基于VERICUT的五轴联动数控加工仿真研究

陈宝尚

基于VERICUT的五轴联动数控加工仿真研究

陈宝尚

（扬州恒星精密机械有限公司，江苏 扬州 225127）

为了保证五轴联动数控加工的安全性与可靠性，在实际的零件生产加工前落实加工仿真分析极为必要。基于此，阐述了利用VERICUT软件展开五轴数控加工仿真分析的方法，在明确软件的应用优势、VERICUT加工仿真的一般过程的基础上，详细分析了基于VERICUT的五轴联动数控机床的建模及其加工仿真过程，结合结果验证实验，证实了基于VERICUT的加工仿真分析的结果具有实用性与科学性。

VERICUT软件；五轴联动数控机床；建模过程；加工仿真

在五轴联动数控加工过程中，如果加工的零件相对复杂，则极容易产生零件与机床刀具碰撞、干涉的问题，直接损伤加工零件或机床刀具，加大了五轴联动数控机床的运行风险。因此，为了保证五轴联动数控加工的安全性与可靠性，提前利用VERICUT软件展开加工仿真研究极为必要。

1 VERICUT软件的简述

1.1 VERICUT软件的应用优势

VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，其最大优势在于，既能够完成多种CNC系统、刀位文件的仿真，又可以实现CAD/CAM后置处理的NC程序的仿真。利用该软件展开加工仿真分析，能够缩短加工时间、延长刀具寿命、改进表面质量，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误。同时，软件能够实现三维实体显示，可以完成切削模型尺寸的测量与保存，为检验后续工序切削加工的步骤落实提供支持[1]。另外，VERICUT软件还具备多种接口，能够直接完成多种信息数据的导入。就当前的情况来看，VERICUT软件已经被广泛应用于航空航天、汽车、模具制造等行业，有着较好的发展趋势。

1.2 VERICUT加工仿真的一般过程

通常情况下，利用VERICUT软件展开五轴联动数控加工仿真的主要步骤如下：构建虚拟机床（运动学）模型；构建夹具、毛坯的模型；构建刀具（特定机床使用的所有刀具，形成刀具库）模型；设置系统参数（包括刀具补偿、工件编程原点等）；展开加工仿真（结合VERICUT软件的实际需求完成加工刀具轨迹、NC代码的调整）；分析并优化仿真结果（利用工件加工与碰撞干涉情况形成仿真结果，同时完成尺寸、废料的数值计算）。

1.3 VERICUT加工仿真设计的原理

依托五轴联动数控机床实体的结构特点，在VERICUT软件（建模工具）中完成机床CAD模型的构建；确定虚拟机床的控制系统、控制代码及参数；结合零件加工编程的工艺流程完成刀具库的构建，并纳入工艺参数实现加工仿真；比较加工仿真后获取的零件与设计模型，确定加工仿真的误差与分布，输出最终结果。

2 基于VERICUT的五轴联动数控机床的建模

2.1 构建机床组件树

依托五轴联动数控机床的结构，提取出床身基体、左右运动部件、前后运动部件、上下运动部件、旋转工件台、主轴摆动部件、主轴部件等关键机械结构，并形成各部分的运动关系、相互位置关系[2]。依托这些内容，能够在VERICUT软件中完成五轴联动数控机床的组件树的构建，形成机床的运动学模型。

在本次研究的组件树构建中，上下运动部件位于Base根节点内部、旋转工件台位于上下运动部件节点内。同时，Fixture位于旋转工件台节点内部、Stock位于Fixture节点的内部。具体来说，Stock依托Fixture实现运动，而Fixture跟随旋转工件台转动，旋转工件台随着上下运动部件的移动而运动。前后运动部件放置于左右运动部件上，主轴摆动部件围绕前后运动部件摆动。Tool位于Spindle上，而Spindle位于主轴摆动部件中。

能够看出，利用VERICUT软件，能够清晰掌握五轴联动数控机床中各个部件之间的依附与约束关系，依托组件树显示了该机床的运动学结构。

2.2 构建不同位置的三维模型

在组件树的支持下，能够完成五轴联动数控机床各个部分的三维模型的构建，并以此为基础形成五轴联动数控机床整体的空间立体模型。为了实现这一目标，需要在完成UG内建模的基础上倒入VERICUT软件，并利用软件的自带功能展开模型的平移、旋转、缩放等，帮助研究人员更加直观、全面观察五轴联动数控机床的建模效果。

在此过程中，必须要保证机床模型的主要几何参数与原有五轴联动数控机床的相应几何参数保持一致，并将机床的原点稳定在主轴端面的正下方位置，确保后续加工仿真分析结果的准确性与有效性。

2.3 设定系统参数

2.3.1 设置机床的干涉检查

在VERICUT软件“机床设定”功能的支持下，能够完成虚拟机床最基本状态的设定。在本次五轴联动数控加工仿真分析中，主要完成了10项组件间运动过程的干涉检查，其中包含着机床在实际运行中可能遇到的所有的碰撞问题。本研究中，笔者设定1 mm为发生干涉的检查临界值。

2.3.2 设置机床的初始化

利用VERICUT软件的“机床设定”功能，同样可以完成虚拟机床初始状态、换刀位置等多项细节参数的设定。在本研究中，将（0 0 0）设定为五轴联动数控机床中旋转中心枢轴的中心偏置；利用默认值完成机床的坐标原点、程序原点的设定；依托加工零件的参数实现换刀位置坐标的设定。

2.3.3 设置机床的行程

结合现有五轴联动数控机床的工作行程，在VERICUT软件中输入左右运动部件、前后运动部件、上下运动部件、主轴摆动部件、旋转工件台运动范围值。

在这过程中，如果在加工仿真分析中出现部件运动范围超出允许数值的情况时，则VERICUT软件的相应部件表述会呈现出红色，并同时将记录保存在日志文件内，供研究人员形成最终结果。

2.4 确定机床的数控系统

在数控系统的支持下，虚拟机床能够展开加工运动。此时，数控系统主要实现了数控代码解读、运算的插补、显示加工仿真情况等功能。在VERICUT软件中，包含着大量的控制系统文件，研究人员可以直接从软件中调取数控系统设置于虚拟机床中。同时，VERICUT软件中还包含着机床开发工具箱，利用这一工具箱，研究人员可以自行完成控制系统的开发与设定。

2.5 构建机床刀具库

在VERICUT软件中，包含着刀具建模单元。利用这一单元，能够完成仿真加工分析中刀具库的组建。其中，在刀具库中，存储了刀杆与刀具挟持部分、刀具切削部分的数据信息。

3 基于VERICUT的五轴联动数控机床的仿真加工

3.1 准备工作

3.1.1 调出刀具库

在VERICUT软件的菜单栏中调出利用上述操作构建起的五轴联动数控虚拟机床以及机床刀具库。

3.1.2 设定夹具

在仿真加工研究中，需要设定夹具，以此保证仿真加工的效果，与机床的实际加工更加贴近。

3.1.3 零件毛坯的准备

零件毛坯的准备过程与虚拟机床建模过程有着一定程度的一致性。在此过程中，需要依托CAD建模软件完成形状相对复杂的零件毛坯模型构建，并在数据接口的支持下，直接导入VERICUT软件中。此时，要结合零件编程原点将零件毛坯移动至准确位置，避免在仿真分析中发生加工错误的问题，进一步保证加工仿真分析效果。

3.1.4 数控程序的输入

利用VERICUT软件中的“数控程序”对话框功能，能够选择、输入数控程序。此时，研究人员可以结合实际需求，完成复数的数控程序的调入。

3.1.5 设置G代码

相比于其他的代码设置，G代码设置具有一定的难度，需要实现编程方法的设置以及工件坐标系的偏移设置。在这一过程中，需要提前落实不同加工件的位置设定。

3.2 仿真加工

当虚拟机床复位后，即可判定其进入待加工状态，此时，可以落实多种加工仿真操作。在VERICUT软件的支持下，加工仿真的界面可以划分左右两个视图。其中，左视图主要展示了零件、刀具的切削部位，研究人员可以利用其了解零件毛坯的去料细节；右视图主要展示了虚拟机床的实际运行情况，研究人员可以了解在加工中是否存在碰撞问题，并掌握加工中的实际运行情况。

如果在加工仿真过程中发生了干涉、过切、撞刀等问题，VERICUT软件的相应位置会表现成红色，同时在信息栏中显示提示信息。完成加工仿真后，VERICUT软件自动形成日志文件，包含着虚拟机床整个加工过程中存在的信息，具体有加工仿真启示时间与结束时间、刀轨名称、错误及警告数量等等。此时，显示的错误及警告信息能够细化到某一程度段中，实现精准定位。

在本次五轴联动数控加工仿真研究中，并未表现出欠切、过切的问题，由此可以说明，研究中使用的加工仿真模型符合设计的精度要求。

3.3 结果验证

为了进一步完成结果验证，保证基于VERICUT软件的加工仿真分析结果的准确性，笔者落实了结果验证。此时，将上述分析过程中构建起的零件仿真模型引入实际的五轴联动数控机床完成加工，得到实体零件。

对比结果显示，依托VERICUT软件完成五轴联动数控加工仿真分析的结果具有实用性与科学性，是虚拟制造及仿真分析的有效策略。

4 总结

综上所述，依托VERICUT软件建立五轴联动数控机床、复杂零件的模型展开加工仿真分析，结果显示，在加工仿真中并未表现出欠切、过切的问题，研究中使用的加工仿真模型符合设计的精度要求。同时，为了保证加工仿真结果的科学性，落实了仿真零件模型的现实生产应用，形成真实零件。验证结果显示，依托VERICUT软件完成五轴联动数控加工仿真分析的结果具有实用性与科学性，是虚拟制造及仿真分析的有效策略。

［1］刘伟昊.基于Pro/E的数控机床后置处理技术和基于VERICUT的仿真加工技术研究［D］.济南：山东大学，2019.

［2］黄振沛.VERICUT五轴联动数控机床模型建立及加工仿真［J］.智能制造，2015（7）：36-39.

2095－6835（2019）22－0138－02

TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.057

〔编辑：严丽琴〕