HPM 1850U虚拟机床的构建与多轴数控加工仿真验证*

王智杰，曹 岩，姚 慧

(西安工业大学机电工程学院，西安 710021)

0 引言

装备制造业不仅是重工业和国防工业领域的重要基础，而且也是国民经济生产的重要支柱，尤其是“中国制造2025”也将“促进制造业创新发展”作为主题。随着装备制造业中航空、航天、航海以及汽车领域技术的飞速发展，传统的三轴数控加工已经无法满足装备加工要求，而五轴联动数控机床不但可以满足这些行业复杂零件的加工要求，还可以提高加工效率。五轴联动机床在传统三轴机床基础上增加了两个旋转轴，实现了各个轴之间的联动功能，并且可以很灵活地控制刀轴和工件在机床空间内的位置，随时按照工艺人员的要求来调整刀轴的矢量与工件的位置，从而使得设置走刀轨迹更加灵活高效。目前走刀轨迹的生成主要依靠主流的数控编程软件来完成，比如西门子的NX、达索公司的Catia、Delcam Plc公司的Power-MILL、OpenMind公司的hyperMILL等软件，这些数控编程软件提供了轨迹的后置处理、丰富的加工策略、逼真的渲染仿真、干涉检查等功能，但是这些软件都无法对后置处理得到的NC程序进行干涉检查，尤其是五轴加工过程中刀轴或工作台可以随时旋转，这样就增加了加工过程中干涉碰撞的可能性，例如刀轴与零件、刀具与夹具、刀具与工作台之间的干涉碰撞。所以就需要使用专业的仿真软件对五轴联动机床的加工进行仿真。而美国CGTECH公司开发的VERICUT就是一款专业的数控加工仿真软件，其不仅可对后置处理的NC程序进行仿真，而且还可以对机床运动进行模拟仿真，同时也可以检查加工过程中刀轴与零件、刀具与夹具、刀具与工作台之间的干涉碰撞，最主要的是其能够真实直观地模拟机床实际切削加工的全过程。本文以瑞士GF阿奇夏米尔集团HPM 1850U五轴机床为例，利用VERICUT软件对其构建数控加工仿真环境，并研究了VERICUT虚拟加工仿真的关键技术和方法，最后通过某叶轮的虚拟加工验证了仿真的正确性。

1 HPM 1850U虚拟仿真环境的建立

1.1 HPM 1850U机床机构分析

HPM 1850U(后面都简称1850U)机床属于摆头+旋转工作台五轴机床，其最主要的特点就是其主轴可以进行-20°～+110°摆转，实现立式机床与卧式机床的转换。1850U加工中心如图1所示。

图1 1850U加工中心

1.2 VERICUT搭建虚拟仿真机床

1850U机床属于专用类机床，VERICUT机床模型库没有其虚拟机床模型，所以需要单独建立其虚拟机床模型。

(1)1850U机床结构分析及几何建模

1850U机床属于多轴联动的加工中心，其主轴可进行立式与卧式的转换，所以该机床各轴之间的相互运动关系相当复杂，其中主轴、摆头以及旋转台的旋转中心的相互位置关系等参数尤为重要。

1850U机床结构拓扑关系分为两部分：一部分是以旋转工作台(C轴)为主的U轴模块结构，另一部分是以摆动A轴为主的V轴模块结构。根据1850U机床各部分的实际尺寸建立好几何模型，分别将机床各部分的几何模型搭建到U轴模块和V轴模块结构上。机床各轴结构模型的拓扑关系图和几何模型机构图如图2所示。

图2 HPM1850U机床结构模型拓扑关系图及几何模型图

(2)1850U机床运动关系建模

运动关系建模是将前期搭建好的1850U机床模型赋予运动特征，使机床各轴能按预定要求的运动进行切削加工。按以下步骤建立1850U机床的运动关系模型：

1)定义坐标系

1850U机床与其他机床类似，需要定义各种坐标系，通过坐标系判断各运动轴相对于机床零点的位置和运动方向。这些坐标系包括：模型坐标系(XM,YM,ZM)、组件坐标系(XC,YC,ZC)、机床坐标系(Xmch,Ymch,Zmch)、工件坐标系(Xwp,Ywp,Zwp)、加工坐标系(X,Y,Z对刀点)。以上坐标系都是完成机床模型创建后由系统自动产生。而1850U机床要想完成虚拟仿真加工，还需通过“用户坐标系(CSYS)”来定义编程坐标系，该坐标系与数控编程时坐标系一致，也可作为分析零件尺寸和剖切零件的基准坐标系。图3 显示了1850U机床的部分坐标系。

图3 1850U机床的编程坐标系和机床坐标系

2)构建运动关系结构树

通过分析1850U机床的运动关系可知，该机床加工过程的实现是两条运动链的相互运动配合形成。分别为：床身(Base)→X轴→C轴→夹具(Fixture)→毛坯(Stock)，这是“床身-工件”(U轴模块)的运动关系链，主要是解决工件在机床上运动的问题。然后要创建第二组创建运动关系：床身(Base)→Y轴→Z轴→A轴→主轴(Spindle)→刀具(Tool)，这是“床身-刀具”(V轴模块)运动关系链，主要是解决刀具在机床主轴上运动的问题。根据机床运动关系结构树将建好的机床各个部件模型逐个导入到VERICUT软件中，完成配置虚拟机床的模型。构建的虚拟机床如图4所示。

图4 1850U机床的运动关系结构树和虚拟机床

3)定义机床相关参数

1850U机床需要定义机床干涉检测、机床行程极限等参数，这些根据1850U机床实际参数来设置。主要是防止在机床在仿真过程中发生运动失效和干涉的结果。机床干涉和行程极限设置如图5和图6所示。

图5 设置碰撞检查 图6 设置“行程极限”

(3)创建虚拟刀具库

构建虚拟刀具库一般都是按照实际加工对象的工艺以及刀库的容量来配置刀具库。对于单一刀具来说，创建一把虚拟刀具主要有建立刀具(Cutter)、建立刀柄(Holder)、刀具命名和设定装夹点4个步骤。刀具的创建要根据加工工艺的实际刀具的参数一比一进行构建。这些参数包括：刀具类型、刀具直径、刀具总长、刃长、刀尖点以及刀具夹持点。如图7所示。

图7 刀具建立的示意图

虚拟刀柄的创建是为了在虚拟仿真过程中防止发生干涉碰撞。1850U机床用的是高速切削的HSK刀柄系统，可根据实际刀柄尺寸创建虚拟刀柄。创建的刀柄如图8所示。

图8 刀柄建立的示意图

1850U机床的刀具号应与其对应的数控程序中调用的指令号一致，保证换刀功能的准确实现。现将1850U虚拟机床中刀具管理器中的刀具命名为“4(D4R2直柄球头铣刀)”，并将刀具的驱动点设置为刀尖点，坐标值为(0，0，0)，设定刀具的装夹点坐标值为(0，0，200)，设置好刀具信息如图9所示。

图9 刀具信息设置

1.3 VERICUT数控系统调用与配置

(1)调用数控系统

机床的数控系统也叫机床的控制系统， HPM1850U机床用的是德国海德汉数控系统“iNTC530”，对应的VERICUT的控制系统库中的“hei530”。如图10所示。

图10 “控制系统”库

(2)数控系统的配置

1850U机床带有自适应控制系统(CACS),可以根据实际加工情况来随时调整加工参数。这就需要数控系统的柔性来满足其定制化的要求。通过VERICUT提供的宏指令对数控系统进行特殊的配置和调整，并根据指令说明，定义相应的字格式，最后完成该功能的实现。

(3)进行MDI测试

在不加载数控程序的情况下，通过简单的换刀指令和运动指令对机床各个运动轴的运动方向、碰撞、超程等状况的进行检验、测试。

2 VERICUT 机床加工仿真过程

本文以某叶轮零件为例，使用该虚拟仿真机床进行切削加工仿真。加工的叶轮和加工过程如图11所示。首先需要在Siemens NX软件中利用CAM模块生成刀轨，然后将生成的刀轨文件经1850U机床专用的后处理器生成数控加工程序。此时，将后置处理得到的数控加工程序导入VERICUT中就可以进行模拟仿真。在进行虚拟仿真加工之前，需要对毛坯、夹具、刀具、加工坐标系进行设置以及添加数控程序。

(1)设置毛坯和夹具

虚拟仿真环境中的毛坯、夹具的设置都是根据其实际尺寸构建三维模型，然后再将其导入模拟机床项目树中的Fixture、Stock位置，并根据实际加工的要求，设置好毛坯和夹具在仿真机床环境中的位置，毛坯的中心必须与主轴的中心在同一直线。如图12所示。

(2)设置刀具

刀具的设置已经在“创建机床刀具”中设置好，同时要将仿真加工的刀具与Siemens NX生成叶轮刀路的刀具保持一致，包括刀具的刀号、刀具尺寸等参数。

(3)设置坐标系

在Siemens NX软件中刀具是相对于工件坐标系生成叶轮刀具轨迹的，所以在虚拟仿真环境中需要建立一个与Siemens NX中编程一致的工件坐标系，并设置为Csys 1。如果坐标系不一致虚拟仿真时就会出现干涉、撞刀等现象。

图11 叶轮三维模型与加工过程图

图12 毛坯和夹具在仿真机床环境中的位置

(4)添加数控程序

将Siemens NX后置处理生成的数控加工程序添加到模型树的“数控程序”中，当程序添加完成后就可进行虚拟仿真加工。加工过程如图13所示。

图13 叶轮数控虚拟仿真加工过程

通过VERICUT软件中虚拟仿真加工，可以看到机床加工时的运动过程，并且还可以检查数控程序的正确性、生成的刀具轨迹是否合理，然后可判断刀具与夹具、刀柄与夹具、主轴与工作台之间是否存在干涉和碰撞等。叶轮仿真加工过程如图14所示。仿真完成后，可以通过在VERICUT的日志报告文件中得到加工过程中的详细信息，并且可以对加工过程中出现的问题进行查询和改进，最终满足实际加工的要求。

图14 叶轮数控虚拟仿真加工结果

3 实验加工验证

仿真验证无误后，需要在实际的机床上进行加工实验，所以后续在1850U机床进行了叶轮的实际加工，加工结果如图15所示。在加工过程中没有发生刀具的干涉、碰撞以及机床超程等现象，加工后叶轮叶片的曲面和圆角处较为光顺。证明了该机床的VERIVUT虚拟仿真模型的正确性和有效性。

图15 叶轮加工实物图

4 结束语

本文完成了五轴立卧转换机床HPM 1850U主要部件的建模及装配，利用VERICUT软件构建了1850U虚拟机床的专用仿真平台，并且针对该仿真平台进行了虚拟加工验证，最后进行了实际加工验证。验证结果表明，该专用仿真平台可以模拟1850U机床实际加工情况，可以检查数控程序的正确性，分析工艺的合理性，同时监测加工过程中的干涉、碰撞和超程等问题，可以对实际加工的设备和操作人员起到保护作用，并为现场实际加工提供仿真技术支撑。本文的虚拟仿真技术不但为其他多轴联动数控机床的数控虚拟仿真技术提供一定的技术经验支持，并且也对提高我国多轴数控加工仿真水平也具有重要的意义。