基于UG与Vericut的五轴数控编程及加工仿真

黄瑾媛

(贵州交通职业技术学院 汽车工程系，贵阳　550008)



基于UG与Vericut的五轴数控编程及加工仿真

黄瑾媛

(贵州交通职业技术学院 汽车工程系，贵阳550008)

复杂曲面的五轴数控代码繁多复杂，采用人工检查、试切和机床空运行的代码检测方法耗费人力物力，造成资源浪费。针对这个问题，文章以曲面产品为例，首先在NX8.0的CAM模块里面规划生成该曲面加工的刀轨数据，再根据特定的五轴数控机床构造后置处理器，生成该曲面的五轴数控加工代码，最后在Vericut里面建立机床仿真模型，对数控代码仿真。通过仿真结果，修改了错误的数控代码，并对代码进行了优化和残留过切检查，得出了该方法在五轴数控编程、数控代码检查方面的优越性。

五轴数控；仿真加工；五轴加工

0　引言

计算机辅助数控编程获得的NC代码庞大复杂，使用常用的机床空运行方法检查NC代码的方法占用机床加工时间，浪费资源，针对此问题，本文研究了UG五轴数控编程和Vericut中机床加工虚拟仿真，以一曲面产品为例进行五轴数控编程及机床加工仿真，结果证明了改方法的可行性。

贵州大学的雷蔓等人研究了UG与Vricut联合数控编程与机床加工仿真，但是所用的技术只是三轴编程与仿真，在加工复杂曲面方面有一定的局限性，国外用Vericut仿真数控代码已经很普及，并且建立了很多基于实际多轴加工机床的仿真模型。

UG在数控编程方面实用性很强，但是它只能进行的刀轨仿真，对自己所与生成的数控代码不能验证和优化，而Vericut中建立机床模型，导入数控代码后可以对数控代码进行仿真、查错和优化[1]。

本次研究以五轴数控编程理论为基础，在UG数控加工模块中对曲面数控编程，在Vericut中建立实际机床模型并对代码进行仿真，能快速的检查、验证数控代码，该方法不占用机床加工时间，效率高、节约加工成本。

1　曲面五轴加工刀轨生成

刀轨生成是指根据机床运动特性、工件、刀具和加工工艺等因素确定刀位点或者刀触点的运动曲线。优秀的刀轨除了要满足零件的加工要求外，还要满足刀具轨迹短、数控代码少、跳刀少等要求。刀轨的生成方法有等参数法、截面线法、等残留高度法等[2]。

1.1等残留高度刀轨规划法刀轨行距与残留高度的关系

以球头铣刀为例，分析其在不同类型的曲面加工时走刀行距与残留高度的关系，对于环形铣刀，只需要加上平底部分的直径，既可以求出环形铣刀的走刀行距。

(1)平面加工刀轨行距和残留高度的关系

球头铣刀铣平面的示意图如图 1(左)所示，根据几何关系，走刀行距L2与残留高度h的关系如下：

实际上Rh，所以上式可以简化为：

(2)凸曲面加工刀轨行距和残留高度的关系

球头铣刀凸曲面加工的示意图如图 1(中)所示，根据几何关系，走刀行距L2与残留高度h的关系如下：

(3)凹曲面加工刀轨行距和残留高度的关系

球头铣刀凹曲面加工的示意图如图 1(右)所示，根据几何关系，走刀行距L2与残留高度h的关系如下：

图1　平、凸、凹面刀轨行距与残留高度关系

1.2曲面模型刀轨规划

以图2燕子鱼模型为例，选用铜材，高速钢刀具，在NX8.0生成刀轨数据。加工步骤为：三轴粗加工，三轴半精加工，三轴和五轴精加工。

图2　“燕子鱼”模型和夹具

该模型曲面较为简单，用型腔铣的方法完成大部分区域的加工，而该模型眼部曲面比较精细复杂，此区域的精加工采用五轴加工的方法完成。选择眼部为切削区域，采用曲面的驱动方法、来回切削方式。根据等残留高度法原理，步距数设置80，投影矢量选择垂直于驱动体，刀轴选择相对于驱动体，前倾角10°。由于精加工余量比较小，切削层设置为一层，一次切削完成加工，所生成的刀轨如图 3所示。

图3　半精加工和加工刀轨

2　刀轨后处理

以某品牌双转台型五轴数控机床为例，该机床五轴技术参数如表格 1所示。

表1　五轴技术参数

根据以上五轴到四轴的距离，A、C轴的旋转角度，定义好该机床模型，构造完后处理器，就可以进行刀轨数据的后处理，生成NC代码了。

3　机床加工仿真

机床加工仿真的目的有：①验证数控代码的正确性；②干涉和碰撞检验；③数控代码优化。在Vericut中，要实现NC代码的加工仿真，需要完成以下步骤[3-4]。

(1)构建数控机床的CAD三维模型，根据实际机床，定义各个运动轴。要得到精确的验证结果，所构建的机床模型就必须很接近实际的机床；

(2)创建刀具，根据数控代码的刀具编号修改刀具编号；

(3)创建夹具，装配到机床上；

(4)创建毛坯、零件模型；

(5)把需要模拟的数控程序导入在Vericut中；

(6)设置坐标偏置，使机床坐标系与编程坐标系重合。

3.1机床CAD模型的建立

在Vericut中可以通过两种方式创建机床的三维CAD模型[5-6]，一种是用Vericut的建模工具创建，另一种是在其它建模软件中创建好机床的三维模型，再将其导入Vericut中。

由于在NX8.0里面设置坐标系和确定各个部件之间的相对关系都比较方便，本文采用在NX8.0里面建立机床模型，如图4所示。

图4　在NX8.0里面建立的机床CAD模型

3.2Vericut中机床仿真模型的建立

Vercut中创建机床仿真模型时，首先要分析机床的运动副关系及依附关系[7]，机床运动副是指各个运动轴及其模型的相对运动关系，既包含运动轴，也包含附加在该运动轴上不运动的部件。各运动副之间有一定的“依附”关系，该五轴数控机床的运动副及依附关系如图5所示，其中X、Y、Z、A、C轴及主轴是运动部件，所有部件的运动除了受数控系统的控制外，还随着父级运动部件一起运动。

图5　机床的依附关系

在Vercut中建立机床项目树，项目树含有虚拟加工的所有部件，可以在这个项目树上完成机床模型、数控系统、刀具、坐标系等的新建和修改[8]。

将机床的CAD模型按照机床床身、X轴线性运动部件、Y轴线性运动部件、Z轴线性运动部件、主轴部件、A旋转轴部件、C旋转轴部件，夹具部件、毛坯部件、设计部件分别导出成对应的STL文件，导入到Vercut项目数对应的位置，并完成数控系统、刀具、坐标系等的新建和修改，这就完成了机床仿真模型的建立。

3.3数控代码加工仿真及残留过切检查

运行仿真，可以观察数控机床的运动，验证NC代码的正确性。图6显示了数控加工过程中的错误运动，根据错误信息的提示，找到该行，发现是更换加工工位时Z轴的退刀距离不够，在该行上面加上G00 Z600使得问题得以解决。

图6　错误NC代码

Vericut中可以利用加工后的模型和设计模型对比，找出过切和残留，判断加工方案、数控代码的合理性。通过对比发现该模型的过切和残留都集中在鱼眼部位，其中最大残留达到-1.87mm左右，由于模型眼部很狭窄，细小的铣刀也满足不了要求，但是量很少，可以采用后期人工修整。

Vericut中可以对数控代码优化，本次优化以五轴加工的程序段为例，设置好刀具优化参数并打开“优化方式”后，进行机床仿真，仿真结束后会弹出优化结果。通过对比优化前后的数控代码可以发现，机床在每段代码后面添加了进给率、修改了空运行的距离，节约了数控加工时间，最后的仿真结果如图 7所示。

图7　最后仿真结果

4　结束语

对于曲面加工，在NX8.0的CAM模块里面规划生成刀轨数据，构造后置处理器后把刀轨数据生成NC代码，在Vericut里面对NC代码验证、仿真，能快捷方便的获得用于实际机床加工的数控代码，节约了机床试切、空运行时间。该于五轴编程与加工仿真的方法，对雷蔓等人的三轴机床加工仿真进行了升化，更进一步证实了Vericut机床仿真的重要性，实用性。本方法的机床建模必须与实际加工机床尺寸一致，才能做到更真实的仿真效果，而现实的机床由于热变形，磨损等会有尺寸变化，这是本方法没有考虑到的，需要更进一步的开发研究。

[1] 唐清春,刘谦,马仲亮,等. VERICUT仿真软件在五轴联动加工中的应用研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2014(9):131-133,136.

[2] 陈晓兵. 口腔修复体高效数控加工编程技术研究与实现[D].南京:南京航空航天大学,2011.

[3] 雷蔓,吕健,刘征宏,等. 基于UG与Vericut的复杂曲面加工仿真[J]. 机械设计与制造,2014(11):47-49,53.

[4] 朱秀梅. 基于Vericut平台的数控机床仿真系统研究[D].济南:山东大学,2009.

[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] 刘卫. 基于VERICUT的数控加工的优化[J]. 机械设计与制造,2009(5):188-189.

[7] 陈杰,迟永刚,刘梅,等. 基于VERICUT的数控加工运动学仿真[J]. 机械设计与制造,2009(7):192-194.

[8] 孔德英,崇凯,王霄. 基于UG/CAM和VERICUT的数控加工仿真与优化[J]. 机床与液压,2011,39(23):147-149,153.

(编辑李秀敏)

Five Axis NC Programming and Machining Simulation of Complex Curved Surface

HUANG Jin-yuan

(Department of Automobile Engineering,Guizhou Polytechnic College of Communications, Guiyang 550008,China)

Five axis NC code of complex curved surface is very complex, commonly use manual inspection, test and machine tool empty run to check NC code, this is a waste of resources. To solve this problem, this paper take a surface product for example, firstly planning and generation data of tool path in the cam module of nx8.0, then construction post processor according to a specific five axis NC machine tool ,generated the NC machining code of surface, and finally build machine simulation model in VERICUT and simulation the NC code. Through the simulation result, the error numerical control code is modified, and the code is optimized. The conclusion is that the method is better in five axis NC programming and NC code inspection.

five axis numerical control; simulation machining; five axis machining

1001-2265(2016)09-0135-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.039

2015-11-01；

2015-12-03

黄瑾媛(1986—)，女，贵阳人，贵州交通职业技术学院硕士研究生，研究方向为机械制造及其自动化，(E-mail)369272106@qq.com。

TH16；TG659

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