基于Vericut7.3四轴虚拟机床建模和仿真的关键技术研究

叶选林+邹驺+张武+杨栩生+谢钰+杨炳华

摘要： 以2033VMC加工中心为研究对象，全面阐述了利用UG8.5和VERICUT7.3软件对虚拟机床四轴虚拟机床建模和仿真的关键技术，提出了构建虚拟机床的具体思路和方法。以搓接鼓零件仿真加工与实际加工结果对比，验证该虚拟机床模拟仿真的正确性和实用性，有利于教学和实际生产，值得广大基层的工程技术人员的借鉴和推广。

Abstract： Taking 2033VMC machining center as research object， the key technologies of modeling and simulation of virtual machine tool four axis virtual machine tool based on UG8.5 and VERICUT7.3 software are described in the paper. The specific ideas and methods of constructing virtual machine tools are presented. Through the comparison between the simulation and the actual processing results of the rolling， it verifies the correctness and practicability of the simulation of the virtual machine tool. It is conducive to teaching and practical production， and it is worth the general level of engineering and technical personnel for reference and promotion.

关键词： Vericut7.3；UG8.5；仿真加工；虚拟机床

Key words： Vericut7.3；UG8.5；simulation process；virtual machine tool

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0120-03

0 引言

美国CGTECH公司基于Windows及UNIX系统平台开发了一个新的数控加工仿真软件，即VERICUT软件，该软件的组成模块主要包括NC程序验证模块、CAD/CAM接口、实体比较模块、高级机床特征模块、多轴模块、优化路径模块、机床运动仿真模块等，可仿真数控车床、加工中心、铣床、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC程序优化，改进表面质量、延长刀具寿命、缩短加工时间，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误；具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工。它有强大的功能模块，不仅能够真实地模拟出在加工过程中刀具的切削、加丁零件、夹具、工作台及机床各轴的运动情况，而且能够对NC程序进行仿真、验证、分析及优化[1]。本文以台湾富裕机床厂生产的2033VMC加工中心为例来介绍Vericut软件的虚拟机床的创建及仿真加工方法。

1 2033VMC加工中心的工作原理和结构分析

1.1 2033VMC加工中心的工作原理

加工中心（Machining Center，MC）是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床，也被称为电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。不仅将测量和机床调整等辅助工序时间和工件装夹时间大大减少了，还能够应对加工形状较为复杂、精度要求较高、品种更换频繁的零件，具有良好的经济效益。

1.2 2033VMC加工中心的结构分析

加工中心主要由以下部分组成：①基础部分；②主轴部件（Spindle）；③进给机构；④数控系统（C.N.C.）；⑤自动换刀系统（A.T.C.）；⑥辅助装置；⑦自动托盘更换系统（A.P.C.）。2033VMC加工中心配FANUC数控系统，采用三轴直线机床加第四轴数控回转台的形式，工作行程Z轴为510mm，X轴为850mm，Y轴520mm；T型槽5×18mm×100mm，A轴-99999.999°～99999.999°；主轴转速60～10000r/min；工作台面900×510mm；功率11kW，刀库容量24把刀。

2 加工中心模型的建立

2.1 机床模型构建方法

在VERICUT7.3软件中，构建机床仿真模型有两种方法：①在VERICUT7.3软件中添加一些简单立方体、圆柱、圆锥等模型，对于一些复杂的机床部件很难完成，特点是不需要文件转换，效率高。②采用三维CAD软件（如UG、Pro/E、Solidworks等）根据机床实际尺寸，对逐个部件进行建模。本次采用UG8.软件5根据机床部件的实际测量尺寸进行建模，然后将建好的机床的各个部件的三维模型进行装配，裝配是根据机床的实际部件的功能和接触的位置来装配，把装配好的机床模型转化为STL格式导入VERICUT7.3软件中，用机床坐标系定位整个机床，务必保证在组件各自的机床零点位置定义所有组件。在模型转换的时候，可能引起其位置变化，这样在VERICUT中其所需要移动的坐标值，可以由CAD软件的测量功能来求得，所以要用旋转及移动的方式，得到所需要的状况。

2.2 分析机床的运动关系endprint

通过观察机床的结构和运动关系，2033VMC加工中心共有三条运动链：运动链一：床身（BASE）-Z轴-主轴-刀具；运动链二：床身（BASE）-Y轴-X轴- A轴-附件；运动链三：床身（BASE）-X2轴-Y2轴- 刀具链。根据上述的2033VMC加工中心结构关系，就可以构建机床模型了，具体步骤如下：

2.2.1 底座部分的构建

新建一个新的项目，并保存为项目文件名称为“basic_4axes_vmill.VcProject”。在图形窗口中，从弹出的对话框中，鼠标双击控制，加载机床的控制系统文件。加载控制系统文件法拉克10m 数控铣床控制系统文件——“fan10m.ctl”。然后鼠标右键单击Base，在弹出的下拉菜单中，选择添加模型，因为2033VMC加工中心的底座部分图形较为简单，直接可以在VERICUT7.3软件中完成，如图1所示。

2.2.2 添加机床其他的几何模型

在项目树中鼠标右键单击Base，在弹出的下拉菜单中，选择添加模型依次选择“Base→添加→选择Y 线性，添加Y轴；右键单击Y （0，0，0）→添加→选择X 线性，添加X轴；右键单击X（0，0，0）→添加→选择A旋转，添加A轴；按照同样的方法，添加其他夹具及零件部件。选择Base（0，0，0）→添加→选择Z 线性，添加Z 轴；右键Z （0，0，0）→添加→主轴，添加主轴，右键主轴（0，0，0）→添加→刀具，添加刀具[2]。选择Base（0，0，0）→添加→选择X2线性，添加X2 轴；右键X2 （0，0，0）→添加→Y2，添加Y2轴，右键Y2 （0，0，0）→添加→刀具链，添加刀具链。按照上述的运动链关系添加了模型，运动链关系如图2所示，机床模型如图3所示。

2.3 机床参数的设定

组装完机床的部件后，应设置机床相应参数，包括机床零点、机床参考位置、机床原点、补偿方式、行程等，同时设置刀具长度补偿、机床转心距的补偿等特殊要求。有两个参数最为重要，即转动中心轴线到主轴轴线的偏移距离和转动中心到主轴端面的距离，这两个参数的正确与否直接决定了仿真结果的真实与否[3]（见图4-图7）。

3 VERICUT的仿真加工、验证

要进行数控程序的机床仿真与验证，首先应预建整个数控加工工艺系统的仿真环境，其过程通常如下[4]：

①项目初始化。在VERICUT7.3 中，建立新项目文件、设置视图数量及类型和设置工作目录等。项目文件名称为“basic_4axes_vmill.VcProject”。

②加载机床文件、控制系统文件。本实例中，直接加载已经创建好的控制系统文件和机床文件。

③创建刀具。分别建立如下刀具：1号刀：Φ12中心钻头；2号刀：Φ4钻头；3号刀：Φ4.8钻头；4号刀：Φ5钻头；5号刀：Φ6钻头；6号刀：Φ8平底刀；7号刀：Φ10圆鼻刀；8号刀：Φ8球头刀。

④添加夹具，在UG8.5中完成夹具的模型的创建，并装配，然后保存为STL格式即“夹具.stl”，导入到VERICUT7.3中，调整坐标。

⑤添加加工模型，即安装毛坯，如图8所示。

⑥数控程序的添加。添加由UG8.5生成的名为“01.NC”的NC程序。

⑦建立坐标系统。建立坐标系统Csys1。

⑧设置G—代码偏置—G54。定义加工坐标系G54。

⑨指定加工刀具。完成搓接鼓的仿真加工，如图9所示。

4 结束语

本文研究了2033VMC加工中心仿真过程中的三维建模和加工仿真技术的关键技术，利用UG8.5 建立机床的部分模型及夾具和工件模型，然后在VER ICUT7.3 平台上将机床各部件和工件进行装配，构建了虚拟仿真机床，并对机床进行参数设置，使虚拟机床运行起来跟实际机床一样。通过搓接鼓零件的仿真加工与实际加工结果对比，实际加工如图10所示，验证了虚拟机床的准确性和实用性，不仅有利于教学，而且在实际生产中，防止实际加工中产生干涉或过切，同时减少首件的试切的工作，大幅度提高加工效率，对我国的制造业的发展具有重要意义。

参考文献：

[1]李建刚，俞春华，王琳，等.基于VERICUT非圆齿轮磨齿虚拟加工研究[J].机械传动，2010，34（2）.

[2]王虎奇，张健，唐清春.基于VERICUT7.0五轴双摆头机床建模和仿真的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2014（6）：12-14.

[3]郑贞平，黄云林，黎胜荣.VERICUT7.0数控仿真技术与应用实例详解[M].北京：机械工业出版社出版社，2011：41-55.

[4]仲兴国.基于UG 和VERICUT 的四轴自动编程及仿真[J]. 机床与液压，2013（8）：10-12.endprint