0 引言

　　對于多軸聯動的數控機床，在加工過程中難免會發生王件過切、欠切以及機床碰撞等問題。如果在加工前能夠通過虛擬加工，預先發現制造過程中存在的各種問題，及時修改加工程序，避免加工中出現廢料，不僅會節省加工成本，而且會有效提高機床的加工效率，并使企業朝綠色制造的方向發展。

　　美國CGTECH公司開發的VERICUT軟件，專門用于數控機床加工過程的仿真，可以建立機床實體模型，虛擬真實的切削環境，仿真數控機床加工的整個過程，因而被廣泛應用于航空、航天、汽車、機床和重工業制造以及教育領域等。美國波音公司、福特汽車公司以及國內許多企業如沈飛等都已經把VERICUT軟件用在生產實踐中，許多學校也把VERICUT軟件應用于數控教學和科研實踐中。

　　本文作者總結了VERICUT軟件的虛擬加工的整個過程，并以三軸積五軸聯動的數控機床為例，重點闡述了基于機床各部件的運動關系和幾何關系，在VERICUT中建立機床虛擬模型的關鍵技術和方法。

　　1 VERICUT軟件的主要功能

　　VERICUT軟件具有很多功能模塊，可以實現機床仿真和程序驗證、程序優化以及形成數控加工工藝文檔等。通過仿真及程序校驗，以減少實際加工中切壞工件、返工、刀具折斷、機床碰撞等錯誤發生的概率，保證加工過程中的安全性;通過對加工程序的優化，以減少加工時間、提高零件表面質量，提高機床的加工效率和使用效率。

　　2 基干VERICUT數控機床加工仿真過程

　　基予VERICUT的仿真過程如下：

　　(1)調用或建立相應的機床模型文件(機床文件);

　　(2)調用或建立機床相配的控制系統文件;

　　(3)建立并調用刀具庫文件;

　　(4)選擇仿真的NC程序;

　　(5)設定編程原點;

　　(6)設置碰撞撿測等參數;

　　(7)仿真加工(并記錄仿真過程);

　　(8)分析零件，把設計實體同切削過后的實體進行自動比較;

　　(9)優純數控搬王過程;

　　(10)形成數控加工工藝文檔。

　　其中數控機床的虛擬模型的建立是虛擬制造的基礎與核心，仿真加工過程的關鍵是要在VERICUT環境中，建立起數控機床的虛擬模型，才能對數控加工過程進行真實模擬。

　　3 機床建模的基本概念及關鍵技術

　　3.1 機床建模的概念與操作

　　基于VERICUT軟件可以對數控機床的本體，控制系統、刀具庫、以及卡具、毛坯等虛擬建模，通過選擇加工程序等就可以實現對整個加工過程的真實模擬。所以在仿真過程中的關鍵首先是建立相應的數控機床模型。機床模型可以通過導入外部各個零部件的模型文件，也可以通過系統提供的基本體素直接在VERICUT中建立。

　　在VERICUT中，機床建模的操作非常簡單，只需要點擊相應工程的組件樹圖標(Compent Tree)，在彈出的組件樹框架中，從Base(機體)開始，點擊右鍵，通過Append(添加)命令，逐一添加機床各運動部件，就可以建立起機床的基本框架，如圖1所示。

　　圖1 機床模型樹建立界面與操作方法

　　建模的難點在于分析數控機床各部件的運動關系及各部件之間的幾何關系。以下以多軸聯動機床為例，詳細闡述在VERICUT中，虛擬機床建模的基本概念、方法與關鍵技術。

　　3.2 三軸聯動機床建模的方法與關鍵技術

　　數控機床根據聯動軸數通常可分為三軸聯動、四軸聯動和五軸聯動的數控機床，以下通過實例，分別通過對三軸和五軸聯動數控機床各部件之間的運動關系的分析，說明建立其相應組件樹的具體方法與過程。

　　數控機床有三個線性坐標X、Y、Z和分別繞著X、Y、Z旋轉的三個旋轉坐標A、B、C。通常，三軸聯動一般為三個直線坐標能夠同時進行插補運動，四軸聯動指三個線性坐標加上一個旋轉坐標，五軸聯動指三個線性坐標加上兩個旋轉坐標共同實現空間運動。在建立數控機床模型時，首先需要構建機床組件樹，該組件樹和機床的實際結構相關，所以首先需要分析實際機床各個組件之間的運動關系。

　　在分析機床各組件運動關系時，關鍵是要抓住兩條主要的運動鏈：一個是“機架-刀具”傳動鏈，一個是“機架-毛坯”傳動鏈。這兩條傳動鏈構成了數控機床的基本模型。機床建模時，分別從毛坯和刀具兩個方面人手，依次找到各自對應的運動鏈，就可建立起整個機床的運動模型。

　　以下分別以三軸立式銑床和臥式銑床為例進行分析說明。對于三軸立銑，如圖2所示，主軸帶著刀具通過立柱沿z向運動，形成“機架-刀具”傳動鏈;毛坯裝卡在沿X向運動的工作臺上，該組件又和實現y向運動的組件連接，形成“機架-毛坯”傳動鏈鏈，如下所示。

　　圖2 三軸數控立銑

　　根據以上對機床部件運動部件的分析而形成的兩大傳動鏈，按照圖1介紹的機床建模的操作方法，就可以建立起機床所對應的組件樹，如圖3所示。

　　圖3 三軸數控立銑組件樹

　　對于三軸臥銑，如圖4所示，主軸帶著刀具，通過立柱沿Y向運動，該運動組件和實現X方向運動的組件相連，形成“機架-刀具”傳動鏈;毛坯附著在沿Z向運動的組件上，形成“機架-毛坯”傳動鏈，如下所示。

　　圖4 三軸數控臥銑

　　根據以上對橇床部件運動部絳的分糲秀形成的兩大傳動鏈，就可以建立起機床醞對應的組侔樹，如圖5所示。

圖5 三軸數控臥銑組件樹

　　3.3 五聯動機床建模的方法與熒鍵技術

　　在對三軸數控立銑和數控臥銑機床建模的基礎上，以5軸為例，進一步研究數控機床的建模的方法與關鍵技術。

　　如圖6所示的五軸立銑加工中心，根據機床的實際運動結構，首先找到兩大傳動鏈。主軸帶著刀具通過立柱沿著Z向運動，該運動組件和實現y向運動的組建相連，沿y向運動的組件又和沿X方向運動的組件相連，形成整個刀具傳動鏈。毛坯裝卡在實現C向轉動的組件上，該組件又和在實現B向旋轉的組件相連，共同構成毛坯傳動鏈，如下所示。

　　圖6 五軸數控機床                                            圖7 五軸數控機床組件樹

　　根據以上對機床部件的分析而形成的兩大鏈組件，就可以建立起機床所對應的組件樹，如圖7所示。

　　3.4 添加組件的幾何模型

　　根據機床運動模型，建立好組件樹后，接下來就可以對相應部件添加對應的幾何模型。可以將通過CAD軟件在外部建立起來組件模型文件直接調入，也可以在組件樹中直接建立各個組件的模型，并按照一定的裝配關系使各組件準確定位。機床各個組件定位過程中，均以機床坐標系作為各組件的定位參照。

　　為簡化建模過程，不要求完全按照實際機床的零部件的結構形狀進行建模，只需建立運動單元的簡單外形，但是對加工有影響的尺寸，如機床零部件的基準和控制尺寸等應該與實際機床相一致。

　　3.5 設置機束參數

　　根據機床的實際情況確定初始位置，設定各坐標軸行程等，以進行超程、碰撞干涉等檢測。

　　這樣通過對實際機床運動模型和幾何模型的分析，就建立了數控枧床盼虛擬模型，為實際機床的仿真加工奠定了重要基礎。

　　4 結論

　　分別以三軸和五軸聯動的數控機床的建模為例，提出了使用VERICUT軟件進行虛擬數控機床建模的基本方法的關鍵技術，為數控機床的虛擬制造奠定了重要基礎。并且該方法對于在VERICUT環境下，建立其它類型的機床模型具有指導性意義。