VERICUT虚拟机床建模技术过程概述

　　0 引言

　　对于多轴联动的数控机床，在加工过程中难免会发生王件过切、欠切以及机床碰撞等问题。如果在加工前能够通过虚拟加工，预先发现制造过程中存在的各种问题，及时修改加工程序，避免加工中出现废料，不仅会节省加工成本，而且会有效提高机床的加工效率，并使企业朝绿色制造的方向发展。

　　美国CGTECH公司开发的VERICUT软件，专门用于数控机床加工过程的仿真，可以建立机床实体模型，虚拟真实的切削环境，仿真数控机床加工的整个过程，因而被广泛应用于航空、航天、汽车、机床和重工业制造以及教育领域等。美国波音公司、福特汽车公司以及国内许多企业如沈飞等都已经把VERICUT软件用在生产实践中，许多学校也把VERICUT软件应用于数控教学和科研实践中。

　　本文作者总结了VERICUT软件的虚拟加工的整个过程，并以三轴积五轴联动的数控机床为例，重点阐述了基于机床各部件的运动关系和几何关系，在VERICUT中建立机床虚拟模型的关键技术和方法。

　　1 VERICUT软件的主要功能

　　VERICUT软件具有很多功能模块，可以实现机床仿真和程序验证、程序优化以及形成数控加工工艺文档等。通过仿真及程序校验，以减少实际加工中切坏工件、返工、刀具折断、机床碰撞等错误发生的概率，保证加工过程中的安全性;通过对加工程序的优化，以减少加工时间、提高零件表面质量，提高机床的加工效率和使用效率。

　　2 基干VERICUT数控机床加工仿真过程

　　基予VERICUT的仿真过程如下：

　　(1)调用或建立相应的机床模型文件(机床文件);

　　(2)调用或建立机床相配的控制系统文件;

　　(3)建立并调用刀具库文件;

　　(4)选择仿真的NC程序;

　　(5)设定编程原点;

　　(6)设置碰撞捡测等参数;

　　(7)仿真加工(并记录仿真过程);

　　(8)分析零件，把设计实体同切削过后的实体进行自动比较;

　　(9)优纯数控搬王过程;

　　(10)形成数控加工工艺文档。

　　其中数控机床的虚拟模型的建立是虚拟制造的基础与核心，仿真加工过程的关键是要在VERICUT环境中，建立起数控机床的虚拟模型，才能对数控加工过程进行真实模拟。

　　3 机床建模的基本概念及关键技术

　　3.1 机床建模的概念与操作

　　基于VERICUT软件可以对数控机床的本体，控制系统、刀具库、以及卡具、毛坯等虚拟建模，通过选择加工程序等就可以实现对整个加工过程的真实模拟。所以在仿真过程中的关键首先是建立相应的数控机床模型。机床模型可以通过导入外部各个零部件的模型文件，也可以通过系统提供的基本体素直接在VERICUT中建立。

　　在VERICUT中，机床建模的操作非常简单，只需要点击相应工程的组件树图标(Compent Tree)，在弹出的组件树框架中，从Base(机体)开始，点击右键，通过Append(添加)命令，逐一添加机床各运动部件，就可以建立起机床的基本框架，如图1所示。

　　图1 机床模型树建立界面与操作方法

　　建模的难点在于分析数控机床各部件的运动关系及各部件之间的几何关系。以下以多轴联动机床为例，详细阐述在VERICUT中，虚拟机床建模的基本概念、方法与关键技术。

　　3.2 三轴联动机床建模的方法与关键技术

　　数控机床根据联动轴数通常可分为三轴联动、四轴联动和五轴联动的数控机床，以下通过实例，分别通过对三轴和五轴联动数控机床各部件之间的运动关系的分析，说明建立其相应组件树的具体方法与过程。

　　数控机床有三个线性坐标X、Y、Z和分别绕着X、Y、Z旋转的三个旋转坐标A、B、C。通常，三轴联动一般为三个直线坐标能够同时进行插补运动，四轴联动指三个线性坐标加上一个旋转坐标，五轴联动指三个线性坐标加上两个旋转坐标共同实现空间运动。在建立数控机床模型时，首先需要构建机床组件树，该组件树和机床的实际结构相关，所以首先需要分析实际机床各个组件之间的运动关系。

　　在分析机床各组件运动关系时，关键是要抓住两条主要的运动链：一个是“机架-刀具”传动链，一个是“机架-毛坯”传动链。这两条传动链构成了数控机床的基本模型。机床建模时，分别从毛坯和刀具两个方面人手，依次找到各自对应的运动链，就可建立起整个机床的运动模型。

　　以下分别以三轴立式铣床和卧式铣床为例进行分析说明。对于三轴立铣，如图2所示，主轴带着刀具通过立柱沿z向运动，形成“机架-刀具”传动链;毛坯装卡在沿X向运动的工作台上，该组件又和实现y向运动的组件连接，形成“机架-毛坯”传动链链，如下所示。

　　图2 三轴数控立铣

　　根据以上对机床部件运动部件的分析而形成的两大传动链，按照图1介绍的机床建模的操作方法，就可以建立起机床所对应的组件树，如图3所示。

　　图3 三轴数控立铣组件树

　　对于三轴卧铣，如图4所示，主轴带着刀具，通过立柱沿Y向运动，该运动组件和实现X方向运动的组件相连，形成“机架-刀具”传动链;毛坯附着在沿Z向运动的组件上，形成“机架-毛坯”传动链，如下所示。

　　图4 三轴数控卧铣

　　根据以上对橇床部件运动部绛的分粝秀形成的两大传动链，就可以建立起机床酝对应的组侔树，如图5所示。

图5 三轴数控卧铣组件树

　　3.3 五联动机床建模的方法与荧键技术

　　在对三轴数控立铣和数控卧铣机床建模的基础上，以5轴为例，进一步研究数控机床的建模的方法与关键技术。

　　如图6所示的五轴立铣加工中心，根据机床的实际运动结构，首先找到两大传动链。主轴带着刀具通过立柱沿着Z向运动，该运动组件和实现y向运动的组建相连，沿y向运动的组件又和沿X方向运动的组件相连，形成整个刀具传动链。毛坯装卡在实现C向转动的组件上，该组件又和在实现B向旋转的组件相连，共同构成毛坯传动链，如下所示。

　　图6 五轴数控机床                                            图7 五轴数控机床组件树

　　根据以上对机床部件的分析而形成的两大链组件，就可以建立起机床所对应的组件树，如图7所示。

　　3.4 添加组件的几何模型

　　根据机床运动模型，建立好组件树后，接下来就可以对相应部件添加对应的几何模型。可以将通过CAD软件在外部建立起来组件模型文件直接调入，也可以在组件树中直接建立各个组件的模型，并按照一定的装配关系使各组件准确定位。机床各个组件定位过程中，均以机床坐标系作为各组件的定位参照。

　　为简化建模过程，不要求完全按照实际机床的零部件的结构形状进行建模，只需建立运动单元的简单外形，但是对加工有影响的尺寸，如机床零部件的基准和控制尺寸等应该与实际机床相一致。

　　3.5 设置机束参数

　　根据机床的实际情况确定初始位置，设定各坐标轴行程等，以进行超程、碰撞干涉等检测。

　　这样通过对实际机床运动模型和几何模型的分析，就建立了数控枧床盼虚拟模型，为实际机床的仿真加工奠定了重要基础。

　　4 结论

　　分别以三轴和五轴联动的数控机床的建模为例，提出了使用VERICUT软件进行虚拟数控机床建模的基本方法的关键技术，为数控机床的虚拟制造奠定了重要基础。并且该方法对于在VERICUT环境下，建立其它类型的机床模型具有指导性意义。