虚拟数控机床仿真系统的研究与实现

李炳锐

摘 要：随着五轴数控机床的广泛应用，在其加工过程中进行仿真越来越重要。分析了五轴数控机床的结构特点，利用VERICUT软件建立了机床的虚拟仿真系统。实际加工验证表明，通过VERICUT的仿真能对NC程序进行检验，防止程序错误造成的机床干涉碰撞、零件的过切欠切等问题，提高加工的效率及安全性。

关键词：VERICUT；数控机床；五轴机床；仿真加工

中图分类号：TP391.9；TG659 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.020

随着科学技术的发展，机械制造技术朝着越来越自动化、精密化的方向发展。在这种情况下，数控机床得以出现和广泛发展，尤其是五轴数控加工机床。但由于机床的整体轴加工复杂性，机床多个运动轴同时运动，造成NC程序比较复杂，其正确性无法得到保证，导致在加工过程中有可能会出现干涉和碰撞的现象，造成一定的经济损失。然而，通过虚拟环境下零件的仿真加工，可以构建对加工过程进行研究和预测的实验平台，对实际加工进行指导，对提高机床的使用效率和应用的安全性具有实际意义。

1 五轴数控机床结构介绍

五轴加工机床是指具有3个数控直线移动轴和2个数控回转轴的机床。根据回转轴的不同，五轴机床可分为3类：工作台回转/摆动、刀具双摆动、工作台回转/刀具摆动。本文针对工作台回转/摆动五轴机床进行仿真系统应用研究。

该机床能够实现一次装夹下5个面的完全加工，其结构如图1所示。A轴为倾斜轴，与Z轴夹角为55°，机床通过A轴的回转来实现工作台不同位置的转换。

2 构建机床虚拟仿真系统

2.1 虚拟仿真系统的建立流程

虚拟仿真，又称“虚拟现实技术”或“模拟技术”，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真系统是机床在计算机中的完整映射。该系统不消耗实际物料资源，能够快速实现工件的加工，加工效率高、结果准确，能够为实际加工提供依据。建立机床的虚拟仿真系统，不仅需要建立机床的三维模型，赋予机床各运动部件的运动关系，同时还要配置与实际一致的控制系统、刀具系统、机床运行行程等内容。图2所示为建立虚拟仿真系统的流程图。

2.2 三维建模

正确建立机床三维模型的前提是对实际机床尺寸进行准确测量。机床尺寸包括机床组成部件的外形、安装尺寸、各运动部件间相对尺寸、回转轴定位尺寸等，可通过测量工具及机床手册完成机床尺寸的获取。机床三维模型可以在VERICUT中建立，也可以在UG、CATIA等專业三维软件中建立后导入VERICUT中。由于机床结构较复杂，本文在UG中完成机床各部件三维模型并保存为STL格式后导入VERICUT中。

2.3 机床组件树构建

组件树是机床运动关系的基础，其建立是根据实际机床的运动关系来确定的。机床的运动关系由2条运动链来表达，即“基座—刀具”“基座—工件”。根据机床的运动链关系，依次添加机床运动轴组件，完成机床组件树的创建，如图3所示。

完成组件树后，将各运动部件模型添加到相应组件下，完成机床实体模型的创建。添加几何模型时，要考虑运动部件间的尺寸关系，根据实际机床的参数测量，要对组件坐标或模型坐标进行调整，使其结构与实际机床保持一致。将机床部件完全添加进组件树后，机床的虚拟模型便基本建立完成了。

2.4 创建刀具库

VERICUT刀具库提供了多种刀具创建方式，可根据实际刀具的几何尺寸，在VERICUT中直接创建刀具，也可在三维软件中建立后再导入VERICUT中。刀具创建时，不仅要建立刀柄和刀片的几何模型，还要对刀具的装夹点、驱动点（对刀点）进行正确设置，这样在进行刀具调用时，才能满足加工使用的要求。

2.5 控制系统及机床参数设置

VERICUT中提供了多种控制系统，根据实际机床选取相应的控制系统，对虚拟仿真加工系统进行配置。由于VERICUT中提供的控制系统仅对通用控制代码进行了功能设置，而机床厂家对一些特殊功能做了专门的代码定义，因此，要保持与实际机床的加工功能一致，就需对控制系统进行专门配置。

完成机床虚拟模型及控制系统的配置后，还需对机床行程、碰撞检测等进行设置。其目的在于告知机床，当加工中出现超程、碰撞等情况时，及时报警，用户可根据错误提示查找问题所在，进而改善加工中的不合理之处。

3 仿真加工及实际验证

建立好虚拟模型后，添加工件及相应的程序就可以进行实际的仿真了。本文以一叶轮零件为加工试件，对其进行虚拟仿真加工，如图4（a）所示。加工中，在VERICUT图形窗口中观察刀具的走刀路径及机床形态，同时注意是否有超程、干涉、碰撞等情况。加工完成后，通过比较模块对加工结果进行比较，检查加工结果中存在的过切欠切情况，分析不合理的工艺并进行改进，如图4（b）所示。

将虚拟仿真验证过的NC程序导入实际机床中，添加工件毛坯后进行实际验证。观察刀具的实际运动轨迹是否与仿真加工中的一致。加工完成后，对加工结果进行检测，分析实际与仿真加工结果是否一致。

4 结束语

综上，通过建立虚拟机床模型、控制系统配置、设置刀具库构建了五轴机床数控机床虚拟制造系统，保障了加工程序的准确性，有效防止了加工过程中的碰撞和干涉现象，提高了加工的效率与加工质量。本文就涉及的关键技术进行了介绍和总结，可为实际机床的高效应用提供技术支持。

参考文献

[1]任宝钢.五轴数控机床加工仿真技术应用[J].工具技术，2014，48（12）：51-53.

[2]陈建.通用五轴数控加工仿真系统研发[D].成都：西南交通大学，2014.

[3]陈浩.UG环境下叶轮五轴数控加工仿真系统开发[J].西安文理学院学报（自然科学版），2014（02）：84-86.

〔编辑：刘晓芳〕