0 引言

　　對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，在加工過程中難免會(huì)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(shí)修改加工程序，避免加工中出現(xiàn)廢料，不僅會(huì)節(jié)省加工成本，而且會(huì)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(guó)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(shí)體模型，虛擬真實(shí)的切削環(huán)境，仿真數(shù)控機(jī)床加工的整個(gè)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(guó)波音公司、福特汽車公司以及國(guó)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(shí)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(shí)踐中。

　　本文作者總結(jié)了VERICUT軟件的虛擬加工的整個(gè)過程，并以三軸積五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床為例，重點(diǎn)闡述了基于機(jī)床各部件的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)床仿真和程序驗(yàn)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(yàn)，以減少實(shí)際加工中切壞工件、返工、刀具折斷、機(jī)床碰撞等錯(cuò)誤發(fā)生的概率，保證加工過程中的安全性;通過對(duì)加工程序的優(yōu)化，以減少加工時(shí)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(kù)文件;

　　(4)選擇仿真的NC程序;

　　(5)設(shè)定編程原點(diǎn);

　　(6)設(shè)置碰撞撿測(cè)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(jì)實(shí)體同切削過后的實(shí)體進(jìn)行自動(dòng)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(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行真實(shí)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(duì)數(shù)控機(jī)床的本體，控制系統(tǒng)、刀具庫(kù)、以及卡具、毛坯等虛擬建模，通過選擇加工程序等就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加工過程的真實(shí)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(gè)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(jiǎn)單，只需要點(diǎn)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(diǎn)擊右鍵，通過Append(添加)命令，逐一添加機(jī)床各運(yùn)動(dòng)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(diǎn)在于分析數(shù)控機(jī)床各部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及各部件之間的幾何關(guān)系。以下以多軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸數(shù)通常可分為三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)和五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，以下通過實(shí)例，分別通過對(duì)三軸和五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床各部件之間的運(yùn)動(dòng)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(gè)線性坐標(biāo)X、Y、Z和分別繞著X、Y、Z旋轉(zhuǎn)的三個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C。通常，三軸聯(lián)動(dòng)一般為三個(gè)直線坐標(biāo)能夠同時(shí)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，四軸聯(lián)動(dòng)指三個(gè)線性坐標(biāo)加上一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，五軸聯(lián)動(dòng)指三個(gè)線性坐標(biāo)加上兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)共同實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)。在建立數(shù)控機(jī)床模型時(shí)，首先需要構(gòu)建機(jī)床組件樹，該組件樹和機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)相關(guān)，所以首先需要分析實(shí)際機(jī)床各個(gè)組件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

　　在分析機(jī)床各組件運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)，關(guān)鍵是要抓住兩條主要的運(yùn)動(dòng)鏈：一個(gè)是“機(jī)架-刀具”傳動(dòng)鏈，一個(gè)是“機(jī)架-毛坯”傳動(dòng)鏈。這兩條傳動(dòng)鏈構(gòu)成了數(shù)控機(jī)床的基本模型。機(jī)床建模時(shí)，分別從毛坯和刀具兩個(gè)方面人手，依次找到各自對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)鏈，就可建立起整個(gè)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)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(duì)于三軸立銑，如圖2所示，主軸帶著刀具通過立柱沿z向運(yùn)動(dòng)，形成“機(jī)架-刀具”傳動(dòng)鏈;毛坯裝卡在沿X向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)上，該組件又和實(shí)現(xiàn)y向運(yùn)動(dòng)的組件連接，形成“機(jī)架-毛坯”傳動(dòng)鏈鏈，如下所示。

　　圖2 三軸數(shù)控立銑

　　根據(jù)以上對(duì)機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)部件的分析而形成的兩大傳動(dòng)鏈，按照?qǐng)D1介紹的機(jī)床建模的操作方法，就可以建立起機(jī)床所對(duì)應(yīng)的組件樹，如圖3所示。

　　圖3 三軸數(shù)控立銑組件樹

　　對(duì)于三軸臥銑，如圖4所示，主軸帶著刀具，通過立柱沿Y向運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)組件和實(shí)現(xiàn)X方向運(yùn)動(dòng)的組件相連，形成“機(jī)架-刀具”傳動(dòng)鏈;毛坯附著在沿Z向運(yùn)動(dòng)的組件上，形成“機(jī)架-毛坯”傳動(dòng)鏈，如下所示。

　　圖4 三軸數(shù)控臥銑

　　根據(jù)以上對(duì)橇床部件運(yùn)動(dòng)部絳的分糲秀形成的兩大傳動(dòng)鏈，就可以建立起機(jī)床醞對(duì)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(dòng)機(jī)床建模的方法與熒鍵技術(shù)

　　在對(duì)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(shí)際運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，首先找到兩大傳動(dòng)鏈。主軸帶著刀具通過立柱沿著Z向運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)組件和實(shí)現(xiàn)y向運(yùn)動(dòng)的組建相連，沿y向運(yùn)動(dòng)的組件又和沿X方向運(yùn)動(dòng)的組件相連，形成整個(gè)刀具傳動(dòng)鏈。毛坯裝卡在實(shí)現(xiàn)C向轉(zhuǎn)動(dòng)的組件上，該組件又和在實(shí)現(xiàn)B向旋轉(zhuǎn)的組件相連，共同構(gòu)成毛坯傳動(dòng)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(duì)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(duì)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(yùn)動(dòng)模型，建立好組件樹后，接下來就可以對(duì)相應(yīng)部件添加對(duì)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(gè)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(gè)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(jiǎn)化建模過程，不要求完全按照實(shí)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(yùn)動(dòng)單元的簡(jiǎn)單外形，但是對(duì)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(shí)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(shí)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(cè)。

　　這樣通過對(duì)實(shí)際機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(duì)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。