基于VERICUT多轴联动数控机床仿真加工效果对比与研究.pdf

2 0 1 1年 7月 第 3 9卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAU 『LI CS J u 1 ． 2 0l l Vo 1 ． 3 9 No ． 1 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 0 5 基于 V E R I C U T多轴联动数控机床仿真加工效果对比与研究 詹沛枝 ，阳林 ，元宇鹏 广东省特种设备检测院东莞分院，广 东东莞 5 2 3 1 2 0 摘要 加工仿真是虚拟制造的核心技术之一，为产品的可制造性提供关键数据。介绍利用 V E R I C U T建立机床仿真模 型的方法及过程，同时建立三、四和五轴联动数控机床模型，并对其加工效果进行比较，总结各数控机床的加工特点 ，为 数控机床的选用和研究提供参考。 关键词V E R I C U T软件；数控机床；加工仿真；加工效果 中图分类号T G 6 5 9 ；T P 3 9 1 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4 0 1 4 4 Th e Co mpa r i s o n a nd Re s e a r c h o f M a c hi n i ng Effe c t s f o r M ul t i - a x i s NC M a c h i n e To o l s Ba s e d o n VERI CUT ZHAN P e i z h i ． YANG Li n． YUAN Yu pe n g D o n g g u a n B r a n c h o f S p e c i a l E q u i p me n t I n s p e c t i o n I n s t i t u t e i n G u a n g d o n g P r o v i n c e ， D o n g g u a n G u a n g d o n g 5 2 3 1 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t C NC ma c h i n i n g s i mu l a t i o n i s o n e o f t h e c o r e t e c h n o l o g i e s o f v i r t u a l ma n u f a c t u r i n g w h i c h o f f e r s i mp o r t a n t d a t a f o r t h e a n a l y s i s o f p r o d u c t ma n u f a c t u r i n g ． T h e me t h o d a n d p r o c e s s o f e s t a b l i s h i n g NC ma c h i n e t o o ]s i mu l a t i o n mo d e l b a s e d o n V ER I CU T w e r e i n t r o d u c e d ．T h e ma c h i n i n g r e s u l t s o f t h r e e - a x i s 。f o u r axi s a n d fi v e ax i s NC ma c h i n e t o o l s w e r e c o mp a r e d ．T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f e a c h N C ma c h i n e t o o l w e r e s u mma riz e d ．I t p r o v i d e s r e f e r e n c e for s t u d y a n d s e l e c t i o n o f N C ma c h i n e t o o l s ． Ke y wo r d s VE RI CU T s o f t wa r e ；NC ma c h i n e t o o l ； Ma c h i n i n g s i mu l a t i o n； Ma c h i n i n g r e s u l t s 随着制造技术水平的不断提高，现代制造技术逐 渐向集成化方向发展。同时，在现代制造业竞争日趋 激烈、产品换型时间不断缩短的今天 ，要想在开发过 程中节约成本，提高效率，并在竞争中取胜，在设计 制造流程中引入先进的 C A D ／ C A E ／ C A M技术、仿真 优化技术显得尤为必要。V E R I C U T是 由美国 C g t e c h 公司开发的数控加工仿真专用软件，采用先进的三维 显示及虚拟现实技术 ，对数控加工过程的模拟达到 了 逼真的程度，比传统的刀路轨迹仿真更接近于实际加 工情况。同时，还具有对刀具轨迹进行验证分析和优 化功能 ，能够提高零件加工效率、缩短加工时间和制 造周期 卜 。 文中以 Z X K 一 3 2 B数控铣床为例，介绍了数控机 床在 V E R I C U T系统 中的建模过程，包括机床的结构 分析、机床组件模型的建立、机床参数的设置、机床 控制系统的定义和刀具库的创建等。同时，以类似于 Z X K - 3 2 B数控铣床建模的方法 ，完成 g - x k 5 3 2 5机床 、 L E A D WE L L MC V - 7 6 0 B P 机 床 、 L E A D WE L L MC H ． 5 0 0 D机床和 H U R C O V T x u五轴加工中心的建模。然 后运用各种机床模型对轿车仪表盘模具型芯进行仿真 加工，并应用 V E R I C U T软件的 A U T O D I F F模块 ，从 加工质量和加工效率两个方面，对其加工效果进行了 比较 和分析 。 1 数控机床仿真平台的建立 建立数控仿真环境就是在计算机上建立虚拟的数 控机床模型、控制系统、刀具库等，通过添加 毛坯、 调用数控程序，就可以在 P c机上观看到和机床加工一 样的效果，因此建立数控机床仿真环境是进行切削仿 真的基础 。下 面以 Z X K 一 3 2 B数控铣床 为例 ，介绍 在 V E R I C U T系统中建立数控机床仿真模型的过程。 1 ． 1 机床 结构 分析 Z X K ． 3 2 B机床为三轴联 动数控铣 床 ， 轴行 程为 5 5 0 m m，Y轴行 程 为 3 2 0 m m，z轴 行 程 为 3 0 0 h i m， 主轴最高转速可达6 0 0 0 r ／ m i n ，主轴电机功率 3 k W。 其主要 由床身、立柱 、运动轴和工作台等部件 ，再配 合刀具、夹具和辅助部件共同组成 ，机床的运动关系 如 图 1 所示 。 ■ 图 1 Z X K - 3 2 B机床运动关系 收稿 日期 2 0 1 0 0 70 l 一 作者简介詹沛枝 1 9 8 4 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为电动汽车关键技术。电话1 3 2 0 2 0 3 4 7 8 0 ，E ma i l z h a n p e i z h i 1 2 6．c o n。 第 1 4期 詹沛枝 等基于 V E R I C U T多轴联动数控机床仿真加工效果对比与研究 1 5 I ． 2 建立机床组件模型 在 V E R I C U T中新建 一 个 P r o j e c t ，然 后 在 主菜 单 中选 择 C o n f i g u r a t i o n C o m p o n e n t T r e e命令 ，打 开 “ C o m p o n e n t T r e e ”窗 口。在该窗 口中建立机床运 动 关系和定义机床各个组件，步骤为定义“ B a s e ” 部 件一定义“ Y ” 轴一定义“ x” 轴一添加“ A t t a c h ” 部件一 定义机床夹具一设置 毛胚 “ S t o c k ” 部 件一定义 “ z ” 轴一定义“ S p i n d l e ” 刀具轴一定义刀具换刀点 G a g e P o i n t 。其 中，机床 顶部部 件运 动顺序 为 b a s eZ l i n e a r s p i n d l e t o o l ，机床底座部件运动顺序 b a s e Y l i n e a rX l i n e a rs t o c k d e s i g n 。机床结构简图和 组件树如图 2 所示。 图2 Z X K ． 3 2 B机床结构简图和组件树 1 ． 3 机 床 参数 设 置 机床组件模型完成后，需要参考机床手册，选择 C o n f i g u r a t i o n M a c h i n g S e t t i n g命 令 ，打 开 Ma c h i n e S e t t i n g s 窗 口，对机床干涉检查、机床初始化位置、 机床行程等进行初始化设置。 1 ． 4定 义控 制 系统 机床初始化定义完成后 ，需要加载机床的控制 系 统，Z X K - 3 2 B 数 控 铣 床 采 用 的 是 广 州 数 控 G S K 9 8 3 M数 控 系 统。在 P r o j e c t 树 里，右 键 双 击 C o n t r o l 节点 冀蛳，弹 出 O p e n C o n t r o l 窗 口。在 S h o r t c u t 下拉列表框 中选择用户 自定义文件夹 ，选 择 加 载 已 经 开 发 好 的 控 制 系 统 G S K 9 8 3 M ． c t l 。 G S K 9 8 3 M数控系统的开发过程在此不进行详述 ，读 者可参阅相关文献。 1 ． 5 创 建 刀具库 切削刀具的定义包括刀具直径及圆角半径 、各种 刀具角度及刀刃长度等参数的定义。在 V E R I C U T中 刀具分为刀柄与刀片，可以调用现有的刀具 ，也可以 自己组建 配置。形状简单 的刀柄可 以在 V E R I C U T T o o l Ma n a g e r 管理器中创建 ，形状复杂的刀柄可以在 P r o ／ E或 U G中建 模 ，并 转 换成 S T L格 式 。在 V E R I - C U T T o o l M a n a g e r 中设置刀片 型号及尺寸 ，特殊 形式 的刀片也可在 U G中建模并转换为 S T L格式。建立的 刀具库如图 3 所示。 图3 创建刀具库 2 仿真加工结果分析 利用上述方法 ，建立三轴联动的 g - x k 5 3 2 5数控铣 床、四轴联动的L E A D WE L L M C V - 7 6 0 B P机床和 L E A D - WE L L MC H - 5 0 0 D机床、五轴加工中心 H U R C OⅥⅨu 的机床模型，然后分别加载数控程序，进行模拟加工 ， 从加工质量和加工时间上比较分析加工效果。 2 ． 1 加 工质 量 比较 应用 V E R I C U T中提 供 的 加工 质 量 检 查 模 块 A U T O ． D I F F模块 ，以面检查的方式对加工后工件 的表面质量进行比较分析。面检查的方式是导入 S T L 格式设计模型与加工完成的工件叠加在一起，设计模 型的表面覆盖在仿真模型上 ，再将设计模型的一个表 面、一组表面或者全部表面与工件进行比较 ，刀轨文 件的大量数据被比较和计算 ，最后按照用户设置的公 差范围将工件过切与欠切情况按照不同的颜色分别显 示 出来并 生成加工质量检查表 。 Z X K - 3 2 B机床仿真加工工件质量全体面检查结果 如图4所示。加工质量检查报告如图5所示。检查报 告列出了发生过切和欠切的最大偏差量及其位置、错 误的类型、发生错误的 N C程序行等数据。 ‘ l 6 机床与液压 第3 9卷 图4 A U T O ． D I F F全体面检查结果 图5 加工质量检查报告 应用 A U T O D I F F模块以局部面检查的方式对 比 了仪表盘模具型芯经三轴、四轴机床和五轴加工中心 加工后型芯顶部曲面加工效果 ，结果如图6所示。将 过切和欠切的偏差值数据导入 O f f i c e E x c e l 中，统计 出各个区段偏差值的个数，然后利用函数绘 图软件 O r i g i n 作出加工质量 比较拟合图，结果如图7所示。 由加工质量面检查结果可知在铣削型芯顶部和 底部平面时，多轴加工与三轴加工效果差异不明显， 均能满足设计精度要求。选用实验室 的立铣刀应 用固定轴轮廓铣操作进行型芯曲面精加工时，三轴、 四轴机床均有不同程度的欠切现象，欠切范围集中于 0 ． 0 2～ 0 ． 0 4 m m之 间。要解决欠切 问题 应 当减小 刀具 半径 ，更换刀具后制定精加工操作 ，再通过 V E R I C U T定量分析检查 切削 残 留。采 用 H U R C O V T X U进 行型芯曲面精加工时，由于通过摆动轴的调整，使刀 具轴线与加工表面保持垂直的状态，仅发生极少量欠 切现象；在应用深度加工轮廓操作进行顶部凸台斜面 精加工时，检查到 g - x k 5 3 2 5机床加工的工件发生大 量 的集 中于 0 ． 1 0～ 0 ． 1 2 m m 之 间 的欠 切 ；Z X K ． 3 2 B 机床加工的工件有少量 0 ． 1 0～0 ． 1 2 m m范围的欠切 和较多 0 ． 0 2～ 0 ． 0 4 m m范围的欠切 ；M C V - 7 6 0 B P机 床和 M C H - 5 0 0 D机床加工 的工件也有较 多 0 ． 0 2～ 0 ． 0 4 m m范围的欠切 ；而 H U R C O V T X U机床加 工 的 e MC I t - 5 0 0 D 机床加工效果 f 1 HU RC OV T X U机床加工效果 图 6 A U T O D I F F局 部面检查 公 差 范 围／ mm 图 7 加工质量比较拟合图 工件仅发生极少量欠切现象。最大的欠切现象均发生 在清根操作阶段 ，g - x k 5 3 2 5机床、Z X K ． 3 2 B机床加工 的工件被检查到大量 的 0 ． 2 0～ 0 ． 3 0 m m范 围的欠切 ； M C V - 7 6 0 B P机床和 MC H - 5 0 0 D机床加工的工件也有 较多 0 ． 2 0～ 0 ． 3 0 m m范围的欠切和 0 ． 1 8～ 0 ． 2 0 m m范 围的欠切；H U R C O V T X U机床加工 的工件在根部有 极少 0 ． 1 8～ 0 ． 2 0 m m范 围 的欠切 和 较多 0 ． 1 0～ 0 ． 1 2 m m范围的欠切。在加工复杂空间曲面时，五轴加工 中心刀具相对于工件表面处于最有效 的切削状态 ，相 第 1 4期 詹沛枝 等 基于V E R I C U T多轴联动数控机床仿真加工效果对比与研究 1 7 比三 、四轴机床能显著提高工件表面质量。 2 ． 2加 工时 间 比较 仿真结束后可以创建加工 日志报告文件 V E R I ． C U T L o g ，13 志文件包含仿真加工相关信息如 加 工时间、错误和警告个数、程序优化方式、材料去 除量等。Z X K ． 3 2 B机床仿真加工报告列表如表 1所 示 。 表 1 Z X K - 3 2 B机床仿真 j u r 报告表 用类似的方法可以得到其他机床的加工数据 ，将 这些 数据进 行 比较分析 ，得 出如 图 8 所示 的加 工时间 对 比图。 g - x k 5 3 2 5 M CI t - 0 0 D 图 8 加工时间对 比 选用实验室 担5的立铣刀对毛胚进行粗加工时 耗时均比较多。比较保守的切削进给速度、缓慢的抬 刀和大量的空行程走刀使得此段 N C程序效率较低， 因此宜采用恒定体积去除率切削方式优化此段程序代 码。此外 ，MC V - 7 6 0 B P机床 、MC H - 5 0 0 D机床均配备 了最高主轴转速为 6 0 0 0 r ／ m i n的主轴 ，相比主轴转 速设 置为 2 2 0 0 r ／ m i n的 g - x k 5 3 2 5机床 和主轴 转速定 为 3 0 0 0 r ／ m i n的 Z X K 一 3 2 B机床更能减少加工时间； 而 H U R C O V rI 1 x u配备了最高转速为 1 2 0 0 0 r ／ m i n的 主轴使其具备高速加工 的能力，能大大提高加工效 率。在进行型芯曲面精加工和顶部凸台斜面精加工 时，Z X K 一 3 2 B机床、g - x k 5 3 2 5机床、M C V - 7 6 0 B P机床、 M C H - 5 0 0 D机床采用的是型腔铣和固定轴曲面轮廓铣 操作方式，而 H U R C O V 1 xu五轴加工中心采用的是 多轴曲面轮廓铣操作方式，通过调整刀具轴线相对于 工件表面角度使刀具处于最有效的切削状态，能明显 减少铣削时刀具往返次数、高效高质完成复杂曲面的 加工 。 3结论 V E R I C U T是一款专为制造 业设 计 的 C N C数 控机 床加工仿真和优化软件。V E R I C U T取代 了传统的切 削实验部件方式，通过模拟整个机床加工过程和校验 加工程序的准确性，来帮助用户清除编程错误和提高 切削效率。文中主要对 V E R I C U T的使用流程和在该 平台上建立机床模型的方法做出总结和归纳，同时以 实例的形式进行分析，让读者更容易理解和掌握。同 时，从加工质量和加工时间上比较不同数控机床对同 一 零件的加工效果为研究和选用不同数控机床提供了 参考 。 参考文献 i ’ 【 1 】 唐秀梅， 李克安， 牛昌安， 等． V E R I C U T数控加工仿真技 术[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 1 0 ． 4 ． 【 2 】 李云龙 ， 曹岩． 数控机床加工仿真系统 V E R I C U T [ M] ． 西安 西安交通大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 】 魏娟 ， 肖云娜． 基于 V E R I C U T 数控机床仿真系统的建立 与应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 1 1 1 4 1 1 4 2 ． 【 4 】陈杰 ， 迟永刚， 刘梅， 等． 基于 V E R I C U T的数控加工运动 学仿真[ J ] ．机械设计与制造， 2 0 0 9 7 1 9 21 9 4 ．