基于VERICUT的多轴机床加工仿真研究.pdf

主题 虚拟制造相仿真技术 f c s ． V i rt u a l M a n u f a c t u r e a n d S im u la t i o n T e c h n o lo g y 基于 VE R I C U T的多轴机床加工仿真研究 徐 刚 西安交通大学机械工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 4 9； 中国航天科技集团公司 7 1 0 7厂， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 6 摘要 针对 多轴机床加工中的干涉及撞刀问题 ， 采用 V E RI C U T软件对实际加工过程在计算机平台上进行 模拟 。 降低加工风险。以两类典型多轴机床为例， 从机床的建模、 装配、 参数设置、 模拟仿真等几个方 面对 多轴仿真 中的关键技术进行详细介绍 。 关键词 多轴机床 干涉仿真VE R I C U T 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 B Re s e ar c h o f Mult i -a xi s Ma ch i n i n g Si mul a t i on Bas ed on VERI CUT xu Ga n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，Xi ’ a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Xi ’ a n 7 1 0 0 4 9，CHN； C h i n a A e r o s p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n ， B a o j i 7 2 1 0 0 6 ，C H N Abs t r a c t F o r t h e p r o bl e m o f i n t e r v e n t i o n a n d c o l l i d i n g i n mu hi -a x i s ma c h i n i n g i n t h e，u s i n g VERI CUT t o s i mu l a t e t h e ma c h i n i n g p r o c e s s o n a c o mp u t e r pl a t f o r m t o r e d u c e t h e r i s k o f mu l t i a x i s ma c h i n i n g ．Th i s a r t i c l e t a k e s t wo t y p e s o f t y p i c a l mu hi -a x i s ma c h i n e t o o l s f o r e x a mp l e，a nd d i s c u s s e s t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f t h e mu l t i - a x i s s i mu l a t i o n f r o m t h e v i r t u a l ma c h i n e mo d e l i n g，a s s e mb l y，p a r a me t e r s e t t i n g s ，s i mu l a t i o n，a nd s e v e r a l o t h e r a s pe c t s ． Ke y wor dsMu l t i -a x i s Ma c h i n e；I n t e r f e r e；S i mul a t i o n；VERI CUT 数控设备都是由加工程序来控制 ， 加工程序 的安 全性对于设备来说是至关重要的。多轴机床 由于造价 昂贵 ， 对加工程序的准确性和安全性要求更高。在生 产实践 中， 3轴和 3轴 以下 的加工 程序 可 直接 通过 C A M软件提供的加工仿真功能对刀路进行验证 ， 程序 出错机率相对较小。但多轴加工程序 为空间坐标点 ， 人工不能验证 ， C A M 软件提供的仿真仅对刀具的运动 轨迹进行仿真， 不能对最终控制机床的加工程序进行 验证， 即不能对实际的加工过程进行模拟 ， 这样给加工 带来极大风险， 稍有疏漏 ， 就会给机床和用户造成巨大 的损 失 。 利用 V E R I C U T软件 可对加工程序在输入 N C系 统之前 ， 在计算机的虚拟环境 中对机床 的加工过程进 行仿真 ， 及时发现并纠正程序 中的错误 ， 避免机床的碰 撞和干涉 ， 有效地保护机床。以下论述如何在 V E R I C U T软件下实现多轴机床的加工仿真 ， 并对其 中的关 键技术进行介绍。 1 机床模 型的建立和虚拟装配 根据实际使用机床结构 ， 对各 主要运动模块进 行 分解 、 抽象并简化 ， 以此 绘制 出各组 成部分 的 3 D模 型 ， 其次根据机床各部分 间的依 附关 系， 在 V e l - t u t 软 件中完成机床数字模型的整体搭建。 1 ． 1 3 D模型的创建 完成机床床身 、 轴 、 y轴、 z轴 、 B轴 、 C轴或 4轴 3 D模型的建立 ， 有两种方式。其一 ， 通过 V e r i e u t 软件 的“ Mo d e l i n g ”对话框绘制模 型， 设置相应参数可建立 “ B l o c k ” 、 “ C o n e ” 、 “ C y l i n d e r ” 三 类几何体 。此种方 法 简单易行 ， 但构建模型相对简单 ， 不能满足机床的装配 要求或者影响机床的视觉效果 ， 可在要求不高时使用。 其二 ， 可利用较 为常用 的 C A D软件来完成 ， 如 P r o E、 U G、 C i m o t r o n等通用 软件 ， 通过 数据接 口保存成 “ I G E S ” 、 “ S T L ” 等格 式 ， 使 用 “ Mo d e l F i l e ” 方式 导 人 到 V e r i c u t 环境中进行组装。此种方式不受软件 限制 ， 可 建立任意复杂的机床模型。此外 ， 在 C A D软件 中绘制 模型时， 应根据装配关 系设定好模型坐标 系。 5轴机床 由于设计结构的特殊性 以及装配误差 ， 回转轴轴线在空间上有一定距离 ， 或者 回转轴轴线与 主轴端面有一定距离 ， 此距离在建立机床模 型时必须 充分考虑装配后应与实际机床尺寸相一致 ， 否侧将直 I 主题虚奴翻造和仿真技术 接导致模拟切削的失败。如在 B C轴 摆头 转 台 机 床中， 应考虑 B轴 回转轴 线与 主轴端 面 的实际距 离 D ， 如图 1所示 ， 该参数可从机床中获得 ， 并且与后 处理 中对 应 参 数 保 持 一 致。D 为 摆 长 P i v o t D i s 。 ta n c e ， 如图2所示。在 A C轴 双转台 机床中， 轴 回转中心到 C轴端面距离也应 与实际机床参数和后 处理保持一致。 回转 ／ 厂 ， L 岛 t ， 图 1 各轴误 差及摆 长示意 图 图2 U G后处理参数设定 轴线偏差 轴线距 离 摆 长 1 ． 2 虚拟机床装配 装配之前 ， 必须将机床各轴之间的依 附及装 配关 系搞清楚 ， 对于多轴机床而言， 两个回转轴的位置关系 至关重要。图 3中分别给出 了 B C轴和 A C轴 5轴机 床 的原理图。根据机床各轴间的依 附关系 ， 构建机床 结构树 。 图3 多轴机床原理图 通过“ A s s e mb l e ” 方式进行装 配， 仅需建立表述各 轴依附关系的结构树 ， 装配过程使用 1个坐标 系， 各轴 3 4 坐标原点与机床原点重合 ， 如图 4中 A C轴机 床的建 立。若通过设定各轴偏移距 离来装配 ， 可在建立结 构 树的同时根据装配关 系和模 型大小来偏移模 型坐标 系 ， 如图 5中 B C轴机床的建立。 图4 AC轴机床原理图及模型 图 5 机床 配置结构树 使用“ Mo d e l F i l e ” 对话框依 次添加各 部分模 型。 若使用“ 坐标 系偏移结构树 ” ， 则直接添加模 型即可。 若使用“ 各轴依附结构树 ” ， 则添加模型 的同时需通过 “ Mo d e l i n g ” 选项卡 中的“ P o s i t i o n ” 、 “ R o t a t e ” 、 “ A s s e m b l e ” 选项进行模型位置及旋转角度的定义。如图 6所 示为装配约束对话框 ， 选择相应约束类型 ， 再选择相邻 两轴的配合表面即可完成装配 。 图6 匹配对 齐装配方式对话框 “ 转台 摆头” 5轴机床， 由于采用动柱结构 ， 稳定 性好 ， 控制精度高， 在实际使用机床中具有一定的代表 性 。如图 5所示机床 ， 机床参数 轴 8 0 0 m m 、 Y轴 5 0 0 m m 、 Z轴 5 0 0 mm ， C轴 一 3 6 0 。 ～3 6 0 。 ， 日轴 - 1 0 。～ 1 1 0 。 ， 控制系统 F A N U C 1 6 0 i 。 耋 、 一- ～⋯‘ j 嗣 1 ■一 ◆ 2 机床参数设定 机床参数设定包括各轴行程设定 、 旋转轴正反向 设定 、 A P T设定 、 系统设定等主要方面。 2 ． 1 行程设定 为更好地模拟实际加工效果 ， 通过 “ Ma c h i n e S e t t i n g s ” 选项卡中“ T r a v e l L i mi t s ” 来实现对机床各轴行程 的设定 ， 确定机床有效加工范围， 避免加工中“ 超程” 。 2 ． 2 旋转方 向设定 旋转轴的旋向可能与实际机床旋 向存在差异 ， 可 通过系统 提供 的“ MD I ” 方式 检测 其旋 向， 然后 通过 “ M o d e l i n g ” 选项 卡 中“ C o mp o n e n t A t t r i b u t e s ” 栏 ， 选择 “ R e v e r s e D i r e c t i o n ” 复选框来实现旋 向的改变。 2 ． 3 旋 转运 动设 定 对于多轴机床而言 ， 旋转轴的旋转方式需根据使 用机床情况进行设置。在上述两种机床中， c轴可正 反 3 6 0 。 旋转 ， 可将 “ C a x i s R o t a r y T y p e ” 设置 为“ E I A 3 6 0 A b s o l u t e ” ， 而在“ A b s o l u t e R o t a r y D i r e c t i o n ” 设置 为“ S h o r t e s t D i s t a n c e ”， 可避免在 C轴连续 回转加工时 的过切问题 。该设置和后处理也有一定关 系， 应视具 体情况而定 。 2 ． 4 操作系统设定 在 V e r i c u t 中几乎集成 了所有 目前正在使用 的数 控操作系统 ， 可直接来选取操作系统 。选择“ S e t u p ” 一 “ C o n t r o l ” 一“ O p e n ”， 在软件安装 目录下查找“ L i b r a r y ” 文件夹 ， 选取与使用机床相同的操作系统即可 ， 文件后 缀为“ c t l ” 。 3 仿真前准备 3 ． 1 毛坯设定与装入 毛坯的定义方式 与机床装配过程类 似 ， 制作好 毛 坯的数字模 型， 添加在机床结 构树的“ s t o c k ” 节点下 ， 设置其放置位置和方向， 若有夹具 ， 添加到“ F i x t u r e ” 节 点下即可。 3 ． 2刀具定 义 使用打开“ T o o l Ma n a g e r ” 对 话框定制模拟加工 中 所使用的刀具 。在该对话框 中可设定所有常用刀具及 非标刀具 ， 也可使用“ I mp o rt D X F ” 功能将刀具 图导入 来使用。应注意刀具号应与程序中保持一致。 3 ． 3加载加工程序 通过 “ T o o l P a t h ” 对话 框 ， 可完成 加工 程序 的添 加 、 删除 、 替换等多种操 作 ， 支持 “ N C ” 、 “ PT P ” 等多种 程序格式 ， 可一次添加多个需要模拟加工的程序 。 3 ． 4设定 加工 坐标 系 对 刀 茎 耋 ⋯ 。 主题虚揪制造韧仿真技术 T o p ic s V i r t u a l Ma n u f a c t u r e a n d S i m u la t i o n T e c h n o l o g y。 加工坐标系的设定与实际对刀原理相 同， 主要是 确定主轴端 面到编程零点 的距离 。首先选择“ A n a l y s “ XC a l i p e r ”“ D i s t a n c e ／ A n g l e ” ， 测 量 类 型选 择 “ Mo d e l O r i g i n ” ， 依次选择主轴模型和工件模 型， 将获 得 XY Z三个方向的偏 移值 。若主轴部件的坐标系位 于主轴端面 ， 且工件原点与程序原点重合 ， 所得数据即 为对刀值 ， 若在其他位置 ， 所测值需换算到相对位置才 可使用 。其次 ， 依 次单击“ S e t u p ⋯‘ G C o d e ” 打开 “ G C o d e S e t t i n g s ” 对 话框 ， 选 择 “ T a b l e s ” 选项 ， 双击 “ J o b T a b l e s ” ， 打开 “ A d d ／ M o d i G C o d e T a b l e ” 选项卡 ， 在 “ T a b l e N a m e ”中选 择 “ I n p u t P r o g r a m Z e r o S p e c i a l z ” ， 并在下方方框内输入刚才测量得到的偏移值 D D D 即可。最后可通过 MD I 方式检测加工零点和机 床原点是否重合 ， 来检测对刀的正确与否。 4 机床 验证 完成上述工作后 ， 即可进 行试切。如 图 7所示为 B C轴机床加T弧齿锥齿轮的实例 ， 图 8中为 A C轴机 床加工叶片的实例。仿真及时发现碰撞 及干涉 ， 优化 了刀具路径和切削参数 ， 仿 真结果与实际加T效果完 全吻合 ， 最终取得 了满意加工效果 图7 弧齿锥齿轮加工实例 ● 图8 叶片加工实例 5 结语 多轴机床的加工仿真涵盖机床运动 、 C A D ／ C A M 室题虚拟制造嵇仿真技术 T o p ic s V ir tu a t Ma n u f a c t u r e a n d S imu l a t io n T e c h n o lo g y 液压冲床油缸泄漏研究与仿真 李 硕 胡军科 南现伟 周友中 中南大学机 电工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 摘要 为解决液压冲床工作中辅助液压缸泄漏问题 ， 对其液压系统回路进行 了分析 ， 得出了辅助液压缸泄 漏是 由于电磁 换 向阀换 向时 间设置不 合理 ， 致使 液压缸 中压力 过高所 造成 的结论。通 过运用 A ME S i m 仿真软件对液压系统回路进行仿真 ， 验证了结论的正确性， 并在此基础上提供 了合理的换 向时间， 为实际问题的解决提供 了理论依据。 关键词 液压 冲床液压缸 泄漏A ME S i m 仿 真 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识 码 A Si mu l a t i o n a n d S t u d y o f Hy d r a u l i c P u n c h i n g Ma c h i n e’ S Hy d r 0 一 c y I i n d e r L e a k a g e L I S h u o ，HU J u n k e ，NA N X i a n w e i ，Z HOU Yo u z h o n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C H N Abs t r a c t To s o l v e t h e p r o b l e m o f h y dr a u l i c p u nc h i n g ma c h i n e’ S h y d r o -c y l i n d e r l e a k a g e，t he h y d r a u l i c p u n c h i n g ma c h i n e’ S h y d r a u l i c c i r c u i t wa s a n a l y s e d，a n d t h e n h a v i ng t h e c o n c l u s i o n t h a t hi g h p r e s s u r e r e s u l t i n l e a ka g e o f t h e a s s i s t a n t h y d r o c y l i n de r ．The n t h e s i mu l a t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i s a c hi e v e d u s i n g t he AMES i m． T he s i mu l a t i o n p r o v e d t h e v a l i d i t y o f t h e c o n c l u s i o n a n d a s o l u t i o n i s br o ug h t f o r wa r d， t ha t p r o v i d e a f o u n d a t i o n f o r t h e l e a k a g e p r o b l e m s o l v e ． Ke y wo r dsHy d r a u l i c P u n c h i n g Ma c h i n e；Hy dr o c y l i n d e r Le a k a g e；AMES i m Si mu l a t i o n 液压冲床是用来进行板料冲孑 L 、 成形及拉深成形 等工序的。由于液压冲床在压力 、 行程 以及速度等参 数 的调节及过载保护方面都 比较简单 、 易行且可靠， 所 以在 冲压 成形 加 工 中 ， 液 压 冲 床得 到 了较 大 的发 展 。文中所研究 的液压冲床用于对汽车轮毂进行 冲孔 ， 在使用过程中存在着辅助液压缸 与主液压缸活 塞杆连接处出现泄漏的问题。目的是要通过对液压回 路进行分析 ， 找出泄漏产生的原 因， 并在此基础上应用 仿真软件对液压系统 回路进行仿真 ， 在理论上 ， 对液压 缸的泄漏问题提出解决方案。 A ME S i m仿真软件 是法 国 I MA G I N E公 司于 1 9 9 5 年推出的专门用于液压／ 机械系统的建模 、 仿真及动力 学分析的优秀软件。它为用户提供了一个 系统工程设 计的完整平台， 可以建立复杂 的多学科领域系统的数 学模型 ， 并在此基础上进行仿真计算 和深入 的分析 。 在液压机械的仿真研究方面 ， A ME S i m软件有着很强 的针对性和优越性 ， 它可以大大地缩短产品的开发周 期 ， 降低产品的开发 成本 ， 提高产 品的竞争力 。所 以本文采用 A M E S i m仿真软件对液压冲床部分液压系 统回路进行分析和仿真研究。 技术 、 后处理 、 加工刀具及加工工艺等多方面知识 。多 轴仿真技术在生产实践中有很强的经济性和实用性 ， 有很好的应用前景。V e r i c u t 是 一种 基于机床 的几何 仿真 ， 无法根据刀具及加工材料对加工过程 中的切削 力 、 温度 、 热流 、 残余应力 、 变形及切屑进行分析， 随着 仿真技术及有限元 F E M 技术的不断发展 ， 切削过程 的微观仿真技术也会越来越成熟。 参考文 献 [ 1 ] 李云龙 ， 营岩． 数控机床加工f ， J 真系统 VE R I C U T M] ．西安 西安交 通 大 学 出 版 l ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 安杰 ， 邹昱章 U G后处理技术 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 李朝光， 谢龙汉． U G N X 5多轴J 1] - l 应用实例 [ M] ． 北京 清华大学 出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 王庆林 ， 李莉敏 ， 韦纪祥． U G C A M应用案例集 N X版 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． 作者 徐 刚， 男， 1 9 8 0年生， 工程师， 硕士 ， 研 究方 向为数 字化 产品 的开发 与制 造 。 编辑孙德茂 收 稿日 期 2 0 1 0 1 0 2 3 文章编号 1 1 0 2 1 0 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。