基于VERICUT的整体叶轮五轴数控加工仿真研究

张绍武

（天津市天特国际贸易有限公司，天津300202）

基于VERICUT的整体叶轮五轴数控加工仿真研究

张绍武

（天津市天特国际贸易有限公司，天津300202）

针对五轴数控加工及碰撞干涉问题，通过建立加工工艺系统模型，将应用Siemens NX系统编制的加工程序导入VERICUT仿真软件，在进行加工之前，尽可能真实地在虚拟环境里模拟加工整个过程和加工的结果，对其整个加工过程进行仿真，避免了实际加工碰撞干涉现象，消除了实际加工事故隐患。

碰撞干涉；加工仿真；五轴加工

1 引言

五轴联动加工技术是数控加工中难度最大、应用范围最广的技术之一，国际上将其作为一个国家制造自动化水平的标志。五轴联动机床集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，实现复杂曲面的高效、精密、自动化加工，广泛应用在航空航天、船舶、精密机械等民用工业及国防工业中。

五轴联动加工时的两个旋转运动，使刀具可以实现加工所需的空间方位，也使刀具的运动更趋复杂，增加了工艺系统各组成部分之间发生碰撞干涉的可能性，使得五轴联动数控机床在实际应用中尚不能完全发挥其优势[1]。五轴联动加工碰撞干涉问题是数控加工编程技术的重要研究内容之一。

美国CGTech公司研制开发的VERICUT加工仿真软件能实现程序验证、程序优化、机床加工仿真，能最大程度模拟实际加工过程[2]。VERICUT软件提供非常完善的机床模型库，也可以在CAD系统中构建其他机床模型及工艺系统中的特殊几何体模型（工件、刀具、夹具等），然后再导入到VERICUT系统中。

2 多轴数控加工及碰撞干涉问题

2.1 多轴数控加工及其优越性

数控加工技术作为现代机械制造技术的基础，使得机械制造过程发生了显著变化。现代数控加工技术与传统加工技术相比，无论在加工工艺、加工过程控制，还是工艺装备等诸多方面均有显著不同。

多轴数控加工是指四轴及以上的联动数控加工，其中最有代表性的是五轴数控加工。工件在一次装夹后，可以进行铣、镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，缩短生产周期，提高加工精度。另外，五轴数控加工与三轴加工相比，在加工过程中可对刀具方位进行控制，使其始终保持最佳切削状态，从而提高加工效率和质量。

2.2 数控加工中的干涉现象

刀具干涉是指刀具刃部切入（啃切）被加工表面内或刀杆（非刀刃部位）与相邻加工表面及相邻约束表面之间的碰撞。根据干涉现象在刀具上产生的位置不同，并考虑产生干涉的曲面微分几何特性，刀具干涉的类型可分为啃切（局部）干涉和碰撞（全局）干涉两大类。碰撞干涉是指刀杆、动力头与加工表面以及其相邻的约束表面，如机床、夹具及其他辅助件等之间的相互碰撞。多轴数控加工由于其运动的复杂性，发生碰撞干涉的可能性更大。目前常用CAD/CAM系统只能检测啃切干涉，而无法检测碰撞干涉的发生。VERICUT软件能对整个加工过程进行仿真，并可检测碰撞干涉，弥补了一般CAD/CAM系统的不足，对于检测多轴数控加工干涉现象，避免加工事故的出现意义重大。

3 基于VERICUT软件的干涉检测

3.1 数控加工仿真技术

计算机仿真技术利用计算机科学和技术的成果建立被仿真系统的模型，并对模型进行动态实验的一门综合性技术。

计算机技术的不断改善和计算机图形学的飞速发展，使得计算机仿真技术在机械加工中得到了广泛应用。把计算机仿真技术引入到数控加工中，即形成了数控加工仿真技术[3]。它能对数控加工程序进行过切、欠切，以及刀具与工件、刀具与夹具等之间的干涉的检测，可以直观、形象地模拟数控加工的全过程。

早期仿真的有效性在很大程度上取决于仿真者在仿真过程的各个环节所具有的经验，要求仿真者拥有更全面的知识，而这种要求阻碍了仿真技术的普遍应用。20世纪80年代起，仿真领域普遍开始重视建模技术，并将图形技术、人工智能技术、知识工程技术引入到仿真过程中。

3.2 VERICUT软件及其干涉检测功能

VERICUT软件的基本思想就是在进行真实的加工之前，尽可能真实地在虚拟环境里模拟加工整个过程和加工的结果，避免在实际加工中出现零件的过切、欠切，避免发生机床碰撞，保护机床和刀具，消除安全隐患，替代试切，并最大程度的优化NC程序、延长刀具使用寿命，提高加工效率和加工质量。从1988年起，VERICUT在全球已经成为了数控虚拟加工行业的标准，广泛应用于航空航天、汽车、模具、重工业、教育培训等行业，满足从两轴到五轴的数控仿真加工。

3.2.1 MACHINE SIMULATION（机床仿真）模块

VERICUT的MACHINE SIMULATION模块支持建立CNC机床加工工艺系统的三维模型。该模块主要用于检查数控加工过程中的机床各部件之间的各类干涉，能够模拟由控制系统驱动的虚拟加工零件的整个过程。模块库自带多种常见的数控机床模型，可以直接调用或修改，以及自定义创建CNC机床模型。

3.2.2 MULTI-AXIS（多轴）模块

该模块主要用于多轴数控机床的模拟仿真加工验证。基于验证模块和机床仿真模块，进行相应的干涉检测，可提前预知事故的发生并制定相应的预防措施。

4 基于VERICUT的仿真加工叶轮

4.1 五轴数控加工叶轮

叶轮，特别是整体叶轮是透平机械中的核心部件，广泛应用于船舶、航空航天等领域。整体叶轮具有叶片较薄、扭曲角度偏大、叶片之间的间隔较小等特点，属于典型难加工零件。五轴数控加工是实现叶轮高效、高质量加工的重要手段，具有重要和不可替代的地位。

4.1.1 整体叶轮五轴加工工艺规划

整体叶轮数控加工工艺规划包含高效粗加工刀轨的规划和高效精加工刀轨的规划。粗加工阶段主要是切除毛坯大部分材料，可从刀具尺寸、刀具所能承受的切削力以及机床性能方面综合考虑，提高粗加工效率。精加工阶段，叶片精加工高效刀轨规划的关键在于如何控制相邻刀具轨迹的残留高度，以及如何使刀轨限制在以叶片上下边界为约束的曲面内，即如何将裁剪后曲面非规范化的参数域重新映射到一个规范化的参数域上去，避免按照原始参数域规划精加工刀轨出现空行程而降低效率。

4.1.2 数控编程

某开式整体直纹面叶轮材料为铝合金，直径88 mm、高81.61 mm，共含12片叶片。在五轴数控加工之前，在车床上加工成形出回转面，如图1所示。

应用Siemens NX系统编制五轴加工程序，加工采用直径为8 mm和4 mm的球头铣刀，分别进行粗加工和精加工，如图2所示。加工机床为Hermle C42，控制系统为Heidenhain iTNC530。整体叶轮加工程序的生成过程如图3、图4所示。

4.2 叶轮加工仿真

VERICUT仿真加工过程中，通过加工坐标系的设定来确定主轴端面到编程零点的距离，其原理与实际对刀相同。

在VERICUT环境中，首先选择菜单栏下方的“分析”—“测量”—“距离/角度”选项，点击“模型原点”测量类型，通过依次选择主轴模型和工件模型获得X/Y/Z方向的坐标偏移值。当主轴部件的坐标系位于主轴端面且WCS与MCS重合时，可以获得对刀数据值，其他位置测量值需换算到相对位置。然后，点击“G代码偏置”，选择“配置G代码偏置”，将偏置名设置为“程序零点”、寄存器设置为“54”。点击“添加”按钮，“选择从/到定位”的“从”选项栏框，“名字”选项栏框选择“Tool”；在“到”选项栏框，“名字”选项栏框选择“MCS”，通过VERICUT软件自带的手动数据输入（MDI）功能检测机床原点和加工零点是否保持重合一致，以验证对刀操作设置的正确性。

Hermle C42五轴联动数控机床在Heidenhain iTNC530控制系统环境中，通过导入经后置处理生成的叶轮加工程序来驱动机床运动，仿真加工过程。仿真加工过程如图5、图6所示。

当仿真加工检测出刀位存在干涉发生时，可以根据VERICUT提示栏信息，制定相应改进措施，如通过合理的抬刀、调整刀轴矢量等相关切削参数或更改装夹方案来消除隐患。

图1 整体叶轮模型

图2 刀具参数设置

图3 叶轮叶片粗加工

5 结论

VERICUT软件的基本思想就是在进行加工之前，尽可能真实地在虚拟环境里模拟加工整个过程和加工的结果。基于VERICUT软件可以节省加工程序校对时间，真实地模拟机床加工全过程，避免在实际加工中出现过切、欠切以及机床加工系统各部分的碰撞干涉，保护机床和刀具，消除安全隐患，替代试切，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，缩短生产周期、提高加工精度和效率，重视建模技术使五轴联动机床集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，实现复杂曲面的高效、精密、自动化加工对实际生产具有重要意义。

图5 叶轮仿真加工（粗加工）

图6 叶轮仿真加工（精加工）

[1] 宋放之.数控机床多轴加工技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 杨胜群.VERICUT数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3] 李阳,赵永成,魏兰.数控加工仿真技术研究综述[J].系统仿真技术，2008，4（2）：111-115.

[4] 谭光宇,袁哲俊,姚英学.加工过程碰撞干涉的矢量法检验[J].中国机械工程，1999，10（5）：513-515.

[5] 吴宝海，罗明，张莹，等.自由曲面五轴加工刀具轨迹规划技术的研究进展[J].机械工程学报，2008，44（10）：9-18.

[6] 李静，王占礼，李冰怡.数控加工仿真中的碰撞干涉检测算法研究[J].黑龙江科技信息，2008（14）：50-51.

[7] 莫蓉，何卫平，杨彭基.碰撞检测与干涉检测方法研究[J].西北工业大学报，1997，15（3）：365-371.

Simulation Study on 5-axis NC Machining of Integral Impeller Based on VERICUT

ZHANG Shao-wu
（Tianjin Tiante International Trading Co, Ltd., Tianjin 300202, China）

In order to solve the problem of 5-axis NC machining and collision interference, a machining system model is established to introduce simulation software VERICUT by machining program written with Siemens NX system. Before machining, the whole machining process and result is simulated in virtual environment as realistic as possible. The above simulation avoids collision and interference and eliminates hidden dangers in actual machining.

collision interference; machining simulation; 5-axis machining

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.05.011

2014-05-15

2014-06-10

张绍武（1964—），男，工程师，主要从事设备的设计、加工、安装和调试工作。