钟如全

（四川信息职业技术学院 机电工程系 四川广元 628017）

在《中国制造2025》中明确提出发展高档数控机床，为了适应社会的需求，很多企业及职业院校都购买了五轴数控机床。由于在五轴联动加工过程中，刀具旋转或工件旋转很容易发生干涉和碰撞现象，造成工件、刀具甚至机床的损坏。因此，在实际加工前，必须进行虚拟仿真加工。虚拟仿真加工技术作为先进制造技术的关键技术之一，其技术的应用成为制造企业加工过程中急待解决的重大研究课题，也是有效提高数控设备利用率、提升数控技术应用水平的技术关键。

本文采用VERICUT7.4数控加工仿真软件，按照DMU 50五轴加工中心的真实机床参数，建立了该机床的虚拟机床，并通过对叶轮的实际加工验证了模拟仿真的正确性。

1 DMU50五轴加工中心虚拟机床的建立

VERICUT机床构建的过程就是根据数控机床实体按照运动逻辑关系进行分解，并为各部件构筑较为简单的数学模型，然后按照它们的逻辑结构关系进行“装配”。装配后的机床能够真实地再现机床的运动轨迹，并能够完成真实机床中的各个运动关系，以及进行数控程序验证、机床模拟、安全检测、程序优化等。其最终目标是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，用于仿真和评估各加工过程对产品质量的影响。

1.1 建立机床运动轴组件拓扑结构

要建立VERICUT机床模型拓扑结构，必须先了解实际机床的拓扑结构以及实际机床各轴运动关系的相关参数。根据DMU50五轴加工中心机床结构，以及DMU50机床各轴之间的运动关系，抽象提炼出DMU50的机床结构包括床身、X轴、Y轴、Z轴、主轴、旋转轴B轴和C轴等几个部分。依据DMU50数控机床的拓扑结构及运动关系，就可以建立该机床在VERICUT中的组件树，形成机床的运动学模型。本论文建立的基于DMU50五轴加工中心的组件树如图1所示。

图1 DMU50组件树

1.2 机床各部分三维模型的建立

拓扑结构建立好之后，就可以向各组件添加三维模型，如X/Y/Z/B/C轴、床身、主轴等，模型添加后就可以进行装配，生成整个机床的空间立体模型。由于5坐标机床的干涉和碰撞主要发生在旋转轴、主轴与零件及夹具之间，所以组件模型的尺寸大小、坐标位置关系必须与实际机床结构完全相同，这样才能真实地将干涉、碰撞检查出来。而X、Y、Z轴的组件模型则做了简化，但模型的尺寸大小和位置关系必须与实际机床结构完全相同。由于机床模型复杂，所以先在UG等三维软件中构建机床三维模型，然后以组件为单位逐个输出STL格式模型文件，注意输出组件模型时的参考坐标系和VERICUT中相应的组件坐标系匹配，再以组件为单位导入到VERICUT中。

完成机床几何模型的虚拟机床，如图2所示。其主要几何参数与DMU50机床一致，机床原点定在B轴的旋转中心与C轴旋转中心的交点处。完成机床几何建模后的完整组件树，如图3所示。

图2 DMU50虚拟机床图

图3 DMU50完整组件树

在对机床进行装配时，坐标轴位置关系必须与实际机床结构完全相同，因此，在装配机床前，可以先在UG软件中确定各坐标轴的位置关系，量出建模时各轴之间的位置关系，例如，在UG软件中测量出X轴到基点的距离为“-50 0 0”，则将X轴模型导入到VERICUT软件中时，然后在VERICUT软件中通过在“移动”标签中，在“位置”文本框中输入相应的坐标值，如X轴与基点间的坐标为“-50 0 0”，则将X轴移动到机床的X轴零点位置。

1.3 DMU50五轴虚拟机床系统参数设定

机床各部分按运动结构装配完成后，需要对机床进行初始化设置，如机床干涉检查、机床初始化设置、机床行程等。这些参数一般可以从机床厂家得到，如果没有这些参数则可以通过实际操作来测量出这些数据。

1.4 机床数控系统的选择

机床初始化定义完成后，需要加载机床的控制系统。在项目树中，打开控制系统对话框，选择所需要的系统。由于 DMU50机床配置的系统是SIEMENS840D，故本论文选用的也是该数控系统。完成控制系统添加后，机床自动初始化到如上定义的初始位置。

2 虚拟机床的仿真加工前准备

通过以上的步骤，已经建立完成机床的运动模型和控制系统，可以在机床上进行仿真加工了。在仿真加工前必须做如下准备工作。

(1)调出机床。

(2)调出刀具库。

(3)设定夹具。为了能够更加逼真的进行仿真，夹具的设定必须与实际机床加工的夹具设置为一致。

(4)放置零件毛坯。为了能够更加逼真的进行仿真，毛坯的设定也必须与实际机床加工的毛坯设置为一致。毛坯可以通过UG建模软件将毛坯建立，然后将格式转换成STL文件，通过数据接口导入到VERICUT中，并将毛坯移动到正确的位置。安装夹具及零件毛坯的虚拟机床如图4所示。

(5)调入数控程序。

(6)G代码设置。

图4 放置毛坯虚拟机床图

3 虚拟机床的仿真加工

添加刀具、工装、毛坯、数控程序以及设置程序零点后，仿真的前期工作就全部准备完毕。在VERICUT系统在进行仿真加工时可以将界面分为两个视图，其中一个“零件”视图，用于显示刀具和零件的切削部分，可以非常清楚地表现出毛坯的去除细节。另一个视图为“机床/切削模型”视图，可以方便的观察出机床运动时刀具是否与机床其他部件间发生碰撞，若碰撞则会出现相应的红色显示。这样既有加工细节又有整体效果的显示方式体现了VERICUT系统在加工显示上的优越性。如图5所示为虚拟加工后的零件。

图5 虚拟加工后的零件

4 结语

在五轴联动加工中，虚拟仿真技术是实际加工前的一项关键技术，它通过提前模拟刀具的切削轨迹、机床的运动以及被加工工件的切削过程等，提前发现存在的不足，避免不必要的损失。通过虚拟仿真技术的研究，可以很大程度上缩短多轴加工的准备时间，优化加工程序，同时起到对机床、刀具以及工件的保护作用。在此项目中，通过虚拟机床对整体叶轮的仿真，达到了仿真加工的目的，并在DMU50五轴加工中心上实际加工验证，完全符合要求。因此，DMU50五轴加工中心仿真系统从理论到实际是可行的。通过虚拟仿真技术的研究，可以很大程度上缩短五轴加工的准备时间，优化加工程序，同时起到对机床、刀具及工件的保护作用，为企业带来经济效益。