真提供了一定经验。

双摆头；仿真；建模；VERICUT7.0

0 引言

随着当今我国制造业的迅速发展，航空、航天、模具、汽车等行业对其零件的复杂性要求越来越高，传统的三轴铣床已无法满足加工要求，而拥有多自由度的五轴机床可以加工比较复杂的零件，五轴机床在传统三轴机床基础上增加了两个旋转轴，从而实现了刀具和零件的位置任意控制，可以随时调整刀具轴线相对于加工面的方向，可以灵活的设定走刀路径，但由于刀轴的灵活性，加工过程中人为很难判断刀轴与零件、夹具、工作台是否会发生干涉碰撞等现象[1]。为此，美国GGTech公司研发了一款VERICUT数控加工仿真软件，该软件可以模拟实际加工中机床的结构类型、尺寸、控制系统、毛坯以及夹具等原件，再将后置处理好的NC代码调入模拟好的仿真环境内进行模拟切削，在模拟切削过程中查看是否有过切、欠加工、干涉等问题出现，以便及时调整刀具路径[2]。

本文采用VERICUT7.0数控加工仿真软件对汉川机床厂研发的XH2420/5X五轴双摆头机床进行建模，再此基础上对分流式叶轮进行模拟仿真加工，并通过对叶轮的实际加工验证了模拟仿真的正确性。

1 五轴双摆头机床模型的建立

如图1所示，为汉川机床厂研发的(A-C)式双摆头五轴机床，该机床为龙门式五轴机床，适合加工尺寸较大的零件，查看机床工作参数，此机床由三个平动轴X、Y、Z，两个旋转轴A、C组成，平动轴X、Y、Z最高移动速度：10000mm/min；旋转轴A、C最高移动速度：30rpm；主轴转速范围：50-15000r/min；X轴行程范围：-4200～0 mm；Y轴行程范围：-2600～0 mm；Z轴行程范围：-850～0 mm；A轴行程范围：-96°～+96 °；C轴行程范围：-200°～+200 °；主轴端面到摆动中心的距离为：310.87 mm。根据机床重要的工作参数构建机床仿真模型，在VERICUT7.0中构建机床仿真模型有两种方法：

(1)直接从软件内部的机床库调用机床模型，但软件内部机床库不包含所有结构机床的模型，且机床模型的尺寸与实际相比也不同[3]；

(2)采用三维CAD软件(如UG、proe、CAXA等)根据机床实际尺寸，对逐个部件进行建模，再将建好的三维模型导入VERICUT7.0内装配机床。

图1 (A-C)式五轴双摆头机床

因VERICUT7.0内部的机床库没有(A-C)式双摆头五轴机床模型，采用第二种方法创建该机床模型，其具体步骤如下：

(1)在UG8.0中，根据真实机床各部分元件的实际尺寸分别进行建模，建模时需要注意各部件的参考坐标系位置，以便装配机床时作为装配基准；

(2)在UG8.0软件中建好的X轴模型、Y轴模型、Z轴模型、A轴模型、C轴模型、Base床身模型、Spindle主轴、Tool刀具、Enclosure外壳模型分别以IGES格式导出。在VERICUT7.0数控仿真软件内，根据实际机床的相对运动关系，在左端的机床项目树上依次添加组件Base→Y轴→Z轴→C轴→A轴→Spindle主轴→Tool刀具，Base→X轴，Base→Enclosure外壳[4]。机床主要框架添加完成后，对应各组件将相应的三维模型导入，导入时需要注意两个组件之间的相对尺寸，如在导入Spindle主轴时必须相对A轴向下移动310.87 mm。配置完的机床项目树如图2所示。

图2 (A-C)式五轴双摆头机床项目树

图3 (A-C)式五轴双摆头机床模型

(3)机床各部件定义完成后，需要对五轴机床进行初始化，根据机床的工作参数，设置该机床各轴的行程极限、轴优先、初始位置、碰撞检查等选项[5]。完成上述设置，配置机床的控制系统，该机床为西门子840D系统，在机床库内直接调用即可。装配完的机床模型如图3所示。

2 VERICUT内加工仿真

上节中将五轴双摆头机床的模型已建好，接下来以加工某特型零件叶轮为例，使用该机床模型进行切削仿真。如图4所示，为叶轮在UG8.0中的三维模型[6]，根据测量及其加工工艺分析，毛坯采用直径φ200mm、高为110mm的铝制棒料。首先采用三轴铣床对其棒料进行开粗，开粗到叶片的包覆曲面处，其次，采用UG8.0中的MILL-MULTI-BLADE模块对叶轮流道进行粗加工编程，刀具采用φ16mm整体式硬质合金的球头刀，叶毂与叶片的余量均设为0.4mm，背吃刀量为0.8mm，残留高度设为0.1mm，主轴转速为3000r/min，进给速度为1000mm/min。最后，对流道、大叶片、小叶片分别精加工，刀具采用φ10mm镶刀片式球头刀，余量为0，残留高度0.02mm. 生成的刀轨图如图4所示。

图4 分流式叶轮刀轨图

将在UG8.0中生成的刀轨文件导出，生成其后缀名为.cls的刀位源文件，再将导出的.cls文件经专用后置处理软件进行转换得到机床识别的NC代码[7]。再将转换后得到的NC代码导入VERICUT进行仿真，但在模拟仿真前需要做一些准备工作，其具体步骤如下：

(1)构建毛坯夹具，根据实际加工毛坯、夹具尺寸，在UG中绘制好三维模型导出VERICUT7.0识别的IGES格式，在导入机床项目树中的Fixture、Stock处；

(2)创建坐标系统，在VERICUT7.0内建立一个与在UG8.0内编程时相一致的工件坐标系Csys 1；

(3)设置G代码偏置，因为在UG中是刀具相对于工件坐标系生成刀具轨迹的，所以在VERICUT7.0内也同样如此，设置成刀具Tool相对于坐标系Csys 1；

(4)创建刀具，根据编程时所设置的刀具信息建立刀具库，由于刀轨经后置处理得到的数控程序值为摆动中心点运动坐标值，并非刀心点坐标值，而数控系统默认按驱动刀心点坐标值执行，所以必须在设置刀具时添加一个对刀点，其值为摆动中心到刀心点之间的距离；

(5)最终，导入数控程序，整体重置，单机“开始”按钮进行模拟切削仿真。

图5 分流式叶轮仿真图

仿真过程中查看位置信息表，观察位置、旋转角度是否有超程信息，以及要注意切伤零件、刀具折断、碰撞机床等现象，若出现上述现象，在碰撞处会呈现红色显示。这时需要检查刀具轨迹、数控程序以做出及时的修正。分流式叶轮在模拟仿真过程中运动平稳、无超程、无干涉碰撞，仿真效果良好。仿真后的结果如图5所示。

3 实际加工验证

通过仿真后，在XH2420/5X五轴双摆头机床上对离心式叶轮的进行了实际加工，图6为叶轮加工实物图。在加工过程中刀具无干涉、碰撞现象，加工后的曲面及过度圆角处光滑。将模拟仿真结果与实际加工结果相对比可以发现，其实际加工叶轮的形状、尺寸与仿真加工叶轮的形状、尺寸均一致，且加工精度达到工艺设计要求。

图6 分流式叶轮实物图

4 结束语

本文根据XH2420/5X五轴双摆头机床的运动关系以及各部件实际尺寸，采用CAD软件UG8.0对各部件进行建模，将建好的三维模型导入VERICUT7.0内构建虚拟仿真机床，并通过分流式叶轮仿真加工结果与实际加工结果的对比，说明了五轴机床的仿真加工可以减少首件试切时间，大幅度提高加工效率，对我国制造也的发展具有重要意义。

[1] 邹伟全. VERICUT软件在多轴数控加工中的应用[J]. 河南科技，2013(6)：108.

[2] 李铁钢. 基于UG和VERICUT的车铣复合加工 [J].沈阳工程学院学报，2013(9)：81-83.

[3] 党改慧， 陈玉刚， 胡高社， 等. 基于UG和VERICUT的叶轮加工仿真研究[J] . 煤矿机械，2013(4):158-159.

[4] 李芳，刘凯，王昊，等. 基于VERICUT的双转台五轴数控微型铣床建模和仿真 [J].组合机床与自动化加工技术,2013(2):114-116.

[5] 陈文涛，夏芳臣，涂海宁．基于UG&VERICUT 整体式叶轮五轴数控加工与仿真[J]． 组合机床与自动化加工技术， 2012(2):102-104．

[6] 张健，唐清春，马仲亮，等.某离心式压气机叶轮加工工艺的分析[J].汽轮机技术.2013，55(3):238-240.

[7] 王虎奇，张健，唐清春.(A-C)双摆台五轴机床刀具进给速度的研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2013(8)：122-123.

(编辑 赵蓉)

Study on Modeling and Simulation of the Five-axis Double Swing Machine Tool Based VERICUT7.0

WANG Hu-qi, ZHANG Jian,TANG Qing-chun

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Technology, Liuzhou Guangxi 545006,China)

The actual size of each component is measured through the five-axis double swing machine tool XH2420/5X, According to the measurement results for each component using UG8.0 modeling, the three-dimensional model of building well will be introduced into VERICUT7.0 and combined the simulation machine tool of building with the kinematics of the machine tool ,then based on the machining simulation for the Split impeller, and finally through the split impeller actual machining verified the accuracy and usefulness of simulation, but also offered some experience for other structures of the machine tool simulation.

double swing; simulation; modeling; VERICUT7.0

1001-2265(2014)06-0012-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.004

2013-10-23

广西教育厅资助项目(201203YB128)；广西工学院博士基金(院科博11Z11)

王虎奇(1971—)，男，长沙人，广西科技大学教授，博士，研究方向为机械结构系统优化设计，(E-mail)gxwhq@163.com。

TH122;TG65

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