基于VERICUT虚拟五轴机床建模及应用

林萍，华中平

（湖北工业大学，湖北武汉430068）

软件应用

基于VERICUT虚拟五轴机床建模及应用

林萍，华中平

（湖北工业大学，湖北武汉430068）

设计出可供机构运动模拟的五轴机床模型，并利用此机床模型来执行NC刀具路径的计算机仿真。首先由Pro/ENGINEER设计出五轴机床的机构模型，接下来由PowerMILL设计五轴加工NC码，再经由VERICUT NC切削加工仿真软件整合前两者的数据并建立刀具数据后，即可开始进行五轴切削仿真，透过这样的方式将Pro/ENGINEER、PowerMILL及VERICUT三种软件中五轴机床资料整合为一，让使用者可以了解五轴机床机构运动仿真的情形及切削模拟的结果，也让使用者在NC加工程序设计完成后可以更简易、更快速地得到切削仿真的结果。

五轴机床；机构建模；NC刀具路径仿真

因为传统三轴机床的诸多限制，如使用上刀长的限制、静点切削及加工斜面效率较差，故无法满足日益提高的精度及复杂的空间几何形状的加工质量需求。随着数控机床加工技术的不断革新，五轴机床加工已逐渐取代传统三轴机床。虽然五轴机床可以满足日益提高的加工需求，但是在技术层面上也相对增加了使用者使用及学习的困难，且由于五轴机床的自由度大及精度较高，机床承受不起碰撞，所以解决的方法即是在五轴机床执行切削工作前先执行切削仿真的测试。

本文研究设计出一个可供机构运动模拟的五轴机床模型，后续利用此机床模型来执行NC加工模拟，主要内容为整合Pro/E、PowerMILL及VERICUT三个系统的资料，在Pro/E系统下设计利用Topdown design的观念来设计机构模型和工件模型，再由PowerMILL系统来设计NC程序，最后利用VERICUT系统来整合前述两者及VERICUT的资料，让使用者可以得到五轴机床和NC加工模拟结果。

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]。

1.1 虚拟五轴机床的几何模型构建

为了使五轴机床机构模型在Pro/E系统下能够快速化设计变更，传统的Bottom-up design设计方式，将各零件均分开设计与绘制，最后再逐一组装起来的方式已无法满足及达到此需求，因此在设计机构模型时，势必要使各零件间产生父子关系，以达到机构模型同步变更的效果。

Top-down design在Pro/E系统中常用于组件及配合件的设计中，其有两种基本的设计方式：（1）直接在组件中建立新零件。（2）在组件中修改变更零件。下面简单说明这两种方法[2]：

（1）在组件中直接建立新零件：按工具栏在组件中建立组件，如图1所示，以建立新零件。

图1 在组件中建立组件

以此方式建构组件时，首先在组件模块下将新零件内定基准平面FRONT、RIGHT、TOP定位到现变更的组件上，然后再逐一绘制实体或曲面等特征到此零件上。

（2）在组件中修改变更零件：将一个现更或已存在的零件组装到组件上，然后点选此零件，按鼠标右键，由弹出的选单中点选Activate，如图2所示，以进入该零件，进行零件尺寸的修改、现更特征的修改、新特征的建立等等。

图2 在组件中修改变更零件

本文中所使用的Top-down design是属于上述第一种，即在组件中直接建立新零件的方式，因此在往后的介绍与说明均为该方法的延续。

本研究在设计五轴机床的机构模型时，需考虑到该如何让使用者以简单的操作即可得到修改完成的五轴机床模型，所以在Pro/ENGINEER系统下所设计规划的机构模型是相当重要的，主要的设计规则包含了以下几点：

（1）将五轴机床的两个旋转机构的旋转中心都设定在坐标系的X、Y或Z轴上。

（2）设计机构模型时，将每一个机构模型的坐标系都定义在同一位置，让VERICUT系统读取档案时不需额外去定义机构模型的位置[3]。

（3）使用Top-down design的方式来设计机构模型，让用户可以对五轴机床的机构模型做同步设计变更。

本文中以工作台倾斜型的五轴机床中的TATC机型（见图3）为例来说明。

图3 五轴机床模型

1.2 定义机床组件的逻辑结构

在基础件Base以下有X线性轴、Y线性轴、外罩及ATC机构。X线性以下有Z线性轴、Z线性轴以下有主轴节点，主轴节点以下有刀具节点。

Y线性以下有A旋转轴、A旋转以下有C旋转、C旋转以下有附件，附件节点以下有夹具节点，夹具节点下有毛坯，如图4所示。另外还可以在基础件以下定义机床外罩及ATC换刀系统组件。

2基于VERICUT的虚拟五轴机床的应用

2.1 五轴机床数据的整合

本研究是以五轴机床的结构为基础，对定义机床虚拟节点及其逻辑关系、在虚拟节点上装配机床模型、安装机床控制系统文件、设置机床行程参数、利用手工数据方式测试机床、用执行数控程序的方法测试机床等数据进行整合[4]。

2.1.1 定义机床结构虚拟节点

由于五轴机床的结构为整合的基础，所以需先建立五轴机床的结构，以所介绍的工作台型的五轴机床为例，其结构主要分成X及Y两个部分，如图5所示，在VERICUT系统中建立此结构则先于VERICUT系统下建立一个新的项目，而此项目的初始结构如图6所示，图中的CNC Machine包含了控制器（Control）及机器（Machine）两个部分，其中机器底下包含了基座（Base）这个子结构。

图5 工作台型五轴机床的结构

图6 CNC Machine的初始结构

2.1.2 安装机床结构件模型

将机构模型的数据与导入五轴机床的结构中，并在窗口中显示五轴机床的各个机构模型。以将基座模型汇入为例说明如下：

（1）在项目树中选择节点，再单击【添加模型】参数栏，在弹出的快捷菜单中选择模型文件（Model File）如图7所示，运用加入的方式来将机构模型数据导入到结构中。同理，可以创建X组件模型、Z组件的模型、Y组件的模型、A轴组件的模型、旋转C轴组件的模型。

图7 将模型汇入至架构

（2）将各个组件模型导入至机床结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准来导入，如图8所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当数据导入后，即可在窗口中看见五轴机床的基座模型。

图8 模型导入后显示在窗口中

当所变更的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图9所示的模型，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图10所示，各个组件导入后的机床结构模型都会显示于窗口中。

图9 子结构所包含的机构模型

图10 整合完成的五轴机床机构模型

2.1.3 安装机床控制系统文件

在左侧的项目树中右击“控制”节点，在弹出的快捷菜单中【打开】命令，然后在弹出的对话框中选择文件vmd600_5ax_fan31im.ctl。

2.1.4 设定机床参数

在主菜单中执行【设置】【机床设定】命令，选择【碰撞检测】选项卡，单击【添加】按钮，在【组件一】栏中单击系统出现的【BASE】按钮，在弹出的下拉菜单中选择【Z】，在【组件二】栏中单击【BASE】按钮，在弹出的下拉菜单中选择【Y】，再选中右侧方框次组件。同理，设置其他参数。

2.2 系统运动模拟的正确性

本研究以五轴叶轮工件作为系统运动模拟验证的范例，利用CGTech公司所开发的商用实体模拟切削软件VERICUT，进行比对五轴机床运动的情形，验证其运动模拟的正确性。另外，由于自行开发了五轴机床后处理算法，因此也将针对本系统后处理转换所得的NC程序，经由VERICUT的实体切削模拟功能验证其正确性。如图11所示，为本研究中NC加工仿真完成后的五轴机床，如图12为本研究测试NC加工仿真完成后的结果，切削时每一点位置的刀具向量都为曲面的法线向量。

图11 切削仿真完成的机床

图12 五轴机床切削仿真完成的结果

3 结束语

本文以Top-down design的方式来设计五轴机床的机构模型，来帮助使用者处理五轴机床的机构模型，并由VERICUT系统整合Pro/ENGINEER系统及PowerMILL系统的数据，成为一个整合性的数据，依用户的需求来更改其中的数据后，即可得到五轴机床NC加工计算机仿真的结果[4]。

[1]赵立忠，郭登月，马云辉，等.基于VERICUT的数控仿真环境建立与教学应用[J].实验室研究与探索，2013，32（1）：24-26.

[2]赵华，李卫兵.基于VERICUT的CKA6150数控车床仿真研究[J].机械，2016（1）：24-27.

[3]陈凤光，马春文.基于VERICUT的数控宏程序仿真[J].机械工程师，2015（4）：104-105.

[4]林玉锋，林清安．正交型五轴工具机运动机构及NC刀具路径之电脑模拟[D]．台北：国立台湾科技大学机械工程研究所，2012.

Modeling and Application of Virtual Five-axis Machine Tool Based on VERICUT

LIN Ping，HUA Zhong-ping
（Hubei University of Technology，Wuhan Hubei 430068，China）

In this paper，a five-axis machine tool model for mechanism motion simulation is designed，and the machine tool model is used to carry out the computer simulation of NC tool path.First of all，by Pro/ENGINEER design of the five-axis machine tool model，followed by PowerMILL design five-axis NC code，and then VERICUT NC cutting simulation software to integrate the first two data and the establishment of tool data，you can start five axis cutting simulation，through this way the Pro/ENGINEER，PowerMILL and VERICUT three kinds of software in the five-axis machine tool data into one，so that users can understand the five-axis machine tool simulation of the situation and cutting simulation results，so that users in the NC machining program design can be completed more easily and more quickly get the results of cutting simulation.

five-axis machine tools；structural modeling；NC tool path simulation

TP391.9

：A

：1672-545X（2017）01-0226-04

2016-10-11

林萍（1975-），女，浙江平阳人，工程师，在读研究生，主要从事机械制造与数控技术的教学与研究。