一、VERICU下軟件簡介

　　VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，由NC程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級機(jī)床特征模塊、實(shí)體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真數(shù)控車床、銑床、加工中心、線切割機(jī)床和多軸機(jī)床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過程，也能進(jìn)行NC程序優(yōu)化，縮短加工時問、延長刀具壽命、改進(jìn)表面質(zhì)量，檢查過切、欠切，防止機(jī)床碰撞、超行程等錯誤;具有真實(shí)的三維實(shí)體顯示效果，可以對切削模型進(jìn)行尺寸測量，并能保存切削模型供檢驗(yàn)、后續(xù)工序切削加工;具有CAD/CAM接口，能實(shí)現(xiàn)與UG. CATIA及MasterCAM等軟件的嵌套運(yùn)行。VERICUT軟件目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)，其最大特點(diǎn)是可仿真各種CNC系統(tǒng)，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個仿真過程包含程序驗(yàn)證、分析、機(jī)床仿真、優(yōu)化和模型輸出等。如圖1所示為從設(shè)計原型→CAM軟件→VERICUT→切削模型→模型輸出的整個機(jī)床仿真工藝流程。

圖1 機(jī)械仿真工藝流程

　　二、工藝系統(tǒng)仿真環(huán)境構(gòu)建程序

　　為在VERICUT軟件中實(shí)現(xiàn)NC程序加工仿真，需要預(yù)先構(gòu)建整個工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，其構(gòu)建的一般過程如下:

　　1.工藝系統(tǒng)分析

　　確定數(shù)控機(jī)床CNC系統(tǒng)型號和功能、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機(jī)床運(yùn)動原理、各坐標(biāo)軸行程、機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具庫和夾具庫等。

　　2.建立機(jī)床幾何模型

　　采用三維CAD軟件建立機(jī)床運(yùn)動部件(主要是各運(yùn)動坐標(biāo)軸和刀庫)和固定部件的實(shí)體幾何模型，并轉(zhuǎn)換成VERICUT軟件可用的STL格式。

　　3建立機(jī)床文件

　　建立機(jī)床運(yùn)動模型，即部件樹，添加各部件的幾何模型，并準(zhǔn)確定位。將結(jié)果保存為機(jī)床文件(后綴為.mch).

　　4.建立用戶文件和控制系統(tǒng)文件

　　在VERICT軟件中新建用戶文件(后綴為.usr)，設(shè)置所用CNC系統(tǒng)文件(后綴為.ctl).

　　5.建立刀具工具庫

　　根據(jù)機(jī)床選用的刀柄型式和規(guī)格、刀具種類，構(gòu)建機(jī)床刀具工具庫，將結(jié)果保存為刀具文件(后綴為.tcl)。

　　6.設(shè)置機(jī)床參數(shù)設(shè)置

　　機(jī)床各坐標(biāo)軸的行程，換刀位置、機(jī)床初始位置、機(jī)床參考原點(diǎn)等。

　　7.保存所有文件

　　全部設(shè)置完成后，保存所有文件，則仿真系統(tǒng)構(gòu)建完成。

　　三、構(gòu)建五坐標(biāo)高速銑FIDIA KR214仿真系統(tǒng)

　　1機(jī)床描述

　　該五坐標(biāo)高速銑為意大利FIDIA S.P.A.公司生產(chǎn)的懸臂式立式加工中心，主軸為HSK63E柄的電主軸，刀具庫容量為42把，所用數(shù)控系統(tǒng)為C20XPOWER,設(shè)備能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A、C、W六軸控制任意五軸聯(lián)動，工作臺為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。各軸的驅(qū)動電機(jī)全部采用全數(shù)字交流伺服電機(jī)，各軸的伺服控制全部采用全閉環(huán)控制、配置過載保護(hù)及報警功能，司時還具有機(jī)內(nèi)激光對刀裝置和RENISHAW MP18數(shù)字探頭工件測量及自動校正系統(tǒng)。機(jī)床的各軸行程如表1所示。

　　表1 機(jī)床行程

　　坐標(biāo)軸

　　行程

　　備注

　　X軸

　　2700mm

　　-

　　Y軸

　　1100mm

　　-

　　Z軸

　　1400mm

　　-

　　A軸

　　-100°~+200°

　　擺角半徑為310mm

　　C軸

　　-110°~+95°

　　主軸頭截面的最大對角線尺寸為805mm

　　W軸

　　-360°~+360°

　　1800mmX1800mmX200mm的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺

　　2.建立部件的3D模型

　　用Pro/ENGINEER野火軟件造型，以運(yùn)動單元建模，不需要按照機(jī)床零部件連接結(jié)構(gòu)構(gòu)建，也不必構(gòu)建各坐標(biāo)軸之間的傳動機(jī)構(gòu)，僅需對各部件的外形進(jìn)行建模。若某一部件由多個零件組成，可將各零件一體建模，也可各零件單獨(dú)建模，然后在VERICUT中進(jìn)行裝配，建立幾何模型后，將其另存為STL.格式。

　　3.建立機(jī)床部件樹

　　A.床身的建立選取菜單中Model-Component Tree或點(diǎn)擊快捷圖標(biāo)別，彈出部件樹對話框，如圖2所示。選取菜單中Model->Model Definition或點(diǎn)擊快捷圖標(biāo)，按順序操作，選取相應(yīng)的STL格式文件，正確設(shè)置位置參數(shù)，點(diǎn)擊Add和OK選項(xiàng)后返回部件樹菜單。

　　B.坐標(biāo)軸的X.Y.Z.A.C.W的建立。

　　在部件樹中右鍵單擊Base-->在光標(biāo)菜單選Append-->選XLinear,添加X軸;右鍵單擊X(0, 0, 0) -->在光標(biāo)菜單選Append-->選YLirear,添加Y軸;右鍵單擊Y(0, 0, 0) -->在光標(biāo)菜單選Append-->選ZLinear,添加Z軸;按照同樣的方法，添加其他部件。

　　4添加機(jī)床幾何模型

　　添加各部件的STL模型時應(yīng)注意將模型TYPE選擇為Model Files類型，按Browse找到相應(yīng)STL格式文件。

　　(1)雙擊部件樹中X ( 0, 0, 0)，選取相應(yīng)的STL格式文件，在Position欄和Angles欄內(nèi)輸入位置坐標(biāo)。

　　(2)雙擊部件樹中Y(0, 0, 0)，選取相應(yīng)的STL格式文件，在Position欄和Angles欄內(nèi)輸入位置坐標(biāo)。

　　(3)依照同樣的方法，完成其他部件的裝配，得到完整的FIDIAKR2I4機(jī)床部件樹，如圖3所示。

圖3 機(jī)床部件樹

　　5 建立機(jī)床刀具庫

　　選取菜單中Setup-->Tool Manager快捷圖標(biāo)列，彈出刀具管理對話框。

　　在菜單中選取Add-->New Tool-->Mill，彈出圖中1號刀具，右鍵單擊"1"，選取Cutter，彈出增加刀具對話框，按所需建立的銑刀類型(包含直齒銑刀、球頭銑刀、錐度銑刀及用戶自定義等)，設(shè)置刀具幾何參數(shù)，確定后返回刀具管理對話框。依照上述方法，建立一系列常用的刃具庫，并在Description欄中描述刀具的類型和規(guī)格等。

　　6設(shè)置CNC系統(tǒng)文件

　　選取菜單中Setup-->Gontrol-->Open或快捷圖標(biāo)，彈出打開控制文件對話框，在VERICU下安裝目錄的library子目錄下選取"fidm30.ctl";選取菜單中Setup-->Control-->Word/Address,彈出圖所示的對話框，根據(jù)機(jī)床的控制系統(tǒng)功能和指令格式，對準(zhǔn)備功能G代碼、輔助功能M代碼、寄存器地址和狀態(tài)指令等進(jìn)行設(shè)置，并保存該文件。

　　7.設(shè)置機(jī)床參數(shù)

　　選菜單Setup-->G-Code-->Settings，在彈出對話框中選Tables選項(xiàng)，再選取Job-Tables和Add/Modify選項(xiàng)，在Table Name列表框中選擇如下參數(shù)進(jìn)行添加:

　　Input Program Zero(工件編程原點(diǎn)):0 -895 -800(-800為Z萬向主軸端面到工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離);

　　Initial Machine Location(機(jī)床初始位置):13500000(XYZAC坐標(biāo)用空格間隔).

　　Machine Reference Location(機(jī)床參考點(diǎn)):13500000;

　　Tool Change Location(換刀位置):1350 895 10000

　　根據(jù)實(shí)際加工需要，還可以進(jìn)行Works Offsets(工件偏置)、RTCP Piovt Offset(RTCP旋轉(zhuǎn)偏置)等。

　　8.保存文件

　　將建立的文件分別保存為用戶文件.usr,控制系統(tǒng)文件.ctl,機(jī)床文件.mch和刀具庫文件.tcl.如圖4所示的是已建立的虛擬機(jī)床環(huán)境。

圖4 虛擬機(jī)床環(huán)境

　　四、仿真實(shí)例的應(yīng)用

　　實(shí)例中葉輪采用的材料為30CrMnSiA，經(jīng)熱處理后，其強(qiáng)度相當(dāng)大，屬于典型的薄壁件，葉片壁厚為4mm，易產(chǎn)生加工變形，加工周期長。該零件不但對尺寸精度和表面粗糙度要求高，而且對切削刀紋也有較高的要求，刀紋要順著流路方向。采用VERICUT軟件主要是為了解決如下問題

　　(1)由于編程時選擇的加工方式不理想，后置處理程序有缺陷，或因?yàn)榫幊虇T經(jīng)驗(yàn)不足，提前發(fā)現(xiàn)加工程序可能存在的問題，以免產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。

　　(2)進(jìn)行干涉檢查，及時對必須修正的地方進(jìn)行修正甚至重新編程，以保證向機(jī)床操作人員提供正確的加工程序。

　　(3)模擬零件裝夾與加工過程中機(jī)床的真實(shí)運(yùn)動情況，以避免機(jī)床部件與夾具和零件的碰撞。

　　(4)檢測零件加工后是否存在過切、欠切現(xiàn)象，測量加工后的零件與設(shè)計圖紙要求之間的差9等。

　　具體操作步驟如下:

　　@起動VERICUT，并調(diào)用所需用戶文件、機(jī)床文件、CNC控制文件和刀具庫文件。

　　@引入毛坯零件和設(shè)計零件。將葉輪毛坯零件和設(shè)計零件的STL模型文件引入部件樹。

　　@設(shè)置工件原點(diǎn)。X、Y軸零點(diǎn)在回轉(zhuǎn)工作臺的中心，Z軸零點(diǎn)為主軸端面到工件坐標(biāo)系的距離。

　　@引入刀位文件或NC程序。

　　@檢查數(shù)控程序的正確性，設(shè)置碰撞、超程、干涉等識別顏色，單擊工具條上的"單步仿真"或"連續(xù)仿真"鍵，開始加工仿真。

　　@仿真結(jié)果分析。采用縮放、移動、旋轉(zhuǎn)和打剖面等工具，能從不同視點(diǎn)觀察，詳細(xì)精確地測量切削模型。選取菜單上Analysis-->X-->Caliper測量工具測量工件尺寸;選取菜單上Analysis-->Auto-->Diff比較工具，檢查零件有無過切、殘余材料等現(xiàn)象。

　　@若切削模型不理想，只需調(diào)整和更換NC程序，繼續(xù)零件的加工仿真，直至切削模型與設(shè)計原型一致。如圖5所示的是已定型的葉輪仿真。

圖5 頁輪仿真加工

　　五、小結(jié)

　　在仿真軟件或系統(tǒng)建立以前，大部分編程人員在用CAM軟件編程后，為了驗(yàn)證程序的正確性，要采用各種各樣的試切方法，如空走刀、切削泡沫、試切軟材料、木材和低速加工等，這樣既費(fèi)時間，也浪費(fèi)各種相關(guān)的人力、物力，最危險的是有些潛在的問題和干涉現(xiàn)象不能及時發(fā)現(xiàn)，且難以提高編程效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。本文基于VERICUT軟件構(gòu)建了五坐標(biāo)高速銑加工的仿真環(huán)境，解決了上述存在的問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程的虛擬制造，比一些CAD/CAM軟件單純的刀位文件仿真更真實(shí)、直觀，更接近實(shí)際加工情況，仿真后的NC程序不用試切可直接輸入機(jī)床進(jìn)行加工，極大地提高數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。