0 引言

　　對于多軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床，在加工過程中難免會發(fā)生王件過切、欠切以及機(jī)床碰撞等問題。如果在加工前能夠通過虛擬加工，預(yù)先發(fā)現(xiàn)制造過程中存在的各種問題，及時修改加工程序，避免加工中出現(xiàn)廢料，不僅會節(jié)省加工成本，而且會有效提高機(jī)床的加工效率，并使企業(yè)朝綠色制造的方向發(fā)展。

　　美國CGTECH公司開發(fā)的VERICUT軟件，專門用于數(shù)控機(jī)床加工過程的仿真，可以建立機(jī)床實體模型，虛擬真實的切削環(huán)境，仿真數(shù)控機(jī)床加工的整個過程，因而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)床和重工業(yè)制造以及教育領(lǐng)域等。美國波音公司、福特汽車公司以及國內(nèi)許多企業(yè)如沈飛等都已經(jīng)把VERICUT軟件用在生產(chǎn)實踐中，許多學(xué)校也把VERICUT軟件應(yīng)用于數(shù)控教學(xué)和科研實踐中。

　　本文作者總結(jié)了VERICUT軟件的虛擬加工的整個過程，并以三軸積五軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床為例，重點闡述了基于機(jī)床各部件的運動關(guān)系和幾何關(guān)系，在VERICUT中建立機(jī)床虛擬模型的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

　　1 VERICUT軟件的主要功能

　　VERICUT軟件具有很多功能模塊，可以實現(xiàn)機(jī)床仿真和程序驗證、程序優(yōu)化以及形成數(shù)控加工工藝文檔等。通過仿真及程序校驗，以減少實際加工中切壞工件、返工、刀具折斷、機(jī)床碰撞等錯誤發(fā)生的概率，保證加工過程中的安全性;通過對加工程序的優(yōu)化，以減少加工時間、提高零件表面質(zhì)量，提高機(jī)床的加工效率和使用效率。

　　2 基干VERICUT數(shù)控機(jī)床加工仿真過程

　　基予VERICUT的仿真過程如下：

　　(1)調(diào)用或建立相應(yīng)的機(jī)床模型文件(機(jī)床文件);

　　(2)調(diào)用或建立機(jī)床相配的控制系統(tǒng)文件;

　　(3)建立并調(diào)用刀具庫文件;

　　(4)選擇仿真的NC程序;

　　(5)設(shè)定編程原點;

　　(6)設(shè)置碰撞撿測等參數(shù);

　　(7)仿真加工(并記錄仿真過程);

　　(8)分析零件，把設(shè)計實體同切削過后的實體進(jìn)行自動比較;

　　(9)優(yōu)純數(shù)控搬王過程;

　　(10)形成數(shù)控加工工藝文檔。

　　其中數(shù)控機(jī)床的虛擬模型的建立是虛擬制造的基礎(chǔ)與核心，仿真加工過程的關(guān)鍵是要在VERICUT環(huán)境中，建立起數(shù)控機(jī)床的虛擬模型，才能對數(shù)控加工過程進(jìn)行真實模擬。

　　3 機(jī)床建模的基本概念及關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 機(jī)床建模的概念與操作

　　基于VERICUT軟件可以對數(shù)控機(jī)床的本體，控制系統(tǒng)、刀具庫、以及卡具、毛坯等虛擬建模，通過選擇加工程序等就可以實現(xiàn)對整個加工過程的真實模擬。所以在仿真過程中的關(guān)鍵首先是建立相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床模型。機(jī)床模型可以通過導(dǎo)入外部各個零部件的模型文件，也可以通過系統(tǒng)提供的基本體素直接在VERICUT中建立。

　　在VERICUT中，機(jī)床建模的操作非常簡單，只需要點擊相應(yīng)工程的組件樹圖標(biāo)(Compent Tree)，在彈出的組件樹框架中，從Base(機(jī)體)開始，點擊右鍵，通過Append(添加)命令，逐一添加機(jī)床各運動部件，就可以建立起機(jī)床的基本框架，如圖1所示。

　　圖1 機(jī)床模型樹建立界面與操作方法

　　建模的難點在于分析數(shù)控機(jī)床各部件的運動關(guān)系及各部件之間的幾何關(guān)系。以下以多軸聯(lián)動機(jī)床為例，詳細(xì)闡述在VERICUT中，虛擬機(jī)床建模的基本概念、方法與關(guān)鍵技術(shù)。

　　3.2 三軸聯(lián)動機(jī)床建模的方法與關(guān)鍵技術(shù)

　　數(shù)控機(jī)床根據(jù)聯(lián)動軸數(shù)通常可分為三軸聯(lián)動、四軸聯(lián)動和五軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床，以下通過實例，分別通過對三軸和五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床各部件之間的運動關(guān)系的分析，說明建立其相應(yīng)組件樹的具體方法與過程。

　　數(shù)控機(jī)床有三個線性坐標(biāo)X、Y、Z和分別繞著X、Y、Z旋轉(zhuǎn)的三個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C。通常，三軸聯(lián)動一般為三個直線坐標(biāo)能夠同時進(jìn)行插補(bǔ)運動，四軸聯(lián)動指三個線性坐標(biāo)加上一個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，五軸聯(lián)動指三個線性坐標(biāo)加上兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)共同實現(xiàn)空間運動。在建立數(shù)控機(jī)床模型時，首先需要構(gòu)建機(jī)床組件樹，該組件樹和機(jī)床的實際結(jié)構(gòu)相關(guān)，所以首先需要分析實際機(jī)床各個組件之間的運動關(guān)系。

　　在分析機(jī)床各組件運動關(guān)系時，關(guān)鍵是要抓住兩條主要的運動鏈：一個是“機(jī)架-刀具”傳動鏈，一個是“機(jī)架-毛坯”傳動鏈。這兩條傳動鏈構(gòu)成了數(shù)控機(jī)床的基本模型。機(jī)床建模時，分別從毛坯和刀具兩個方面人手，依次找到各自對應(yīng)的運動鏈，就可建立起整個機(jī)床的運動模型。

　　以下分別以三軸立式銑床和臥式銑床為例進(jìn)行分析說明。對于三軸立銑，如圖2所示，主軸帶著刀具通過立柱沿z向運動，形成“機(jī)架-刀具”傳動鏈;毛坯裝卡在沿X向運動的工作臺上，該組件又和實現(xiàn)y向運動的組件連接，形成“機(jī)架-毛坯”傳動鏈鏈，如下所示。

　　圖2 三軸數(shù)控立銑

　　根據(jù)以上對機(jī)床部件運動部件的分析而形成的兩大傳動鏈，按照圖1介紹的機(jī)床建模的操作方法，就可以建立起機(jī)床所對應(yīng)的組件樹，如圖3所示。

　　圖3 三軸數(shù)控立銑組件樹

　　對于三軸臥銑，如圖4所示，主軸帶著刀具，通過立柱沿Y向運動，該運動組件和實現(xiàn)X方向運動的組件相連，形成“機(jī)架-刀具”傳動鏈;毛坯附著在沿Z向運動的組件上，形成“機(jī)架-毛坯”傳動鏈，如下所示。

　　圖4 三軸數(shù)控臥銑

　　根據(jù)以上對橇床部件運動部絳的分糲秀形成的兩大傳動鏈，就可以建立起機(jī)床醞對應(yīng)的組侔樹，如圖5所示。

圖5 三軸數(shù)控臥銑組件樹

　　3.3 五聯(lián)動機(jī)床建模的方法與熒鍵技術(shù)

　　在對三軸數(shù)控立銑和數(shù)控臥銑機(jī)床建模的基礎(chǔ)上，以5軸為例，進(jìn)一步研究數(shù)控機(jī)床的建模的方法與關(guān)鍵技術(shù)。

　　如圖6所示的五軸立銑加工中心，根據(jù)機(jī)床的實際運動結(jié)構(gòu)，首先找到兩大傳動鏈。主軸帶著刀具通過立柱沿著Z向運動，該運動組件和實現(xiàn)y向運動的組建相連，沿y向運動的組件又和沿X方向運動的組件相連，形成整個刀具傳動鏈。毛坯裝卡在實現(xiàn)C向轉(zhuǎn)動的組件上，該組件又和在實現(xiàn)B向旋轉(zhuǎn)的組件相連，共同構(gòu)成毛坯傳動鏈，如下所示。

　　圖6 五軸數(shù)控機(jī)床                                            圖7 五軸數(shù)控機(jī)床組件樹

　　根據(jù)以上對機(jī)床部件的分析而形成的兩大鏈組件，就可以建立起機(jī)床所對應(yīng)的組件樹，如圖7所示。

　　3.4 添加組件的幾何模型

　　根據(jù)機(jī)床運動模型，建立好組件樹后，接下來就可以對相應(yīng)部件添加對應(yīng)的幾何模型。可以將通過CAD軟件在外部建立起來組件模型文件直接調(diào)入，也可以在組件樹中直接建立各個組件的模型，并按照一定的裝配關(guān)系使各組件準(zhǔn)確定位。機(jī)床各個組件定位過程中，均以機(jī)床坐標(biāo)系作為各組件的定位參照。

　　為簡化建模過程，不要求完全按照實際機(jī)床的零部件的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行建模，只需建立運動單元的簡單外形，但是對加工有影響的尺寸，如機(jī)床零部件的基準(zhǔn)和控制尺寸等應(yīng)該與實際機(jī)床相一致。

　　3.5 設(shè)置機(jī)束參數(shù)

　　根據(jù)機(jī)床的實際情況確定初始位置，設(shè)定各坐標(biāo)軸行程等，以進(jìn)行超程、碰撞干涉等檢測。

　　這樣通過對實際機(jī)床運動模型和幾何模型的分析，就建立了數(shù)控枧床盼虛擬模型，為實際機(jī)床的仿真加工奠定了重要基礎(chǔ)。

　　4 結(jié)論

　　分別以三軸和五軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床的建模為例，提出了使用VERICUT軟件進(jìn)行虛擬數(shù)控機(jī)床建模的基本方法的關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)控機(jī)床的虛擬制造奠定了重要基礎(chǔ)。并且該方法對于在VERICUT環(huán)境下，建立其它類型的機(jī)床模型具有指導(dǎo)性意義。