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        摘要：利用VERICUT數(shù)控仿真軟件，建立起WFL M35型5軸車銑中心的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，并且以此仿真系統(tǒng)為平臺，完成曲軸類零件的模擬加工過程。通過對典型復(fù)雜零件的數(shù)控加工程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步確保其程序的正確性，使得零件的實(shí)際加工合格率大大提高。
 
        關(guān)鍵詞：車銑中心 數(shù)控仿真 系統(tǒng) VERICUT
 
        0 引言
 
        隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的日益成熟，基于虛擬仿真系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都將虛擬仿真技術(shù)引入到復(fù)雜零件的加工中。本文在合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院董玉德教授的悉心指導(dǎo)下，利用UG和VERICUT軟件，以WFL M35型5軸車銑中心，初步嘗試建立車銑中心的數(shù)字化模型，利用數(shù)字化制造加工仿真技術(shù)，建立起完整的零件生產(chǎn)制造流程。
 
        1 、機(jī)床數(shù)字化模型的建立
 
       本文利用UGl0．0完成車銑中心的建模工作。在建模的整個(gè)過程中，將機(jī)床劃分為以下幾大模塊分別完成，然后利用UG的虛擬裝配技術(shù)將機(jī)床完整構(gòu)造起來。這些模塊是：基礎(chǔ)床身模塊、z1線性軸模塊、Y1線性軸模塊、x1線性軸模塊、Bl旋轉(zhuǎn)軸模塊、S3銑主軸模塊、C1車主軸及卡盤模塊、中
 
      心架模塊、尾座模塊以及相關(guān)附屬模塊。其UG建模的總裝配圖如圖1。
 

      圖1 車銑中心的數(shù)字化三維模型
 
      2 、機(jī)床加工仿真系統(tǒng)的建立
 
      2．1 硬件仿真系統(tǒng)的建立
 
      本文將遵循三維建模環(huán)節(jié)的思路，將機(jī)床按照前述劃分的部件依次導(dǎo)人到仿真系統(tǒng)，并建立好相互關(guān)系。要建立的部件有：Base部件、z1線性軸部件、xl線性軸部件、Y1線性軸部件、B1旋轉(zhuǎn)軸部件、Tool Spindle S3刀具軸部件、Cl旋轉(zhuǎn)軸部件、Main Spindle S1車削軸部件、卡盤部件、中心架部件、尾座部件 。
 
     1)Base部件
 
     將UG模型中的基礎(chǔ)床身部件以STL文件格式導(dǎo)出，以模型的方式添加到組件樹的Base結(jié)點(diǎn)下面，即完成基礎(chǔ)床身部件的添加(圖2)。
 

     圖2 Base部件
  

    
  
     圖3 ZI線性軸部件
 
      2) Z1線性軸
 
      由于z1線性軸是相對于基礎(chǔ)床身而運(yùn)動(dòng)的，從運(yùn)動(dòng)依賴關(guān)系上考慮，z1線性軸從屬于Base部件。所以在項(xiàng)目樹的層次安排上，z1線性軸應(yīng)放在ase結(jié)點(diǎn)下方。在Base結(jié)點(diǎn)下添加一個(gè)“z線性軸”組件，重命名為z1。在z1組件下添加相關(guān)模型文件。模擬添加完畢后，將zl線性軸的快進(jìn)定位速度設(shè)置為150 00 mm／min，最大進(jìn)給速度設(shè)置為12 000 mm／min。并且將此部件沿z向移動(dòng)一155mm，以便回到z軸零點(diǎn)位置。過程見圖3 。
 
      3)X1線性軸和Yl線性軸
    
      在M35型車銑中心機(jī)床的真實(shí)構(gòu)造中，xl軸是安裝在z1軸上的，Y1軸是安裝在Xl軸上的。從運(yùn)動(dòng)關(guān)系上分析，Y1軸的運(yùn)動(dòng)依賴于x1軸，而x1軸的運(yùn)動(dòng)依賴于z1軸。因此，在項(xiàng)目樹的層次上，x1結(jié)點(diǎn)在z1結(jié)點(diǎn)下面，Yl結(jié)點(diǎn)在x1結(jié)點(diǎn)下面。弄清楚層次關(guān)系后，在相關(guān)結(jié)點(diǎn)下添加對應(yīng)的模型文件以完成各部件的裝配。其建模結(jié)果見圖4。
 
      4)B1旋轉(zhuǎn)軸。
 
     將Z1、xl、Yl線性軸添加完畢后，就開始進(jìn)行Bl旋轉(zhuǎn)軸的裝配工作。旋轉(zhuǎn)軸與直線軸不同，除了有安裝位置外，還需要設(shè)置該旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心。由于組件在建模時(shí)，會(huì)自動(dòng)的將自身的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置在建模坐標(biāo)系的原點(diǎn)。因此，我們需要修改B1軸的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)。從項(xiàng)目樹的邏輯層次上分析，B1旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點(diǎn)是在Yl線性軸下方，因此Bl軸的
旋轉(zhuǎn)中心就是Yl軸上的特定點(diǎn)。首先在Y1線性軸結(jié)點(diǎn)下方添加一個(gè)Bl旋轉(zhuǎn)軸結(jié)點(diǎn)，并添加相應(yīng)的模型文件。其旋轉(zhuǎn)軸部件建模結(jié)果見圖5H 。
 
     5)Tool Spindle S3刀具軸
 
     WFL M35 5軸車銑中心的銑主軸系統(tǒng)具有車鏜銑功能，即TDM單元。利用這種主軸系統(tǒng)，可以使用多任務(wù)刀具進(jìn)行加工。這就要求銑主軸具有定向、分度的功能。為了使仿真機(jī)床最大限度地接近真實(shí)機(jī)床，本文采用了以下方案。首先，在已經(jīng)建立好的B1旋轉(zhuǎn)軸下方添加一個(gè)用于主軸定向的旋轉(zhuǎn)軸。具體操作是在B1結(jié)點(diǎn)下方添加A軸，重命名為Tool orient，并將此旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心改為z軸。其次，在建立好的Tool orient軸下方添加主軸組件，命名為Tool Spindle S3，并添加相應(yīng)的模型文件。
 
    我們可以針對A軸進(jìn)行編程，如此銑主軸系統(tǒng)就完成定向、分度動(dòng)作。最后，在Tool Spin．die s3結(jié)點(diǎn)下方添加刀具組件，并將刀具組件在z向移動(dòng)一250 mm，完成
部件的定位。其結(jié)果見圖6。
  

    
  
     圖4 xI線性軸和Y1線性軸部件

     
     圖5 Bl旋轉(zhuǎn)軸部件
  

     圖6 T¨nl Spindle S3主軸部件

     到此為止，銑主軸系統(tǒng)硬件仿真建立完成。接下來進(jìn)行的是車主軸系統(tǒng)硬件仿真的建立過程。
 
     6)C1旋轉(zhuǎn)軸和Main spindle S1車削軸
   
     在真實(shí)機(jī)床中，車主軸系統(tǒng)是直接裝配到基礎(chǔ)床身部件上。從項(xiàng)目樹邏輯層次上，C1旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)該位于Base結(jié)點(diǎn)下方，與zl線性軸處于同一層次上。因此，應(yīng)在Base結(jié)點(diǎn)下方添加c旋轉(zhuǎn)軸，重命名為C1，設(shè)置好參數(shù)：快速定位速度9 000 mm／min，最大進(jìn)給速度9 000 mm／min。再在已經(jīng)建立好的C1旋轉(zhuǎn)軸下方添加主軸組件，完成Main spindle S1車削
軸的建立。最后將Base結(jié)點(diǎn)下方的Attach組件移動(dòng)到Main spindle S1車削軸的下方。所謂Attach組件，即附屬組件，它主要包含了數(shù)控加工仿真過程中的夾具組件、毛坯組件和設(shè)計(jì)組件。當(dāng)機(jī)床的仿真系統(tǒng)建立好之后，這三個(gè)組件是最為常用的。
 
     7)三爪卡盤
 
    在M35型車銑中心上，其三爪卡盤具有自動(dòng)夾緊功能。我們在VERICUT里必須精確建立三爪卡盤的仿真模型。所謂精確建立，就是利用項(xiàng)目樹的邏輯層次關(guān)系將三爪卡盤的各個(gè)零部件的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系表示出來。因?yàn)榭ūP是屬于夾具種類，所以卡盤組件必須放在Fixture組件下面。在Fixture組件下方添加Chuck組件，并添加相應(yīng)的模型文件：Main
_spindlel．sor，完成卡盤基座的建立；添加端面卡盤模型Main—spindle2．swp，并從z向移動(dòng)110 mm，繞z軸旋轉(zhuǎn)一900。將建立好的Main—spindle2．swp模型拷貝兩份，分別繞z軸旋轉(zhuǎn)1500、30度。
 
 
    此時(shí)，將Stock結(jié)點(diǎn)移動(dòng)到Chuck結(jié)點(diǎn)下，以便形成正確的部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系。接下來進(jìn)入卡盤系統(tǒng)建立的第二階段——建立三個(gè)卡爪。由于我們要求此三個(gè)卡爪具有自動(dòng)夾緊功能。因此在添加模型文件之前，需要添加一個(gè)線性移動(dòng)組件，來完成卡爪的自動(dòng)夾緊。在Fixture組件下添加V線性軸組件，并重命名為Jaw一1，將其組件的運(yùn)動(dòng)軸改為x軸。再在
Jaw一1組件下添加Base—Jaw組件，再此組件下添加Main—spindle3．swp，并從z向移動(dòng)110 mm，繞z軸旋轉(zhuǎn)一900，以便完成卡爪基座初始位置。添加Main—spindle4．swp，并從z向移動(dòng)139 mm，繞Z軸旋轉(zhuǎn)一900。添加Main_spindle5．swp，并從z向移動(dòng)139 mm，繞z軸旋轉(zhuǎn)一900，最終完成卡爪基座的建立。三爪卡盤中的卡爪基座部件建模結(jié)果見圖7。
 
    在完成卡爪基座基礎(chǔ)上，開始添加軟爪。在Base_Jaw結(jié)點(diǎn)下添加一個(gè)Soft—Jaw組件，X向移動(dòng)一40 mm，繞z軸旋轉(zhuǎn)180。。在此組件下添加模型文件Main—spindle6．swp，X向移動(dòng)一40 mm，Z向移動(dòng)139 mm，繞z軸旋轉(zhuǎn)900。添加模型Main—spin．dle7．swp，將坐標(biāo)移動(dòng)到(一10—15 147．3)，且繞x軸旋轉(zhuǎn)一90。，繞Y軸旋轉(zhuǎn)一900，完成模型重定位。最后添加模型Main—spindle8．swp，X向移動(dòng)一10mm，Z向移動(dòng)147．3 mm，且繞z軸旋轉(zhuǎn)一900。到此第一個(gè)卡爪添加完成。
 
    將組件Jaw_l拷貝兩份，分別重命名為Jaw_2、Jaw__3，并將這三個(gè)卡爪系統(tǒng)都放在Fixture組件下。將復(fù)制的兩個(gè)卡爪系統(tǒng)分別繞z軸旋轉(zhuǎn)1200、一120。，最終完成三爪卡盤仿真系統(tǒng)的建立(圖8)。
 
    8)中心架
 

   
    圖7 三爪卡盤中的卡爪基座部件      
  
  
    
     圖8 三爪卡盤部件
 
    在真實(shí)機(jī)床中，M35的中心架系統(tǒng)和三爪卡盤類似，具有自動(dòng)夾緊工件的功能，要么通過數(shù)控系統(tǒng)面板發(fā)出命令，利用液壓夾緊；要么通過NC程序控制中心架自動(dòng)夾緊工件。在中心架仿真系統(tǒng)的建立過程中，要實(shí)現(xiàn)上述功能。因?yàn)橹行募芟到y(tǒng)是直接安裝在基礎(chǔ)床身部件上的，所以在項(xiàng)目樹的結(jié)構(gòu)中，此部件與C1旋轉(zhuǎn)軸、zl線性軸處于同一層級。在
Base結(jié)點(diǎn)的下方添加z線性軸，重命名為Steadyrests。在此組件下添加相關(guān)模型，以便完成中心架基礎(chǔ)部件的建立。
 
    在Steady rests組件下添加x線性軸組件，重命名為Steady rests—x。在此組件下添加模型Steady—rests_6．stl。接著在Steady rests組件下添加C旋轉(zhuǎn)軸，重命名為Steady rests—cl，并將組件X向移動(dòng)一92 mm，Y相移動(dòng)85 mm。在此組件下添加模型Steady—rests_5．stl，并x向移動(dòng)92 mm，Y向移動(dòng)一85 mm，重新定位該模型。最后在Steady rests組件下添加c2旋轉(zhuǎn)軸，重命名為Steady rests_c2，并x向移動(dòng)一92 mm，Y向移動(dòng)一85 mm，設(shè)置好其旋轉(zhuǎn)中心。在此組件下添加模型文件Steady—rests_4．stl，X向移動(dòng)92 mm，Y向移動(dòng)85 mm，以便重新定位模型。到此，中心架仿真系統(tǒng)建立完成(圖9)。
 

     圖9 中心架系統(tǒng)部件

     
     圖10 WFI．M35 5軸車銑中心的機(jī)床仿真圖
 

     9)尾座
 
     建立尾座系統(tǒng)的仿真模型是最后一步。該系統(tǒng)的建立比較簡單。在Base結(jié)點(diǎn)下添加一個(gè)z線性軸，重命名為Tailstock。在此組件下添加模型文件即可。仿真系統(tǒng)的硬件模型見圖10。
 
     2．2 軟件仿真系統(tǒng)的建立
 
     WFL M35 5軸車銑中心是在SINUMMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。因此，這些改進(jìn)后的新編程指令都要在VERICUT中被實(shí)現(xiàn)出來。這些指令主要包括以下幾大類：用于主軸旋轉(zhuǎn)的指令、用于控制卡盤的指令、用于控制中心架的指令、用于刀具和工件的角度位移指令、用于五軸聯(lián)動(dòng)的控制指令、用于選擇加工方式的編程指令、用于在回轉(zhuǎn)零件端面進(jìn)行加工的編程指令、用于固定循環(huán)的編程指令、用于刀具坐標(biāo)系的編程指令等等。由于該部分篇幅過大，就不在此處一一贅述了。
 
     2．3 機(jī)床參數(shù)的設(shè)置
 
    在完成了機(jī)床的硬件仿真系統(tǒng)和軟件仿真系統(tǒng)的建立之后，還要進(jìn)行機(jī)床的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。主要包括干涉檢查設(shè)置、初始化位置設(shè)置等。
 
 
    (1) 機(jī)床的干涉檢查設(shè)置
 
    在VERICUT中利用機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工程序的仿真驗(yàn)證，最為重要的就是要檢查刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)是否發(fā)生碰搏．稱之為干涉柃杏設(shè)置f圖11)。
  

   
  
    圖ll 機(jī)床干涉檢查的方案一
 
    (2)機(jī)床的初始化位置設(shè)置
 
    數(shù)控機(jī)床具有機(jī)床原點(diǎn)、機(jī)床參考點(diǎn)、各軸的初始位置等各種初始化參數(shù)。在使用仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真前，需要做出正確的設(shè)置。x軸的零點(diǎn)在車主軸的軸線上，z軸的零點(diǎn)在車主軸的卡盤后端面上，Y軸的零點(diǎn)在銑主軸的x軸平臺的表面上，最重要的是Bl軸，它的零點(diǎn)軸線是與z軸平行且出于轉(zhuǎn)動(dòng)的最左端面上，其設(shè)置結(jié)果見圖12。
 
    3 、曲軸的數(shù)控仿真加工
 
    曲軸是各種發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心零部件，屬于典型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，也是使用車銑中心進(jìn)行加工的典型產(chǎn)品。其“一次裝夾，完全加工”的工藝?yán)砟睿畲笙薅鹊販p少了曲軸的
裝夾次數(shù)，大大提高了曲軸的形位公差。這也是本文要以曲軸零件的加工來驗(yàn)證車銑中心仿真系統(tǒng)的意義所在。零件見圖13。
  

    
  
     圖12機(jī)床的初始化位置設(shè)置
  
  

    
     圖13典型曲軸零件
 
 
    VERICUT軟件可以對零件的數(shù)控加工程序進(jìn)行全過程的監(jiān)控。在數(shù)控加工執(zhí)行前，可以對數(shù)控程序進(jìn)行預(yù)覽，包括查看數(shù)控代碼的狀況、刀具軌跡，還可以提前分析刀具的干涉情況，并輸出報(bào)警信息。數(shù)控代碼的顯示窗口可以動(dòng)態(tài)的指示出目前加工到哪一段。在加工仿真的任何時(shí)刻，我們可以隨時(shí)暫停加工，查看當(dāng)前程序。在加工結(jié)束后，仿真系
統(tǒng)還具有數(shù)控加工程序復(fù)查功能。除此之外，仿真系統(tǒng)還可以根據(jù)子地址格式和指令設(shè)置的情況，對數(shù)控程序進(jìn)行語法檢查，找出程序中出現(xiàn)的不符合機(jī)床設(shè)置的代碼。仿真過程見圖14。
 

     圖14 曲軸仿真加工過程
   
     4、結(jié)論
 

     本文利用UG和VERICUT軟件，以WFL M35型5軸車銑中心為基礎(chǔ)，完成了機(jī)床的加工仿真系統(tǒng)的建立，為復(fù)雜零件的數(shù)字化制造打下基礎(chǔ)。通過此仿真系統(tǒng)，本文模擬了曲軸零件的完整加工過程，驗(yàn)證了加工程序的正確性，使得該零件的制造合格率大大提高。