VERICUT五轴联动数控机床模型建立及加工仿真

黄振沛

通过对Mikron_Ucp800五轴数控机床坐标系和运动特征的分析，使用Creo软件的CAD模块建立机床中的部件和被加工工件的虚拟几何模型并输出STL模型，接着让VERICUT系统可以直接读入机床组件和被加工工件模型资料进入系统，完成机床在VERICUT中的虚拟建模。然后对机床组件模型、工件模型、NC程序、刀具资料及工作坐标系等资料进行整合，对后处理程序产生五轴加工程序进行仿真验证，证明了后处理程序的正确性。

一、引言

近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。首先，由Creo没计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM软件设计五轴加工NC代码，然后再通过VERICUT仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM软件和VERICUT软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。

二、建模仿真用的机床各部件

1.机床结构

该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、y、Z、A和C轴，是一款A轴绕X轴旋转，C轴绕Z轴旋转的五轴加工中心。各轴行程如下：X轴行程800mm，Y轴650mm，Z轴500mm，A轴-100°-120°，C轴0-360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT中的坐标系原点，如图1所示。

2.机床结构的逻辑关系

在Cre02.0中将7个机构模型画出，如基座模型、y轴机构模型、X轴机构模型、Z轴机构模型、C轴机构模型、A轴机构模型和刀轴机构模型，导入机构模型必须转换成STL格式。由于五轴机床的结构为整合的基础，因此，有必要先建立五轴机床的结构，以Mikron_Ucp800五轴机床为例，其结构要分成X和Z两部分，如图2所示。

3.虚拟机床部件树的建立

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完成后，即可得到如图3所示，每一个子结构中都包含了各自所代表的机构模型。

双摆动机型五轴立式加工中心的结构描述如图3所示，其中X和Z在机床本体上移动，所以在机床本体下面建立两个子结构X和Z，并且把该结构分为X和Z两部分来看。

（l）X部分：当X运动会带动Y一起运动并且X是一个移动滑块，其中夹具和工件都固定在回转工作平台C上，所以在X下面建立Y，并且使夹具和工件都依附于C回转工作平台下。

（2）Z部分：当X轴运动时将会带动A轴一起运动，而A轴运动会带着C轴一起运动，所以X轴下面建立A轴，在A轴下面建立C轴，我们把此模型称为双摆台机型，刀轴是建立在Z轴上，所以在Z轴下建立主轴并在主轴下建立刀具。

当有了五轴机床的结构后，即可开始进行五轴机床结构与其他资料的整合。

4.导入机构模型的STL资料

将机构模型的资料与导入五轴机床的结构中，并在视窗中显示五轴机床的各个机构模型。

本文将机构模型的资料导入五轴机床的结构方式说明如下，并以将基座模型导人为例。

（l）因为本研究是将外部资料与五轴机床的结构做整合，所以使用的方式为将外部资料导入至五轴机床的结构中，如图4所示，运用加入模型档案（Model File）的方式来将机构模型资料导入至结构中。

（2）将基座模型导入至结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准导入，如图5所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当资料导入后，即可在视窗中看见五轴机床的基座模型。

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图6所示，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图7所示，整合完成的机构模型皆会显示在视窗中。

5.机床初始化设置

在机床设定中设定行程（图8）及其他参数，检查机床运动结构是否符合真实运动情况，以此完成机床的构建。

三、调入控制系统、工件、夹具及NC程序

此机床采用TNC530控制系统，调入VERICUT控制系统文件hei530.ctl。

工件模型主要是提供使用者观察整个NC加工模拟完的结果，所以整合资料中包含了工件模型资料，而在VERICUT系统中要取得工件模型的资料有两种方式，第一种方式为由VERICUT系统本身建立工件模型，而另一种方式为由外部系统产生工件模型，然后将工件模型资料与五轴机床的结构整合。

夹具模型由外部系统产生，然后将夹具模型资料与五轴机床的结构整合。

NC程序的功能为驱动五轴机床的切削运动，所以在执行五轴机床的NC加工模拟前也需将此资料整合，当NC程序导入完成后，五轴机床才能按照NC程序中的内容来执行NC加工模拟。

四、刀具库建立

刀具资料是由使用者在VERICUT系统中建立的，使用者也可以先行在VERICUT系统中建立一个刀具资料库档案，当需要使用时，可以直接呼叫刀具资料库档案进来，并且需定义刀具被夹持的位置点。

参考Creo系统中所设定的刀具资料来建立NC加工模拟所需使用的刀具，如图9及图10所示，在刀具资料库中建立刀具、其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等。

五、设定工作坐标系及相关参数

因为NC程序都参照工作坐标系为基准，所以由图11中的G代码偏置来定义VERICUT系统的工作坐标系，并如图12所示，定义工作坐标系的参照位置为TooL至MCS，系统会根据参照位置自动为机器做刀具补偿的动作。

六、仿真结果

图13为某零件在五轴机床加工模拟完成后的结果，其仿真过程反映了真实的加工过程，通过自带比较功能，及时发现碰撞及干涉情况，有针对性的对刀具的走刀路径进行优化，减少空走刀。

当NC加工模拟测试完成后，Creo及PowerMILL及VERICUT三者的资料整合已完成，接下来可以让使用者直接使用此整合资料执行其他不同类型工件的NC加工模拟。

七、结语

本文根据VERICUT软件构建仿真平台，通过虚拟五轴加工过程中机床、刀具、夹具和程序的仿真验证，避免实际加工中出现碰撞、过切，减少空走刀，大幅度提高机床的利用效率，保证产品质量，减少超差和报废。