基于Vericut四轴联动数控加工虚拟仿真研究

以VERICUT软件为平台，针对四轴数控机床加工复杂零件容易发生碰撞和干涉的问题，本文介绍了在VERICUT软件中构建四轴机床、建立刀具库以及设置各种参数等关键技术。为四轴数控加工仿真提供了设计思路和方法。这种仿真技术的研究可以大大地减小编程风险，提高编程的效率和产品质量。

在实际的加工过程中，对于某些复杂零件在四轴联动数控机床的加工，没有一种有效的技术手段来保证数控代码的正确性，更谈不上提高数控程序的编制效率。因而，采用一种有效的技术手段来减少，甚至消除零件的实际试切，并确保数控加工程序的正确性非常必要。为此，我们希望采用加工模拟仿真软件。

VERICUT是一种专用数控加工模拟仿真软件，它采用了三维动画显示及虚拟现实技术，其数控加工模拟过程生动逼真，能够取代传统的切削试验加工方式，能够分析出机床各部件之间以及与工装夹具、刀具和刀柄之间是否发生干涉与碰撞，同时可以检测加工过程中可能存在的各种问题，避免不必要的损失。

一、VERICUT机床加工仿真过程

采用VERICUT机床加工仿真可显著提高加工效率。图1a为使用仿真软件前的工作流程，图1b为使用仿真软件后的工作流程。可见，使用仿真后，用户在进行数控编程时，可利用仿真软件随时检查编程的正确性，省去了人工的、额外的程序检查。通过仿真还可省去空走刀试切削工序。

二、设计原理

（1）通过用VERICUT软件模型建立工具，根据机床的结构特点设计一台Mazak_nexus410a型四轴数控加工中心的CAD模型。

（2）定义机床控制系统，设置控制代码及相应的参数。

（3）按照汽轮机叶片加工编程的工艺流程，建立刀具库，毛坯与夹具、机床信息，并自动添加到相应窗体中。

（4）仿真是可选择多种不同的仿真模式以适应不同需求，用户可选择实体仿真、带机床仿真、快速仿真和轨迹显示等不同模式。亦可设置模拟停止条件和仿真速度、显示NC代码等。用户可在仿真过程中随时叫停，进行工件尺寸测量。

三、构建四坐标Mazak_nexus410a仿真机床

1.建立机床组件树

Mazak_nexus410a型四轴联动加工中心包含的运动部件有X轴、Y轴、Z轴和A轴，另外就是固定的机身部件。分析机床结构，可以看出，刀具安装于Z轴运动部件上，Z轴运动部件沿机身导轨上下移动。毛坯定位于Y轴运动部件上，Y轴运动部件安装于X轴上并相对于X轴沿导轨做前后移动，A轴安装于X轴上并相对于X轴做旋转运动。本文建立的基于Mazak_nexus410a加工中心的组件树模型如图2所示。

由此可见，从刀具到毛坯的路径有两条，一条是刀具运动链，其结构为刀具Z轴机身；另一条是毛坯运动链，其结构为毛坯Y轴X轴A轴机身。

2.机床各部分三维模型的建立

为了在软件VERICUT中准确配置机床，需要建立机床三维模型。机床三维模型可用各种通用CAD软件绘制，其数据格式保存为STL文件。图3为Mazak_nexus410a型四轴联动加工中心，这里以该机床作为机床原型，建立机床三维模型，分析其三维运动链。此处三维建模在Creo2.0绘图软件中完成。

三维造型技巧：①机床各运动部件分别造型；②各运功部件设计坐标系与坐标原点位置均一样，坐标系原点可定位于理论上的机床原点。③可利用Creo自顶而下的建模方法，使得机床造型原点能自始至终保持不变。

Mazak_nexus410a型四轴联动加工中心组建树模型，如图2所示。

3.对机床进行系统参数设置

建立好的机床模型还不能进行零件的加工，需要对其进行初始化设置。

（1）机床干涉检查设置。

利用VERICUT的“机床设定”，可以进行一些机床最基本状态的设置。在仿真时，VERICUT将检查Y轴组件以及关联部件（夹具、毛坯）和Z线性轴以及关联部件（主轴、刀具）是否会产生碰撞，使用这种方法可以检查全部可能发生碰撞的部件、但会降低仿真速度，如果设置成部件干涉检查，VERICUT仿真时只会检查在列表当中存在的两个部件间的碰撞。所以设置干涉检查尽量不选用Sub-Components，而对会产生干涉的部件和其子部件分别设置，这样可以提高仿真速度。

（2）定义A轴。

“机床设定”可用于设置机床初始位置、换刀位置等细节参数。为满足本机床的需要，设置旋转头，定义第四轴参数。①选Attach（0，0，0）图标，点鼠标右键，添加A轴，将会在Attach（0，0，0）下出现A（0，0，0）图标。为了保证A轴和夹具的配合，需要将A（0，0，0）修改成A（-160，-130，130）。②选中A（-160，-130，130）图标，点鼠标右键，然后根据提示选择前面Creo2.0输出A.stl文件模型。

（3）机床行程设置。

在“机床设定”（Maching Setting）对话框中单击“行程极限”（Travel Limits）标签。选中“超程错误”（Log Error for Over Travel）和“允许运动超出限制”（Allow Motion Beyond Limit）复选框。列表框设置内容如图4所示。

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，本例中将加载VERICUT自带的控制系统sin840d.ctl。

在项目树中，双击图标，弹出“打开控制系统”（Open Control）对话框。在Shortcut下拉列表框中选择“机床库”（Library），选择sin840d.ctl，单击“打开”（Open）按钮。完成控制系统添加，机床自动初始化到如上定义的初始位置。

四、机床刀具库的建立

在VERICUT系统刀具资料库中建立刀具，其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等，如图5、图6所示。

五、虚拟机床的仿真加工

在完成了机床建模、添加刀具、工装、毛坯、数控程序以及设置程序零点后，就可以在机床上进行仿真加工了。

本文以叶片加工为例介绍利用VERICUT系统进行机床仿真加工的过程。

1.仿真加工前的准备工作

（1）调出机床和刀具库。在VERICUT系统菜单中调出前面建立的虚拟四轴机床和刀具库。

（2）安装夹具。①在组件树中选X（0，0，0）图标，点鼠标右键，在X（0，0，0）图标下面将出现Attach（0，0，0）图标。②选Attach（0，0，0）图标，点鼠标右键，添加夹具，将会在Attach（0，0，0）下出现Fixture（0，0，0）图标。③选Fixture（0，0，0）图标，点鼠标右键，然后根据提示，选择前面creo2.0输出的base.stl文件模型。需要调整夹具模型的位置，使夹具模型在工作台上的位置适当。

（3）建立或导入工件模型。工件模型是要提供使用者观察整个NC加工模拟完的结果，而在VERICUT系统中要取得工件模型的资料有两种方式：第一种方式由VERICUT系统本身建立工件模型；而另一种方式由外部系统产生工件模型，然后将工件模型与四轴数控机床的结构整合。

（4）导入NC程序。在项目树中单击“数控程序”选项，在下面的“配置NC程序”中单击“添加NC程序文件”按钮可以同时调入多个所需要调入的数控程序。

（5）设置G代码偏置。G代码设置比较复杂，主要包括编程方法和工件坐标系的偏移设置，这些设置要根据不同的加工进行相应的设置。在项目树中单击“G代码偏置”选项，在下面的“配置G-代码偏置”选项中单击“添加”按钮，在设置“工作偏置”中，按照图7所示的对话框进行配置，并在“调整到位置（0，0，0）”选项中单击右边“光标”按钮，然后选择毛坯的中心，可以看到“调整到位置（0，0，0）”变成了“调整到位置（0，0，-1.5）”。

2.Mazak_nexus410a型四轴联动加工中心NC加工的模拟

VERICUT系统的NC加工模拟包含了可以执行单行程式的单行执行模拟及完整NC加工模拟，说明如下。

（1）单行执行模拟。使用单行执行模拟可对NC程式做单行执行的动作，该方式主要用以观察切削刀具的初始位置是否正确。如图8所示，开启NC程序并执行模拟至呼叫刀具处。

（2）完整NC加工模拟。运用VERICUT内部的双视窗模式并搭配手动控制模拟速度的调整，一个视窗可让使用者清楚观察Mazak_nexus410a型四轴联动加工中心各个机构实际运动的情形，另一个视窗可以让使用者观察刀具切削工件模拟的情形。如图9所示，为本例NC加工模拟过程中的四轴联动加工中心对叶片进行仿真的界面，切削时每一点位置的刀具向量皆为曲面的法线向量。

六、结语

通过上述设计，用一台Mazak_nexus410a型四轴数控加工中心加工叶片的过程就可以完全真实地模拟出来了。此方式能够对加工程序下现场前进行反复调试，在不消耗材料、能源、不占用机床时间的情况下得到正确的数控加工程序，可取代试验件和传统试切方法。并且该方法可缩短研制周期，降低生产成本，减少了数控程序校验时间，提高了数控设备利用率，缩短了数控程序调试时间，满足了数控加工模拟仿真的要求。