论文部分内容阅读
（宜宾职业技术学院现代制造系 四川宜宾 644003）
摘要：用VERICUT软件创建G996HSB型五轴联动高速加工中心模型仿真加工整体叶轮。应用VERICUT的组件树功能建立运动学模型，机床仿真模块构建五轴加工中心仿真模型，通过设置毛坯，指定刀位轨迹文件，配置相应参数，实现了整体叶轮加工过程的仿真。
关键词：数控加工；Vericut；整体叶轮；五轴联动；仿真
1 引言
整体叶轮是典型的五轴加工零件，常用于航空、汽车、能源等多种领域，其结构特点是曲面复杂且相邻叶片间气流通道狭小，叶轮叶片较薄，且叶片为非可扩展扭曲直紋面，叶片之间的表面干涉状况明显。由于其刀轴矢量变化频繁，在试切加工中极易出现撞刀、干涉现象。因此，在实际加工前采取仿真的方法对加工程序进行检验是十分必要的。VERICUT是专用的数控加工仿真软件，可以同时进行刀具轨迹和机床运动仿真，模拟零件装夹与加工过程中机床的真实运动情况，以避免机床部件与夹具和零件的碰撞。本文利用VERICUT软件实现整体叶轮的五轴数控加工仿真。
2 五轴加工中心仿真环境的建立
建立五轴加工中心仿真环境是在计算机上建立虚拟的五轴加工中心本体、控制系统和刀具库等，通过添加毛坯，调用NC程序，就可以在计算机上看到和机床加工一样的效果，因此建立五轴加工中心仿真环境是进行整体叶轮铣削仿真的基础。整体叶轮采用G996HSB型五轴联动高速加工中心来加工，G996HSB加工中心技术参数如表1所示。
下面介绍在Vericut中建立仿真系统的过程。
2.1 建立机床部件的三维模型
只有准确地构造机床各部件的CAD模型，才能够真实地模拟机床各部件的运动状况，以檢测机床、刀具和工件在加工过程中的空间位置情况，防止干涉。为简化建模过程，以每个运动单元为一个模块，只建立运动单元外形模型，建模不考虑机床各轴及主轴内部传动机构，底座及不运动部件简化为整体建模，但其基准和控制尺寸与G996HSB五轴加工中心一致。使用UG/CAD模块建立机床运动部件和固定部件的三维实体模型，并转换成Vericut软件可以识别的STL格式。
2.2 构建机床的部件树
根据G996HSB五轴加工中心的实际运动结构，首先找到两大传动链。主轴带着刀具通过立柱沿着Z向运动，该运动组件和实现X向运动的组建相连，沿X向运动的组件又和沿Y方向运动的组件相连，形成整个刀具传动链。毛坯装夹在实现C向转动的组件上，该组件又和在实现A向旋转的组件相连，共同构成毛坯传动链。在项目树中依次定义机床的组成部分，添加顺序为Base→Y→X→Z→Spindle→Tool，Base→A→C，从而得到机床组件树，如图1所示。
2.3 添加机床几何模型
添加各部件的STL模型时应注意将添加模型选择为模型文件，找到相应STL格式文件。逐个导入后完成虚拟机床的装配，得到虚拟机床模型，如图2所示。
2.4 机床参数设置
选取“配置/机床设定”，在弹出的对话框中设置机床干涉检查设置、机床初始位置、机床行程设置和运动轴分配等机床参数。
2.5 配置机床数控系统
G996HSB五轴加工中心配置的数控系统为SINUMERIK840D，选取“配置/控制/打开控制文件”，在控制系统库目录下选择sin840d.ctl。但Vericut提供的控制系统是最基本的配置，需要根据机床的控制系统功能和指令格式，对准备功能G代码、辅助功能M代码、寄存器地址和状态指令等进行设置。
2.6 创建刀具库
在Vericut中利用刀具管理模块，可建立适用于所加工工件的刀具库。刀具建模包括刀柄和刀片两部分，刀柄的形状先用UG软件建模，并将其转换成STL格式，便于使用时调入和调整位置。刀片在VERICUT中设置，选择相应刀片型号，输入刀片尺寸即可。
2.7 进行刀具轨迹仿真
在项目树中点击“数控程序”选择数控程序类型为“G-代码数据”，点击“添加数控程序文件”即可添加用于仿真G代码刀具轨迹文件。
3 整体叶轮的加工仿真
整体叶轮的加工仿真操作步骤如下：
（1）在Vericut环境下，调用已构建好的G996HSB五轴加工中心模型。
（2）调用机床文件、CNC控制文件和刀具库文件。
（3）引入整体叶轮毛坯。将毛坯的STL模型文件引入部件树。
（4）设置工件坐标系。工件坐标系的原点设置在整体叶轮毛坯上表面的中心。
（5）调入NC程序，并定义刀具列表以建立G代码中所指定的刀具号和主刀具库文件中的刀具号的映射关系。
（6）检查数控程序的正确性，设置碰撞、超程、干涉等识别颜色，选取工具条上的“单步仿真”或“连续仿真”键，开始加工仿真。仿真过程中，机床的运动状态与实际加工中机床运动状态相同，可以随时变换角度观察仿真情况，对机床、刀具以及夹具之间的干涉情况进行检验。整体叶轮的加工仿真，如图3所示。
（7）仿真结果分析。选取“分析/自动-比较”工具，检查零件有无过切、欠切等情况。若切削模型不理想，只需调整和更换NC程序，继续零件的加工仿真，直至切削模型与设计原型一致。
4 结语
本文基于VERICUT软件构建了G996HSB五轴加工中心的仿真环境，这种基于完整的数控加工工艺系统环境进行的整体叶轮NC加工仿真，比用CAD/CAM软件单纯的刀位文件仿真更真实，更接近实际加工情况，解决了实际加工过程中的过切、欠切，以及刀具、工件与机床部件和夹具的碰撞问题，降低了生产成本，提高了工作效率。
摘要：用VERICUT软件创建G996HSB型五轴联动高速加工中心模型仿真加工整体叶轮。应用VERICUT的组件树功能建立运动学模型，机床仿真模块构建五轴加工中心仿真模型，通过设置毛坯，指定刀位轨迹文件，配置相应参数，实现了整体叶轮加工过程的仿真。
关键词：数控加工；Vericut；整体叶轮；五轴联动；仿真
1 引言
整体叶轮是典型的五轴加工零件，常用于航空、汽车、能源等多种领域，其结构特点是曲面复杂且相邻叶片间气流通道狭小，叶轮叶片较薄，且叶片为非可扩展扭曲直紋面，叶片之间的表面干涉状况明显。由于其刀轴矢量变化频繁，在试切加工中极易出现撞刀、干涉现象。因此，在实际加工前采取仿真的方法对加工程序进行检验是十分必要的。VERICUT是专用的数控加工仿真软件，可以同时进行刀具轨迹和机床运动仿真，模拟零件装夹与加工过程中机床的真实运动情况，以避免机床部件与夹具和零件的碰撞。本文利用VERICUT软件实现整体叶轮的五轴数控加工仿真。
2 五轴加工中心仿真环境的建立
建立五轴加工中心仿真环境是在计算机上建立虚拟的五轴加工中心本体、控制系统和刀具库等，通过添加毛坯，调用NC程序，就可以在计算机上看到和机床加工一样的效果，因此建立五轴加工中心仿真环境是进行整体叶轮铣削仿真的基础。整体叶轮采用G996HSB型五轴联动高速加工中心来加工，G996HSB加工中心技术参数如表1所示。
下面介绍在Vericut中建立仿真系统的过程。
2.1 建立机床部件的三维模型
只有准确地构造机床各部件的CAD模型，才能够真实地模拟机床各部件的运动状况，以檢测机床、刀具和工件在加工过程中的空间位置情况，防止干涉。为简化建模过程，以每个运动单元为一个模块，只建立运动单元外形模型，建模不考虑机床各轴及主轴内部传动机构，底座及不运动部件简化为整体建模，但其基准和控制尺寸与G996HSB五轴加工中心一致。使用UG/CAD模块建立机床运动部件和固定部件的三维实体模型，并转换成Vericut软件可以识别的STL格式。
2.2 构建机床的部件树
根据G996HSB五轴加工中心的实际运动结构，首先找到两大传动链。主轴带着刀具通过立柱沿着Z向运动，该运动组件和实现X向运动的组建相连，沿X向运动的组件又和沿Y方向运动的组件相连，形成整个刀具传动链。毛坯装夹在实现C向转动的组件上，该组件又和在实现A向旋转的组件相连，共同构成毛坯传动链。在项目树中依次定义机床的组成部分，添加顺序为Base→Y→X→Z→Spindle→Tool，Base→A→C，从而得到机床组件树，如图1所示。
2.3 添加机床几何模型
添加各部件的STL模型时应注意将添加模型选择为模型文件，找到相应STL格式文件。逐个导入后完成虚拟机床的装配，得到虚拟机床模型，如图2所示。
2.4 机床参数设置
选取“配置/机床设定”，在弹出的对话框中设置机床干涉检查设置、机床初始位置、机床行程设置和运动轴分配等机床参数。
2.5 配置机床数控系统
G996HSB五轴加工中心配置的数控系统为SINUMERIK840D，选取“配置/控制/打开控制文件”，在控制系统库目录下选择sin840d.ctl。但Vericut提供的控制系统是最基本的配置，需要根据机床的控制系统功能和指令格式，对准备功能G代码、辅助功能M代码、寄存器地址和状态指令等进行设置。
2.6 创建刀具库
在Vericut中利用刀具管理模块，可建立适用于所加工工件的刀具库。刀具建模包括刀柄和刀片两部分，刀柄的形状先用UG软件建模，并将其转换成STL格式，便于使用时调入和调整位置。刀片在VERICUT中设置，选择相应刀片型号，输入刀片尺寸即可。
2.7 进行刀具轨迹仿真
在项目树中点击“数控程序”选择数控程序类型为“G-代码数据”，点击“添加数控程序文件”即可添加用于仿真G代码刀具轨迹文件。
3 整体叶轮的加工仿真
整体叶轮的加工仿真操作步骤如下：
（1）在Vericut环境下，调用已构建好的G996HSB五轴加工中心模型。
（2）调用机床文件、CNC控制文件和刀具库文件。
（3）引入整体叶轮毛坯。将毛坯的STL模型文件引入部件树。
（4）设置工件坐标系。工件坐标系的原点设置在整体叶轮毛坯上表面的中心。
（5）调入NC程序，并定义刀具列表以建立G代码中所指定的刀具号和主刀具库文件中的刀具号的映射关系。
（6）检查数控程序的正确性，设置碰撞、超程、干涉等识别颜色，选取工具条上的“单步仿真”或“连续仿真”键，开始加工仿真。仿真过程中，机床的运动状态与实际加工中机床运动状态相同，可以随时变换角度观察仿真情况，对机床、刀具以及夹具之间的干涉情况进行检验。整体叶轮的加工仿真，如图3所示。
（7）仿真结果分析。选取“分析/自动-比较”工具，检查零件有无过切、欠切等情况。若切削模型不理想，只需调整和更换NC程序，继续零件的加工仿真，直至切削模型与设计原型一致。
4 结语
本文基于VERICUT软件构建了G996HSB五轴加工中心的仿真环境，这种基于完整的数控加工工艺系统环境进行的整体叶轮NC加工仿真，比用CAD/CAM软件单纯的刀位文件仿真更真实，更接近实际加工情况，解决了实际加工过程中的过切、欠切，以及刀具、工件与机床部件和夹具的碰撞问题，降低了生产成本，提高了工作效率。