李 芳，刘 凯，王 昊，赵东标

(1.南京航空航天大学 金城学院，南京 211156;2.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016)

0 引言

五轴联动数控机床在复杂曲面零部件的生产制造以及航空航天、汽车、轮船和模具等行业中具有显著的优势和重要的现实意义［1-3］。由于五轴联动数控加工中刀具路径复杂，需要三个直线轴和两个旋转轴的插补运动，NC 代码的数据繁多，出错几率大，而且靠人工检查程序的正确性几乎不可能，因此使用数控仿真来模拟五轴联动数控加工很有必要［4-6］。VERICUT 软件是美国CGTECH 公司开发的一款数控加工仿真及优化软件，可以同时进行刀具轨迹和机床运动的仿真，能真实地模拟实际加工过程中刀具切削零件和机床各个轴的运动情况，并能进行碰撞的检测，是数控加工仿真软件领域的佼佼者［7］。本文采用VERICUT 软件进行双转台五轴数控微型铣床的数控加工仿真。

1 五轴数控微型铣床模型的建立

双转台式五轴机床是五轴数控机床中比较常见的一种，两个旋转轴都在工件运动链一侧，总体刚性较高，旋转坐标行程范围较大，工艺性能好［8］。本文采用的双转台五轴数控微型铣床如图1 所示，其中，直线导轨和旋转运动部件的各个轴均采用步进电机驱动，并带有光电开关对行程进行限位，精密滚珠丝杠螺距为1mm;两个旋转部件采用蜗轮蜗杆结构形式，传动比为1:60。各轴运动范围XYZ100mm ×100mm×100mm，A 轴－60° ～110°，C 轴－ 180° ～180°。该五轴联动数控平台控制系统采用“PC +可编程运动控制器”结构的开放式控制系统:以通用PC 机为硬件平台，MPC08SP 运动控制卡为控制核心，双CPU 并行通信，其特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资源。

图1 双转台五轴数控微型铣床

在使用VERICUT 软件进行数控仿真加工时，不仅可以直接选取软件自带的各种常见机床模型，同时也可以通过三维造型软件先建好机床模型，再将机床模型文件导出为VERICUT 软件可以识别的文件格式，最后导入到VERICUT 中。本文采用后一种方法进行仿真加工验证，详细步骤如下:

(1)在UG 软件中建立微型铣床三维实体模型，建模过程中，各个部件的基准及控制尺寸与实物部件严格一致。

(2)对UG 软件中的铣床三维模型，以每个运动单元为一个模块导出为VERICUT 软件可以识别的stl 格式，分别是:Base 文件、Y 轴文件、X 轴文件、Z 轴文件、Spindle 文件、Tool 文件、A 轴文件、C 轴文件［9-10］。

(3)在VERICUT 软件中，根据五轴微型铣床的实际结构，在Component Tree 中，按照Base→Y→X →Z→Spindle→Tool，Base→A→C→fixture→stock 的顺序定义机床各组成部分，构建机床组件树，如图2 所示。

图2 机床部件树

(4)先选中Base(0，0，0)，在下方的添加模型文件中，选取(2)中相应的stl 格式文件(即Base 文件)添加进来。按照同样的方法，依次为项目树中的各组件配置机床实体模型，完成机床各部件的装配。

(5)机床运动结构定义完成后，需要对机床进行初始化的设置，打开“配置→机床设定”对话框，完成机床起始位置、行程等初始化设置。

经过以上配置，在VERICUT 软件中建立了如图3 所示的五轴数控铣床仿真模型。

图3 铣床仿真模型

2 在VERICUT 中的加工仿真

五轴联动数控加工过程中，应该防止刀轴矢量频繁变化导致的撞刀、干涉现象，下面在VERICUT软件中对数控加工进行检验。

选取如图4 所示的人脸模型在UG 软件中进行CAM 加工，毛坯选用30mm×40 mm×37 mm 的亚克力方料。粗加工采用型腔铣，刀具4mm 立铣刀，刀刃长大于20mm，步距恒定为1mm，全局每刀深度为1mm，加工余量为0.5mm;精加工采用可变轮廓铣，刀具3mm 球铣刀，刀刃长大于10mm，采用表面积驱动方法(驱动曲面为一平面截得球面的一部分)，加工余量为0。

图4 人脸的UG 模型

将加工坐标系的零点设在毛坯上表面的正中心。机床本身第四根轴(A 轴)与第五根轴(C 轴)在Z 向的偏移为28mm，加上毛坯厚度37mm，根据二者之和对后处理构造器(post-builder)进行参数设置。然后经后处理构造器导出五轴联动数控加工程序。

在VERICUT 软件中细化配置，完成加工前的准备工作，具体如下:

(1)根据机床的双旋转工作台式的结构布局以及各轴之间的运动依附关系，选择机床文件库中的“fan0m.ctl”文件，作为机床的控制系统。

(2)对照毛坯尺寸，给机床项目树的“stock”组件添加与亚克力毛坯尺寸大小一致的方块，并调整毛坯的位置，使其处于工作台上表面的正中心。

(3)在VERICUT 软件中建立刀具库，依照零件在CAM 后处理加工中对应的刀具尺寸参数及刀具号，对刀具进行设置。

(4)加载数控加工程序，并设置加工坐标系和机床零位，重置模型，进行仿真加工。

在VERICUT 环境下仿真加工过程及结果分别如图5 和图6 所示。通过虚拟加工，可以检查加工程序是否合理以及是否会发生刀具干涉现象，从而对加工过程中出现的问题进行分析修正，直到加工程序最终满足实际要求。

图5 仿真加工过程

图6 仿真加工结果

3 实际加工验证

人脸加工程序在VERICUT 中的仿真加工结果达到了人脸模型的精度要求，下面在铣床平台上进行人脸的实例加工。在本课题编写的数控系统中，将已通过仿真验证的人脸加工程序读入系统并进行实例加工。最终人脸加工结果如图7 所示。将实例加工结果与VERICUT 软件仿真结果进行对比可以发现，实际加工结果与人脸模型在细节上完全一致，达到了五轴加工的精度要求。

图7 五轴联动加工样件

4 结束语

基于VERICUT 的数控加工仿真技术可以形象直观地模拟数控加工的全过程，进行数控程序的检验，分析零件的可加工性和工序的合理性，从而缩短产品的研制周期，降低成本，提高产品质量。本文采用VERICUT 软件进行了典型零件的五轴加工仿真，并且通过实际加工对该虚拟仿真进行了验证。今后，可以在该数控微型铣床虚拟平台上进一步开展五轴数控加工技术的研究。

［1］杨旭静，周元生，陈泽忠，等. 五轴数控加工中旋转轴运动引起的非线性误差分析及控制［J］. 机械工程学报，2012，48(3):222－223.

［2］郑飚默，林浒，盖丽荣，等. 五轴数控系统旋转轴快速平滑插补控制策略［J］. 机械工程学报，2011，47(9):105－111.

［3］唐清春，何俊，赖玉活. 五轴联动加工中工装及旋转误差补偿方法的研究［J］. 组合机床与自动化加工技术，2011(7):57－59.

［4］左晓明，吴海兵，陈小岗. 非正交双转台加工中心五轴定位铣削的后置处理与仿真验证［J］. 机械科学与技术，2012，31(1):154－158.

［5］任永强，杨建国. 五轴数控机床综合误差补偿解耦研究［J］. 机械工程学报，2004，40(2):55－59.

［6］何俊，赖玉活，唐清春，等. 双转台五轴联动机床后置处理误差补偿算法的研究［J］. 组合机床与自动化加工技术，2011(9):24－27.

［7］张惠林，轩继花，姜士湖. 基于VERICUT 的五轴联动数控加工仿真［J］. 现代制造工程，2006(7):125－127.

［8］王秀山，杨建国，余永昌，等. 双转台五轴数控机床热误差建模、检测及补偿试验研究［J］. 中国机械工程，2009，20(4):405－408.

［9］曾志迎，贾育秦，闵学习. 基于VERICUT 的五轴数控加工仿真研究［J］. 信息技术，2011(7):108－109.

［10］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.