基于VERICUT的虚拟机床建模及应用

丁 科,邓 奕,宁立伟

(湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101)



基于VERICUT的虚拟机床建模及应用

丁 科,邓 奕,宁立伟

(湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101)

VERICUT是一款既能对数控机床加工仿真又能进行程序优化的软件，可预防加工程序错误、机床碰撞、提升切削效率.为研究虚拟加工过程，通过UG对MV610加工中心进行虚拟建模，在VERICUT软件上进行虚拟机床的组建，阐述了仿真机床建立的过程和方法，通过实例论述了在VERICUT平台上进行虚拟机床建模的过程，通过在虚拟平台上的加工，成功对零件的加工过程进行碰撞检验.

虚拟机床；建模；仿真；VERICUT

随着制造业的发展，在产品的生产过程中企业对各类零件的精度要求不断提高，同时对缩短产品生产周期方面的要求也越来越高.一般来说，借助CAM软件自动完成的刀具路径经后置处理后，所导出生成的数控程序也会因零件的精度提高、现状复杂而变得复杂化[1].

虚拟机床是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，它通过对产品整个加工过程的仿真，通过计算机以虚拟加工的方式仿真和评估各加工过程对产品质量的影响，有效地控制产品的生产制造成本.

VERICUT是一款基于Windows操作平台计算机上的先进专用数控加工仿真软件，它可以进行刀具路径的仿真和优化以及机床运动仿真.VERICUT可以进行数控车、数控铣、加工中心、数控线切割和多轴机床的数控加工仿真，包括加工编程的刀具运动轨迹、工件过切情况和刀、夹具运动干涉等错误，可以直接代替实际加工过程中试切的工作[2].

本文通过UG软件，对实验室MV610加工中心进行建模，将建立好的机床模型导入VERICUT软件，对某零件进行数控加工仿真.

1 虚拟机床仿真系统的建立

虚拟机床的建模过程分为几何实体建模和运动学建模.

1.1 虚拟机床仿真系统的总体结构

如图1所示，为运用VERICUT软件进行MV610加工中心虚拟仿真环境的建立和实现仿真功能的过程.

图1 虚拟机床仿真系统的总体结构

1.2 机床几何建模

几何模型是构建虚拟数控机床三维特征的基本元素，反应了机床部件的形状位置特征.机床模型建立按照以下顺序进行.

(1)把机床的几何模型分解为底座、鞍座、工作台、床身、立柱、主轴、刀库等主要部件模型，确定MV610加工中心各主要部件的实际尺寸和部件在初始位置时各部件之间的相对位置数据.

(2)构建机床各主要部件的三维模型.本文是运用UG/NX软件完成的，然后将各运动组件输出为STL或IGES格式以便于在VERICUT中调用.

(3)完成夹具的建模.夹具建模的主要作用一方面反映毛坯在夹具中的装夹位置和状态，另一方面是用来检测夹具和机床运动部件之间的干涉、碰撞.夹具的各个部件也是在UG/NX中进行建模并装配，装配后的文件保存成STL或IGES格式，仿真加工时导入各夹具体.

(4)虚拟机床几何模块的导入.在机床组件树中分别导入Y轴、X轴、Z轴、主轴以及刀库模型的“STL格式”.BASE模型文件如图2所示，X、Y、Z轴模型文件分别如图3、图4、图5所示.

图2 BASE模型文件

图3 X轴模型文件

图4 Y轴模型文件

图5 Z轴模型文件

(5)刀具系统的建模.VERCIUT的刀具管理模块可以实现刀具几何参数和加工参数的定义，实现对刀具库的各项数据库操作功能，并保存在刀具库文件中.在VERICUT刀具管理器中完成刀具库的建模.根据实际加工要求，建立符合加工工艺的刀具库，刀库中每把刀具的刀号、类型与实际刀具相同.刀具信息包括切削部分、刀杆和刀具夹持部分，刀具建模设置切削部分的具体形状参数和刀杆和刀具夹持部分的形状及相应尺寸，并可通过坐标调整来确定其在机床上的安装位置.刀具模型图如图6所示.

图6 刀具管理器

(6)完成MV610加工中心的整体装配.机床的整体装配反映的是各部间的运动副关系，组合关系和相对位置关系.根据部件之间的装配顺序和位置关系在UG/NX完成机床的整体装配，装配时注意机床的各部件所处的位置要与实际机床初始的位置一致.完成整体装配后的机床如图7所示.

图7 机床总装图

1.3 虚拟机床的运动建模

虚拟机床运动建模的关键技术就是分析数控机床各部件之间的运动关系，由运动关系建立相应的机床组件树.分析时要抓住两条主要的传动关系链:一个是“机床床身”→“毛坯”传动链，一个是“机床床身”→“刀具”传动链.这两条传动链构成了数控机床的基本运动关系.以MV610加工中心为例，观察机床的实际运动特点，得出其两大传动链关系.

(1)毛坯→夹具→X轴→Y轴→机床床身

(2)刀具→刀库→机床床身

↓

主轴→Z轴→机床床身

在VERICUT系统中建立MV610加工中心组件树模型如图8所示.

机床组件树只是完成了数控机床的运动模型，还不具备真正的仿真功能，还需要向各组件添加三维模型并装配生成整个机床的空间三维立体模型，以反映出真实机床的几何外形特征，并能利用三维模型实现机床部件的干涉碰撞检测.

图8 MV610组件树

1.4 虚拟机床的组建

按照毛坯→夹具→X轴→Y轴→机床床身；刀具→刀库→机床床身

↓

主轴→Z轴→机床床身的顺序，依次导入之前由UG/NX导出的各部件STL文件，并设定好各部件坐标系之间的相对位置关系，经过适当的组建移动、旋转完成MV610加工中心机床的组建.

2 基于VERICUT的虚拟机床应用

2.1 零件工艺分析

在进行数控铣削工艺分析时，主要从两个方面考虑：效率、精度.理论上的加工工艺必须达到图样的要求之外，还需要能够充分发挥数控机床的功能价值.

(1)分析图纸.图9为某待加工的零件.分析图上尺寸精度，几乎所有表面均可在数控铣床上完成加工.依据产品生产数量的不同和材料的利用效率，确定工艺方案：利用机夹虎钳两次装夹，一次装夹铣六方至尺寸139×99mm，二次装夹完成工件表面、各凸台、槽、曲面和型腔的铣削加工，至图纸要求.

(2)确定数控机床和数控系统.

(3)工件的安装和夹具的确定.

(4)工件材料的选择及该材料的切削加工性能特点.

图9 加工的零件

2.2 利用MASTERCAM软件完成对指定工件的仿真

(1)用Φ18的面铣刀完成对毛坯的表面铣削加工.

(2)挖槽加工.

(3)粗加工上表面各轮廓型腔.

依次完成毛坯的表面铣削→挖槽→上表面型腔的粗加工→圆角处的精加工→曲面的精加工→Φ12孔、Φ10孔的加工，MASTERCAM完成零件的加工后，选择所有的刀具路径如图10所示，再单击生成程序工具按钮，按照软件自带的提示完成NC程序的自动生成.

图10 刀具路径

2.3 零件的导入

在项目树中通过选择毛坯、添加模型、设定长宽高为142×102×27mm的方块毛坯，并将毛坯移动到合适位置，生成模型文件.选择已导出的零件“STL”文件，完成零件的添加，项目树中零件模型如图11所示.

图11 零件模型

选择“数控程序”，依次添加平面铣、挖槽、型腔粗加工、圆角精加工-1、圆角精加工-2、曲面精加工、钻-1、钻-2、钻-3的NC程序如图12所示.

图12 NC程序

2.4 刀具的导入

选择、添加刀具文件MV-610tls完成刀具导入，确定刀具偏置值并置于寄存器中，完成刀具各项参数设定，实现机床G54工件坐标系的创建和刀具的对刀过程[5].

2.5 零件的仿真加工

打开VERICUT软件，重新加载MV610加工中心机床文件、刀具库文件、数控程序，完成机床的坐标系设定和对刀.在仿真加工前可通过“项目”→“手工数据输入”来检验机床参数设定是否安全如图13.在“手动进给运动”选择Z轴，依次输入G00Z50；G00Z28；G01Z27；G01Z0程序段，完成本文中MV610虚拟加工中心仿真前的机床校验，进行零件的仿真加工，仿真加工结果如图14所示.

图13 手工数据输入界面

图14 仿真

3 总结

本文主要通过对MV610加工中心虚拟机床的建模过程、模型的导出、整个机床的组建以及数控系统的配置、机床初始化参数的设定等方面的描述，介绍了基于VERICUT的虚拟机床建模的一个大致过程.并在这个基础上通过实例对VERICUT构建的虚拟机床做了简单应用，围绕零件的工艺分析、刀具的选择、NC程序的生产以及零件、刀具、程序的导入，介绍了在VERICUT平台上进行虚拟机床建

模的过程.

[1] 姚运萍，王素梅.基于VERICUT的虚拟机床建模与复杂曲面加工的研究[J].新技术新工艺，2010(1)：37-39.

[2] 郑贞平，黄云林.Vericut 7.3数控仿真技术与实例详解[M].北京：机械工业出版社，2015.

[3] 王书建.基于MASTERCAM和VERICUT虚拟数控加工技术的研究[D].山东大学硕士学位论文，2011.

[4] 孙 芹.复杂曲面的UG建模、加工与VERICUT虚拟仿真[J].制造业自动化，2013，35(13)：19-21.

[5] 王学惠，冯明军.基于VERICUT的虚拟机床建模与应用[J].现代制造工程，2007(8)：38-40.

[6] VERICUT中UG三维模型快速导入及数控加工仿真设置[J].金属加工：冷加工，2014(14)：70-72.

[7] Xiumei Zhu，Hai Yan Yang.Research of Virtualmachine Based on UG and VERICUT[J].Appliedmechanics andmaterials，2014：644-650,782-785.

[8] Yan Wu，keng Zhou，Gang Zheng，Er Geng Zhang Research on Five-Axis NCmachining Simulation for Four-Blade Propeller Based on UG&VERICUT[J].Appliedmechanics andmaterials，2014，509：75-79.

Modeling of Virtualmachine Tools Based on VERICUT and Its Applications

DINGke,DENG Yi,NING Li-wei

(College ofmech.Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

VERICUT is a software that can simulate the NCmachine toolmachining process,prevent themachining program error,machine tool collision,and improve the cutting efficiency.To study the virtualmachining process,the virtualmodel ofmV610machining center is carried out by UG.The process andmethod of building the simulationmachine tool are described by VERICUT software.And the process ofmodeling of virtualmachine tools on the VERICUT platform is explained by examples.Through the processing on a virtual platform,the success of themachinging process of the collision test is achieved.

virtualmachine tool；modeling；simulation；VERICUT

2016-01-18基金项目：湖南省科技计划项目(2012GK3077);湖南省高校产业化培育项目(13CY023).作者简介：丁 科(1993- )，男，硕士研究生，研究方向：风电装备制造技术．通迅作者：邓 奕(1968- )，男，教授，研究方向：风电装备设计技术、数控技术．

TH122

A

1671-119X(2016)02-0024-05