VERICUT下的大型气缸体的数控加工仿真的研究

曹忠亮，张红军，王世刚，李西兵，胡清明，郭 强

(齐齐哈尔大学机电工程学院，齐齐哈尔 161006)

0 引言

缸体产品属于大型加工工件，在进行加工的过程中如果出现任何加工错误(例如发生过切，刀具箱的碰撞，干涉等现象)，该加工气缸就可能成为废品。很多大型制造企业选择试切法这种传统的加工校验方法。虽然试切法是数控加工检验中比较常见的方法，但是在试切过程中不仅要占用加工机床的工作时间，同时需要机床操作员工在整个加工过程中对机床运动进行检查和监控。可是这种方法也存在一些问题，例如加工过程中的各种欠切和碰撞，这些问题同样也难以避免。随着计算机技术和虚拟仿真加工技术的发展，利用虚拟模拟加工技术，在计算机三维环境下模拟出一个与现场实际加工环境的相同的虚拟的加工环境，并在此虚拟的加工环境下实现大型气缸的模拟数控加工［1］。在模拟的数控机床上校验数控程序轨迹是否正确，以及机床的各个运动部件在加工过程中是否发生干涉等等问题。这不仅仅缩短气缸的加工周期及制造成本，而且可以大大节省了人力和物力。

1 VERICUT各模块功能及总体流程

VERICUT是美国CGTECH公司开发的基于Windows及UNIX平台上的数控加工仿真系统软件，由于其具尤其它三维软件不可比拟的刀具轨迹验证功能，它可以取代现场的一些切削试验［2-3］。VERICUT软件不仅能仿真出与现场一样的机床、工件、刀具等等，还能对机床各部运动进行动态仿真，而且能进行数控程序验证，缩短加工时间，检查是否发生过切和欠切，由于其具有很强大的三维动态显示功能，还可以很直观的查看到机床运动中的碰撞及刀具、夹具干涉等。VERICUT可以对仿真加工后的实体模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验，同时也可以后续工序切削加工做准备。VERICUT具有CAD/CAM接口模块，能实现在UG、Pro/E等三维软件中的嵌套并运行，具有很好的嵌套和集成功能。

在VERICUT环境下要实现数控加工动态仿真的过程，大体上通过以下四步来完成:①建立VERICUT环境下的数控机床的几何模型及配置机床运行相应的系统文件;②建立在加工仿真过程中的其它模型，如毛坯、工件、刀具等几何模型③数控程序或刀具轨迹的调入(工步要求依次调入)④动态仿真后的处理分析，例如加工尺寸的检测、确定过切区域和欠切区域等。VERICUT下数控加工仿真总体德流程如图1所示。

图1 VERICUT下数控加工仿真的总体流程

2 气缸的数控加工仿真实例

2.1 数控机床模型建立

通过去企业现场调研，我们这里要对20-10FP500NC数控龙门铣床进行仿真，先介绍一下机床的主要结构参数:

工作台宽度:5000mm，前后工作台长:17000mm，主轴至工作台距离(最大):5000mm

工作台行程:18200mm(X轴)，5600mm(Y轴)，4500mm(Z轴)

工作台运行快速:15000mm/min，工作台运行进给:10-10000mm/min

20-10FP500NC数控龙门铣床采用了西门子840D数控系统控制各项运动，可以对大型气缸进行铣、镗、钻、铰等多种工序的数控加工。

首先在VERICUT中新建机床文件，在组件树中依次添加各部分组件，添加顺序为Base→Modles→X→Stock→Design→Fixture，Base→W→Y→Z→C→B→Spindle→Tool，这样组件树就完成了。组件各自具有各自的形状属性、位置属性和3D尺寸，各组件按照一定的装配尺寸组合在一起形成了虚拟的数控机床。图1为机床的组件树结构图，图2为VERICUT下的虚拟机床图。20-10FP500NC数控龙门铣床其实是三轴机床，但是由于可以在主轴上安装一种工装附件，使其在安装刀具后变成了理论上的五轴机床，所以本文中添加了B轴和C轴。它们的作用充当了工装附件的转换作用，使机床仿真过程中与现场更加接近，运动仿真更加真实。(在建模的过程中本文中也简化了一些配件，例如护罩、控制台、导轨等，但是这些不会影响仿真全过程。)

机床各组件结构已经完成，但是我们也要对机床参数进行设定。初始化的设置包括机床的碰撞和干涉检查设置、发生干涉的临界值设置、各个工作台的行程设置和行程范围设置等等。这些都是为了我们在观察仿真的时候，能很好的发现干涉和碰撞，以及出现了运动超程将会给出报警提示。

2.2 机床的CNC系统文件的设置

每一个数控机床都有自己的数字控制系统，这样才能使机床具有解读数控代码、各种插补运算、三维动态显示等等。在VERICUT的Library子目录也提供了多种数字控制系统，可以直接调用相关的数字控制系统文件，同时也可以对现有的数字控制系统文件进行修改和添加，例如对准备功能G码、辅助功能M代码进行设定，同样制定出符合用户自己的控制系统文件。本文中的控制系统是西门子840D系统文件，从子目录中直接调用。

2.3 工件和夹具模型的建立

在VERICUT下的数控仿真需要有待加工的毛坯件和精确设计的零件模型。零件模型是为了在加工仿真后与毛坯加工后进行比较(这里不再描述，下文会详细说明)。一般的立体或圆柱体在VERICUT都可以建立，但是对于复杂的加工体就得必须在一些三维软件(例如UG、Pro/E建模软件)中建立，再以IGES、STL形式导出，在组件树中的Stock(代表加工毛坯)和Design(代表设计零件)位置加入三维模型。气缸属于大型复杂零件，本文利用UG软件建立了气缸的三维模型以及其毛坯的半成品。夹具在仿真中的作用主要是检查机床在程序驱动下能否与机床的各个组件发生碰撞或者干涉，这也是仿真中主要检查的部分。本文中的夹具是一种内凹的垫箱，位于气缸工件的下部起固定作用，所以本文简化了这块的设计，没有在图像中显示出来。

2.4 刀具模型的建立

在进行数控加工的时候，会需要多道数控程序和多种刀具，所以要建立机床中所使用的所有刀具并形成刀具库。VERICUT下的刀具库包含刀具切削部分、刀杆和刀具夹持部分等信息，这些信息会以.stl格式存储在刀具库文件中。刀具库中的每一把刀具都具有唯一的ID编号，在其编号下有刀具的相关描述，包括Cutter(切削刃:用于加工时的切削)和Holder(刀柄:用于检测刀具运动中的一些碰撞)的形状参数和尺寸参数［4］。在数控程序中通过换刀，调取加工时所用的刀具号来使用刀具。如果需要一些特殊刀具，VERICUT软件也可以从其它三维软件中调入IGES或STL形式来完成刀具的建立。

2.5 调入数控代码

VERICUT下的模拟机床已经建立完成，这时就要调入数控程序进行验证。气缸的加工是要按照其自身设定的加工工序进行数控加工，所以在仿真的过程中也必须要按照其工序来进行仿真加工。当调入数控加工代码的时候我们可以分步调入，加工完成气缸的一个特征(这里所说的特征就是加工特征，包括一些面、孔、缺口、开档等等)后再进行下一个特征的加工仿真，工步的安排也是严格按工艺要求出发。调入的数控程序也是设计人员之前按图纸理论上设计好的数控程序。

3 加工动态仿真及后处理分析

3.1 动态仿真演示

在完成虚拟数控机床的建立、毛坯和标准工件建立、刀具库的建立以及系统初始化和零点位置设定后，就可以进行模拟数控加工仿真。数控加工仿真的目的是通过观察机床各部件的相对运动状态，来检验各部件是否发生干涉、碰撞以及核查数控加工程序是否正确［5］。干涉检查可以提前发现加工过程中机床的各运动部件及其刀具和加工工件可能出现的不期望的接触;碰撞检查就是刀具在进给的时候未以切削加工形式接近加工工件而产生了刀具与工件之间的碰撞。本文给出气缸的一些特征的加工实例，图4为气缸的开档加工，刀具为1号刀(T1、盘铣刀)。图5气缸的缺口加工，刀具为2号刀(T2、球头铣刀)。

3.2 AUTO-DIFF功能模块

VERICUT软件中的AUTO-DIFF功能模块可将仿真加工后的模型与设计模型进行比较，检查出仿真加工中的过切或欠切区域，判断误差原因。当要进行比较之前，AUTO-DIFF模块会将设计模型嵌入到毛坯材料当中，当进行仿真的同时，当刀具切入设计模型时，过切就会显示出来，并能查看到相应部位。AUTO-DIFF有四种比较方式:实体(Stock)、表面(Surface)、点(Point)和轮廓(Profile)比较，本实例用到了其中的实体比较和表面比较两种方式。在加工仿真结束后，AUTO-DIFF模块后会自动生成Log文件包括刀具路径名、错误的位置、刀具号、程序段号等等。

通过Log文件中提供的数控程序的错误精确到具体的程序段中，可以按照错误提示回到程序中进行修改。仿真后发生欠切和过切的地方也会以不同颜色显示出来，帮助进行改正程序。同时也可以使用VERICUT软件的其它一些功能(如“Zoom”或“X-Caliper”)来测量加工后的部位，以便帮助判断发生错误的原因，这样可以在实际数控加工前及时发现和纠正可能存在的问题。AUTO-DIFF模块根据设定的公差要求来进行分析欠切和过切，分析后的显示结果及分析报告分别如图6、图7所示。

3.3 OptiPath优化路径模块

OptiPath优化路径模块主要功能是缩减加工时间，提高实际的生产效率，优化出一个包含理想的切削量和进给速度的刀具轨迹文件。VERICUT的路径优化过程是首先是已经验证了刀具路径是正确，没有发生碰撞或者干涉。其次通过OptiPath功能设置菜单，分别根据需求设定优化刀具(形状、长度、每齿进给量)、机床的相关性能(最大进给率、空走刀速度、抬刀速度等)等参数。

刘卫、王亚平等［6-7］人对优化这部分研究的很多，他们通过对瓶子等加工件进行铣削加工试验，验证了优化后的程序比优化前平均省时45%以上。从现场实际加工出发，通过与企业现场操作人员进行了解后，本文中对气缸的优化紧紧是对空走刀速度这方面来考虑。气缸体积比较大，在加工过程的空走刀时段很多，所以缩短了空走刀段的加工时间这对总体的加工效率会有很大的提高。通过实验得出优化后比优化前共节省36.01%，如表1所示。

表1 优化前后时间对比

4 结束语

基于VERICUT软件的动态仿真技术能够对气缸加工过程进行仿真、验证、优化，在验证程序的同时也查看到是否发生干涉或者碰撞，并对模拟加工完成后的结果进行分析，查找错误加工出现的具体位置，同时可以改进实际加工中出现的问题。基于VERICUT下的动态加工仿真很好地解决了大型气缸的数控加工，为现场实际加工提供了可靠的依据。不仅减少了加工时间，也提高企业的制造水平、缩短产品生产周期、改善产品质量。

［1］刘伟达，刘剑雄，刘美珍.虚拟制造在实际工程中的应用［J］.机械工程与自动化，2005(2):21-23.

［2］李云龙，曹岩.数控机床加工仿真系统VERICUT［M］.西安:西安交通大学出版社，2005.

［3］CGTech.Optimize NC programs.http://www.cgtech.com.

［4］王学慧，刘世成，冯明军.基于VERICUT的虚拟机床建模技术研究［J］. 现代制造工程，2007(8):44-46，99.

［5］陈杰，等.基于VERICUT的数控加工运动仿真［J］.机械设计与制造，2009(7):192-194.

［6］刘卫，王亚平，等.VERICUT在数控加工优化中的研究与应用［J］.计算机应用研究，2004(7):66-67.

［7］王亚平，刘卫，等.基于VERICUT的数控加工仿真及优化的应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2004(3):31-35.