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      [ 摘要] 利用UG 的建模功能構建XKA714 機床幾何模型，基于VERICUT 軟件與機床實際結構及其運動關系建立其虛擬的仿真系統，并以此虛擬機床環境對某零件進行加工仿真，對其刀位軌跡進行優化，獲得優化的數控程序。然后進入現實機床進行實際加工，驗證所構建虛擬仿真系統的正確性與可行性。虛擬仿真與實際加工結果表明，虛擬仿真加工對提高零件加工效率和加工質量，降低加工成本具有積極的作用。

  

      關鍵詞： VERICUT 數控銑床建模 仿真 優化

  

      隨著制造技術水平的不斷提高，加工零件的結構越來越復雜，對產品精度的要求也越來越高[1]。如何有效地驗證數控加工程序的正確性和合理性，避免切削過程中的過切、欠切、碰撞和超行程等問題顯得越來越重要。

   

      針對這些問題，筆者嘗試采用仿真軟件建立一個虛擬的加工環境，對加工過程進行仿真和校驗，從而提前發現實際加工中存在的問題，然后對其進行修改，對產品質量進行評估。在不消耗材料，不占用機床的情況下，采用構建的虛擬機床對其進行仿真加工，從而得到合理、優化的數控程序，進而縮短零件的加工時間，降低加工成本，提高加工效率[2]。為此，本文以XKA714 銑床為對象，采用UG 和VERICUT 構建機床模型，然后對零件進行仿真加工，并對其加工進行優化。

  

      1 VERICUT 的仿真加工過程

  

      采用VERICUT 進行仿真加工，其過程一般包括機床環境的構建、定義控制系統、構建刀具庫、對工件和毛坯及夾具進行建模、參數設置、導入數控程序、仿真加工和仿真結果的分析與優化。

  

      采用VERICUT 進行仿真加工，其過程如圖1 所示，其中重點是機床模型的建立和數控程序的生成及優化。在仿真過程中必須保證在三維編程軟件中所用的刀具與VERICUT 中的刀具完全一致，加工坐標系要相同，以確保生成的數控程序能正常加工。

 

 

 

                                                    圖1VERICUT仿真加工流程

 

      2 建立XKA714 銑床模型

  

      在VERICUT中構建機床的過程就是將數控機床實體按照運動邏輯關系進行分解，并為各部件建立幾何模型，然后按照他們之間的邏輯結構關系進行“裝配”。

      基于UG 和VERICUT 構建XKA714 銑床步驟[3-4]：

  

      （1）建立機床模型。在進行機床模型構建時要弄清楚機床的傳動鏈，通過對機床的分析可知該機床的傳動鏈如圖2 所示。按照該傳動鏈建立組件樹，如圖3 所示。然后利用UG 進行部件幾何模型的建立，將其導入到組件樹中，按照其在機床上的位置關系進行定位，完成機床模型的構建。

 

 

 

   

 

  

    圖3 機床組件樹

      （2）定義控制系統。機床模型構建好后，需要對其控制系統進行定義。VERICUT 自身有73 種數控機床控制系統文件，需要時可以直接調用，如果沒有適用的控制系統，可以自行定制。本文選用軟件自的

“fan21im.ctl”文件，在此基礎上進行修改。對比FANUC 0iMC 和FANUC 21im 操作說明書，發現其中有部分編程指令存在差異，對他們進行修改，以保證FANUC 0i MC系統的功能要求。

  

      （3）夾具、毛坯和工件的建模。進行夾具建模主要是為了在加工過程中進行夾具與機床上的其他部件之間的干涉和碰撞檢查。本文在UG 中對夾具、毛坯和工件進行建模，再以STL 格式導入到VERICUT 中。

  

      （4）建立刀具庫。在VERICUT 中可建立銑削刀具、車削刀具和螺紋刀具等。對于較為復雜的刀具部件（如刀柄等），還可以從外部導入。本文直接在VERICUT 中進行刀具的創建。

  

      （5）機床參數設置。機床構建好后，需要對機床參數進行設置，如機床干涉檢查、機床初始化位置、機床行程置、工件編程原點和機床原點等設置。

   

   

 

                               圖4 所示為構建的XKA714 機床幾何模型

 

      3 虛擬仿真加工與優化

      本文加工的零件為數控大賽中的旋鈕零件，其三維模型如圖5 所示。對該模型進行工藝分析，其加工方案如表1 所示。利用UG/Post Builder 建立XKA714 專用后置處理器（本文未與討論），生成數控加工程序。

  

      3.1 仿真加工與過切、欠切檢查

      調入經過后處理生成的數控程序，對零件進行仿真加工，仿真加工過程如圖6 所示，加工完成的工件如圖7 所示。

      在仿真加工過程中，可以清晰、動態地觀察到刀具的走刀路徑。利用VERICUT 的AUTO-DIFF 模塊，進行過切與欠切的檢查。將仿真加工的模型與設計模型進行比較，將其中的過切部分和欠切部分用已選定的顏

   

   

 

      圖5 零件三維模型

 

 

 

      表1 加工方案

 

 

      圖6 零件仿真加工過程

 

 

 

      圖7 仿真加工后的工件

色顯示出來。此處，將仿真公差設定為0.1mm，經過多次仿真和修改，確認不存在過切和欠切現象，圖8 所示為生成的比較報告。欠切與過切檢查表明加工結果可達到所需的精度要求。通過仿真加工驗證可減少零件的試切次數。

  

  

      VERICUT 優化是模擬實際切削條件，根據每部分切削材料量的不同和當前所使用的刀具，計算每步程序的切削量，再和切削參數經驗值或刀具廠商推薦的刀具切削參數進行比較。經計算分析，當余量大時，VERICUT 降低進給速度；余量小時，提高進給速度，進而修改程序，插入新的進給速度，為每種切削條件指定最佳進給率，最終創建出安全、高效的數控程序[5]。優化后的程序進給率得到提高，其加工路徑均與原來的路徑相同，可為一系列預先設定好的加工條件輸入理想的進給率。

 

 

      圖8 自動比較的最終檢查報告

      利用VERICUT 提供的OptiPath 模塊，對刀具軌跡進行優化。根據選用的機床數據和對零件的工藝分析，對優化刀具庫中的參數進行設置[6]，以R3 的刀具為例設置完成的刀具優化庫如圖9 所示。

 

   

 

      圖9 刀具優化庫設置

      仿真結束后VERICUT 會自動產生1 個優化刀具軌跡庫，優化前后的數控程序可以通過主菜單中的“優化→比較文件”命令進行查看，圖10 所示是粗加工程序，左側為優化前的程序，右側為優化后的程序。對比優化前后的數控程序，可以發現優化前程序中的進給速度是固定不變的，優化后的進給速度是不斷變化的。而且，優化后的數控程序變長了，由原來一行代碼變為幾行代碼。這是因為優化刀具軌跡模塊在讀入數控程序時將刀具軌跡的運動自動劃分為若干細小的刀具運動，它根據每段程序的材料去除量，自動為其配置最佳的進給速度，但并沒有改變原刀具軌跡路徑[7-8]。優化完后可以在VERICUT 日志中查看到優化前后的加工時間對比，每道工步的加工時間變化如表2 所示，其中w1：

 

 

 

 

 

      圖10 部分加工程序優化前后對比

      由表2 可見，基于VERICUT 對數控程序進行優化，可縮短加工時間，優化數控程序。不僅可降低試切次數和成本，提高加工安全性，而且可提高零件的加工精度和表面質量，使數控程序更加合理。

 

      4 實際加工驗證

  

      為了驗證本文構建的仿真系統的實用性，將經過仿真系統檢驗和優化后的數控程序用CF 卡傳到XKA714數控銑床上進行在線加工，加工材料為LY12。加工完成后的工件如圖11 所示，通過對虛擬加工和實際加工

的對比分析，可以得出以下結論：

  

      （1）實際加工中沒有發現任何碰撞、干涉現象。證明在實際加工前，利用VERICUT 進行虛擬仿真加工，檢驗數控程序和進行干涉、碰撞等檢查的有效性。

  

      （2）觀察發現實際加工過程中其加工進給率隨加工條件不斷變化。程序未優化前零件加工時間為164.07min，優化后程序的加工時間為111.2min，加工效率提高了32.22%。從而驗證了利用VERICUT 進行程序優化的正確性。

  

      （3）檢查實際加工的零件尺寸和精度，滿足設計要求，驗證了仿真系統的加工精度的可靠性。

      5 結束語

  

      采用UG 和VERICUT 相結合的方法，對旋鈕零件進行仿真加工，驗證了該方法的合理性和有效性。使用該方法對加工過程進行模擬，對數控程序進行驗證與優化。通過優化使得數控程序更合理，加工時間縮短。不僅降

低了試切成本，而且提高了加工的安全性，使得刀具壽命得到延長，零件的加工精度和表面質量得到改善。同時，該方法使得產品的生產周期得到縮短，提高了機床的利用率和生產效率，進而提高了企業的經濟效益。表2 工件優化前后的加工時間變化。

 

 

      表2 工件優化前后的加工時間變化 

 

 

 

      圖11 實際加工的工件

      參 考 文 獻

  

      [1] 姚運萍, 王素梅. 基于VERICUT 的虛擬機床建模與復雜曲面加工的研究. 新技術新工藝, 2010(1):37-39.

  

      [2] 王雷, 凌雪. 基于VERICUT 的XH714 加工中心仿真. 井岡山大學學報（自然科學版）, 2011, 32(5):92-95.

  

      [3] 孔德英, 崇凱, 王霄. 基于UG/CAM 和VERICUT 的數控加工仿真與優化. 機床與液壓, 2011, 39(23):147-149.

  

      [4] 唐秀梅, 李克安, 牛昌安, 等. Vericut 數控加工仿真技術. 北京: 清華大學出版社, 2010.

  

      [5] 詹沛枝, 陽林, 元宇鵬. 基于VERICUT 轎車儀表盤模具型芯加工仿真和刀軌優化. 機電工程技術, 2010, 39(11):42-45.

  

      [6] Sencer B, Altintas Y, Croft E. Feed optimization for five-axisCNC machine tools with drive constraints.International Journal of MachineTools & Manufacture, 2008, 48(7/8):733-745.

  

      [7] 李存鵬. 基于VERICUT 的虛擬數控加工刀具軌跡優化. 機械研究與應用, 2011(1):15-16.

  

      [8] 劉衛. 基于VERICUT 的數控加工的優化. 機械設計與制造,2009(5):188-189. （責編　億霖）