基于NX和VERICUT的四轴数控加工仿真研究

张 璐， 张东生， 张力允

(陕西理工学院 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

基于NX和VERICUT的四轴数控加工仿真研究

张 璐， 张东生， 张力允

(陕西理工学院 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

根据复杂四轴数控加工的方法和特点，建立四轴数控加工刀具轨迹数学模型，通过NX对一个旋转槽类零件进行四轴铣削仿真加工，生成数控加工刀路及NC代码。利用NX和VERICUT良好的交互性建立机床模型，对加工过程机床仿真，并对相应程序进行检验和优化，得到更加合理的NC程序，对实际的数控加工具有指导意义。

NX； VERICUT； 加工仿真； NC程序

目前，多轴加工技术已经在实际加工中占据极其重要的位置。由于多轴加工环境的复杂性及对加工程序准确性的要求，手动编程方式已经不能满足要求，同时目前所采用的编程软件也具有缺陷性。NX(Unigraphics NX)具有强大的数控编程功能，但模拟切削功能还不能保证编制的程序能够直接应用于生产，对于过切以及干涉都不能很好地体现，也不具有程序的优化功能。VERICUT是美国CGTECH公司开发的专业数控加工仿真软件，其Multi-Axis模块能够验证4/5轴的铣削加工，对加工过程的过切、碰撞、干涉等进行检验并且可以优化刀具切削路径[1]，对于实际生产中生产效率的提高有很大提升作用。

1 四轴数控加工特点及数学模型

1.1 四轴数控加工特点

四轴数控立式铣削机床是在三轴平动轴机床的基础上增加一个旋转轴构成的,四轴数控机床除了可以对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行相关控制外，还可以进行旋转类曲面的加工。对于具备四轴控制的机床，既可以加工同一基准的非旋转要素的平面和曲面，同时还可以完成非同一基准的平面和曲面的加工，以及旋转面的加工[2]。表1为四轴机床常见的联动形式和成型特点，本文采用X/Z/A的组合形式对所加工零件进行数控加工仿真。

表1 四轴控制机床实际运动中常见的联动形式和特点

1.2 四轴数控加工数学模型

NX创建刀具运动规律曲线的核心思想是将创建的曲线方程分解到X，Y，Z三个坐标轴上，通过坐标分量的函数变化规律来完成。分析X/Z/A三轴联动时的数学模型，两个线性轴X，Z和旋转轴A同时完成工作，A轴旋转时将运动分解到Y，Z轴上，X轴方向相对于工件做匀速运动，所以只需分析在Z/A联动时YZ投影面的刀具运动轨迹(见图1)。A点为下刀点，AB为Z轴方向，OC为Y轴方向，A轴匀速转动。故刀具相对于旋转中心O的长度r，逐渐由R变成OC长度，至B点时r又等于R，令AC的长度等于m，刀具在Z轴运动的线性范围S可以用一阶贝尔齐曲线表示：

图1 Z/A联动刀具 轨迹分析图

S=-m×(1-t)+m×t,

式中l为刀具沿X轴走刀的距离,θ为A轴回转角度,α为A点到B点相对于旋转中心旋转的角度,t为走刀时间参数。

得到的参数方程为规律曲线，在NX建模中建立复杂的规律变化平面曲线和空间曲线都是通过规律曲线来完成，下文中建立的曲面模型即通过参数方程完成规律曲线的创建。

2 NX零件的建模与数控加工

图2 零件模型

2.1 建立制造模型

在NX 8.0中通过建立圆柱体，绘制端面截形,通过曲线方程生成规律曲线，通过扫掠，阵列实体特征得到图2所示零件模型。

2.2 加工工艺分析

建模选用零件为一螺旋槽类零件，材料选45钢，毛坯采用圆形棒料，在四轴加工中心加工。加工坐标系原点确定为零件轴线与零件的右端面交点，加工坐标系的Z方向与零件轴线重合，加工内容、切削刀具和工艺参数如表2所示。

表2 加工工艺

2.3 加工仿真

(1)进入加工环境，选择“Multi-Axi”。进入几何视图，分别创建机床坐标系、部件几何体以及毛坯几何体。切换至机床视图，建立加工所需要的D5和D3两把球头刀。需要注意的是在进入NX加工环境中，建模坐标系XC/YC/ZC为绝对坐标系，XM/YM/ZM为加工坐标系，这两个坐标系必须重合。

(2)NX多轴加工主要通过控制驱动的方法，控制刀具轴矢量和投影方向来生成加工轨迹，加工的关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化，选择合适的刀轴矢量和投影方法是获得优质刀路的关键[1]。切换至程序视图，选择“插入-操作”，选择多轴加工，加工方法选择可变轮廓铣，驱动方法选择“曲面”，选择螺旋槽曲面，切削模式选择“往复”，步距数定义为50。投影矢量选择“朝向直线”，刀轴选择“远离直线”，选择平行于Z轴方向的矢量，如图3所示。

(3)设置切削参数，选择合适的进给量，生成切削刀具轨迹，如图4所示，然后进行刀位轨迹复制，选择“对象-变换”，选择绕点旋转，设置好变换参数，完成道路轨迹的复制，确认无误后进入“刀轨可视化”进行动态仿真[3]。

图3 加工驱动方法 图4 生成轨迹图

(4)NC代码的生成。选择后处理图标，在后处理器中选择“MILL_5_AXIS”，选择好输出文件的路径，生成削粗加工NC程序。精加工程序的生成采用类似方法。

3 VERICUT虚拟加工仿真

在VERICUT中建立四轴数控铣床模型，用建立的机床模型对NX中生成的NC代码进行机床仿真、检验以及优化等。

3.1 数控仿真机床的建立

VERICUT系统中一般有两种方法构建机床。一种是通过VERICUT自带的简单建模工具建立机床模型，但这种方法建立机床模型比较麻烦，特别是曲面部分。另一种是在其它的CAD软件中先建立机床模型，导出VERICUT可识别的文件格式，如STL，以组件为单位逐个输出STL模型文件，再导入VERICUT中进行机床装配[4]。

图5 四轴铣床模型

本文采用第二种方法，在NX中创建机床各个组件，输出STL文件，导入VERICUT后将机床床身、主轴、导轨等以组件树的形式将各实体模型按照数控机床的结构装配在一起，形成机床运动学模型，图5为VERICUT中构建的四轴铣床模型。完成后再定义机床模型，包括设置机床零点、刀具运动轴的方向、旋转轴的旋转中心等。所构建的四轴铣床运动轴分别为3个线性移动轴X/Y/Z和一个旋转轴A。要完成加工仿真还需要配置数控系统，VERICUT中带有FANAC、西门子等很多控制系统的文件，这里调用“sin840d”控制系统,完成整个控机床模型的建立，图6为机床组件项目树。

3.2 仿真加工过程的建立

3.2.1 创建刀具导入毛坯

在项目树中选择加工刀具，弹出刀具管理器，创建两把加工所需要的刀具。VERICUT中定义的刀具要与NX中定义的刀具相同，否则在仿真过程中调用不出刀具，同时要给每把刀具编号，方便调用，完成后将NX中建立的毛坯导入安装。建立加工坐标系，取工件右端面为加工坐标系原点，并且与NX中加工坐标系保持一致。

3.2.2 虚拟仿真演示

在项目树中选择“数控程序”，在“配置NC程序中”载入NX中生成的NC代码，进行数控加工仿真。图7为加工过程演示图。通过观察各部件之间的相互运动关系，检验程序的正确性、在加工过程中是否发生干涉、碰撞等。

3.2.3 仿真结果分析

演示完成后，利用AUTO-DIEF模块，对加工后零件和设计零件进行比较，观察两者间的差异以及过切和欠切情况，进而修改刀具轨迹和参数，进行下一步的优化，直到完全达到加工要求为止。此次加工实验检测结果未出现过切、欠切现象，NC代码满足加工要求。

图6 机床组件项目树 图7 机床加工过程

4 小 结

通过分析四轴加工的特点及数学模型，建立四轴加工类旋转槽零件，讨论此类四轴加工类零件一般加工方法，以及NX加工流程和方法，在VRICUT软件中建立四轴机床模型，并对零件进行模拟机床仿真，检查过切、欠切、碰撞等错误，从而检验程序的正确性，得到更为合理的NC程序，提高了加工的安全性，甚至可以代替试切过程，可以大大提高零件的加工效率及机床的利用率，对实际的加工生产具有很大的现实指导意义。

[1] 仲兴国.基于UG和VERICUT的四轴自动编程及仿真[J].机床与液压，2013，41(8)：10-12.

[2] 程奎.四轴数控机床运动分析及加工应用研究[D].西安：西安理工大学，2010：13-17.

[3] 展迪优.UG6.0数控加工教程[M].北京：机械工业出版社，2013：169-170.

[4] 郑贞平.VERICUT数控仿真技术与应用实例详解[M].北京：机械工业出版社，2011：79-92.

[5] 杨伟群，唐秀梅，刘艳，等.VERICUT数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[6] 占刚，赵麒.基于UG与VERICUT虚拟数控加工仿真技术研究[J].热处理技术与装备，2012，33(6)：51-53.

[7] 范绍平.基于UG与VERICUT的多轴数控加工编程与仿真加工教学研究[J].机械工程师，2012(2)：76-77.

[8] 阮晓光，王寅晨，张党飞.基于UG与VERICUT的数控加工仿真[J].煤矿机械，2012，33(3)：126-127.

[9] 党改慧，陈玉刚，胡高社，等.基于UG与VERICUT的叶轮加工仿真研究[J].煤矿机械，2013，34(4)：1-15.

[责任编辑：谢 平]

Four-axis CNC machining and simulation with NX and VERICUT

ZHANG Lu， ZHANG Dong-sheng， ZHANG Li-yun

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Four axis machining method and characteristics for four axis complex surface parts is introduced. And the mathematical model of tool path is established. Milling rotating groove parts through NX is conducted to generate NC cutter path and NC program. Machine model is built by making use of good interaction of NX and VERICUT and machine processing simulation is thus achieved, and correspondign program is tested and optimizated with the result of more reasonable NC program. The way is instructive for actual CNC machining.

NX； VERICUT； machining simulation； NC program

1673-2944(2015)02-0011-04

2014-07-05

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2012KTCG01-03)

张璐(1987—)，男，陕西省渭南市人，陕西理工学院硕士研究生，主要研究方向为数字化制造技术；[通信作者]张东生(1960—)，男，陕西省汉中市人，陕西理工学院教授，硕士生导师，主要研究方向为机械装备设计与制造。

TG547

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