基於VERICUT 的（de）雙（shuāng）主軸（zhóu）車削（xuē）加工中心虛（xū）擬仿真應用研究（jiū）
2017-1-23 來源：陝西國防工業職業技術學院 作者：曹旭（xù）妍
摘要：雙（shuāng）主軸車削加（jiā）工中心加工功能（néng）強大，能夠一次裝夾下完成零件的所（suǒ）有加工（gōng）特征，但由於其結（jié）構的複雜性，機床在進行新零（líng）件試切時容（róng）易發生幹涉、碰撞等危險（xiǎn）情況。采用虛擬（nǐ）仿真加工技術，基於VERICUT 軟件構建機（jī）床的（de）虛擬（nǐ）仿真加（jiā）工係統，對工件進行仿真加工，能夠方便、準確的檢測NC 程序的正（zhèng）確性，觀察加工過程，預知加工結果，進而完（wán）成NC 程（chéng）序糾錯（cuò），保證實際加工的可靠進行。
關鍵詞：雙主軸車削加工中心虛擬仿真VERICUT
0.引言
雙主軸（zhóu）車削加工中心是在車削機床基礎上添加了動力（lì）銑、鑽、鏜以及副主軸等功能而形成的先進加工機床，該機（jī）床使得需要多個加工工序的工件在車削加工中心上一次完成，不僅減少了因多次裝夾而導致的加工誤差，還提高了加工效（xiào）率（lǜ），對機械產品的高質量、高（gāo）效率加工產生（shēng）巨大影響，促進了製造業的快（kuài）速發展。然而由於雙主軸車削加工中心不僅（jǐn）結構複（fù）雜，且存在（zài）銑、車等（děng）不同模式，在實際應用中存在數控程（chéng）序編寫困難、正確性檢測困難的問題，這些（xiē）問題製約著車削（xuē）中心的高效應用，給企業快（kuài）速生（shēng）產帶來障礙。通過應用虛擬仿真（zhēn）技術，能夠快速、準確的實現NC 程序的正確性檢測，同時完成工件的仿真加工，直觀的觀察工件加工過程，預知加工（gōng）中可能出現（xiàn）的幹涉、碰（pèng）撞的危險情況，降低機床使用中的（de）風險[1]。本（běn）文以TNR-200YS 雙主軸車削中心為（wéi）研究（jiū）對象，基於VERICUT仿真平台，構建該機床的虛擬（nǐ）仿真係統（tǒng），介紹了在VERICUT 中建立雙主軸車削（xuē）加工中心（xīn）虛擬仿（fǎng）真係統的一般方法及技（jì）術難點，並對一（yī）回轉體零件進行仿真（zhēn）加（jiā）工（gōng），證實該（gāi）虛擬仿真係統的正確性及可靠性。
1.雙主軸車削中（zhōng）心（xīn）虛擬仿真加工原理
虛擬仿真加工係統是實際機床在不消耗能源和資源情（qíng）況下在計算機（jī）中的完全映射。它由機床硬（yìng）件結構（gòu）和控製係（xì）統兩（liǎng）部（bù）分組成。根據機（jī）床（chuáng）的結構及尺寸，在（zài）VERICUT中建立虛擬（nǐ）機床模（mó）型（xíng），使其具（jù）有與實際機床相同的加（jiā）工功能，滿足虛擬情況下加工的需要。其仿真原（yuán）理及構建過程如（rú）圖1 所示。
2.構建虛擬仿真係（xì）統
2.1 機床參數（shù）測量
虛擬機床模型（xíng）和（hé）實際機（jī）床模型的一致性（xìng）是虛擬加工仿真結果可靠性的重要保證[2]。雙主軸（zhóu）車削中心要在不停機狀態（tài）下完成換裝，對機床各部（bù）件的空間位置精確度提出了更（gèng）高的要求，獲取準確的機（jī）床參數便成為研究的關鍵（jiàn）之一。機床的（de）尺寸主要（yào）通過實際（jì）測量（liàng）以（yǐ）及查詢技（jì）術手（shǒu）冊來獲（huò）取（qǔ），在實際測量時，主要通過激光測量儀（yí）、卷尺、板
圖1 雙（shuāng）主軸車削中心虛擬仿真加工（gōng）原理
尺等工（gōng）具來對機床各（gè）運動部件（jiàn）進行測量（liàng）。建立（lì）虛（xū）擬模型所需主要（yào）尺寸有：①、機床主（zhǔ）軸、副主軸、工作台、刀塔等組件的外形（xíng）尺寸；②、機床在初始狀態下（即X0Y0Z0C0時），各移動、旋（xuán）轉組件的定位尺寸及相互間的內部空間尺寸；③、機床其它部件的裝配尺寸；④、機床外形輪（lún）廓尺寸。
2.2 構建虛擬機床硬件結構
要正確建立機（jī）床（chuáng）的虛擬模型首先需要明確機床的運（yùn）動關係即機（jī）床的運動鏈。TNR-200YS 具有兩條運動鏈：基座———工件；基座———刀具，如圖 2。對運動鏈（liàn）上（shàng）的各部件進行（háng）三維建模，並按照運動關係（xì）將其組合起來，即完成（chéng）機床的硬件結（jié）構。由於該機床結構較（jiào）複雜，在VERICUT 中對其建模存在一定的（de）困難（nán），因（yīn）此選擇在UG 中完（wán）成各部件模型的建立，然（rán）後將部件模型（xíng）保存為STL 文件導入VERICUT 中（zhōng）。
圖2 機床運動鏈
完成（chéng）機床各個結構部件的幾何模型後還需對其賦予運動（dòng）關係，這樣機床（chuáng）才（cái）具有與實際機床一致的運動特性。在（zài）VERICUT 中構建機床的運動樹，選（xuǎn）擇相應的（de）運（yùn）動組件來實現運動關係的添加（jiā）。將UG 中建好的.STL 文件加載到相應的組件下，並對照實際機（jī）床將（jiāng）各（gè）部件放在準確位置[3]。如（rú）圖3 為基座—刀具模型機構圖。
用類似（sì）的方法完成主軸、副主軸、卡爪等部件的加載，如有模型的位置與實際模型位置不符（fú）的，利用VERICUT中的“配置模型”功能調整模型位置。
2.3 建立刀具庫
VERICUT 中提供了豐富的刀具設計樣本，根據刀具（jù）的具體特征及參數，選擇所需結（jié）構及尺寸即可生成刀（dāo）柄、刀片。刀具生成後，為保證加工的順利進行，還需（xū）設置刀具的驅動點（對刀點）、安裝點等參數如（rú）圖4 所示為雙刃車刀的（de）設計。
2.4 控製係統配置
根據實際機床的控製係統，在VERICUT 所提供的控製係統庫中選擇FANUC21i 係統。由於雙主軸（zhóu）車削加工（gōng）中心與通用機床有所（suǒ）不同，因此，需要針對實際機床中用到的代碼進行數控係統的再開發，使得開發後的（de）控（kòng）製係統能夠滿足機床的加工功能。
TNR-200YS 雙主軸車削（xuē）中心（xīn）在使用中能夠進行（háng）主軸車削、主軸銑削、副主軸車削、副主軸銑削等多個加（jiā）工模式，這些加工模式（shì）的（de）區分是通過代（dài）碼（mǎ）M75、M76、M175、M176 來實現的，因此要專門對這（zhè）些代碼進（jìn）行定製。在VERICUT“文字/ 地址”窗口中，添加需要的代碼名稱，並進行（háng）相應功能的描述（shù），在宏命令格式中定（dìng）義代碼的功能（néng），完成特殊功能（néng）代碼（mǎ）的定製。用類似的（de）方法實現其它（tā）特殊功（gōng）能的G、M 代碼的設定。
2.5 機（jī）床參數設置
為確保仿真加工的順利進行（háng），還需進（jìn）行機床（chuáng）參數的正確設置。VERICUT 中要進行的（de）機床參數設置主要包括（kuò）：機床行程、碰撞檢測（cè）、換刀點等。隻有（yǒu）正確設置機床參數，才會在虛擬加工中當（dāng）出現超程、碰撞的問題時及時報警。因此機床參（cān）數設置（zhì）對虛擬係統的可靠運行尤為關鍵。根據（jù）實際參數完（wán）成設置後，仿（fǎng）真係（xì）統（tǒng）構建完成。
3.仿真加工
3.1 NC 程序生成
在三維軟件UG 中建（jiàn）立工件的三維模（mó）型，並利用UG先進的數（shù）控加工功能（néng），進（jìn）行工（gōng）件的工藝處理，生成正確的前置刀具軌跡。UG 中自帶了強大的後置處理功能，能夠快速的對三軸及（jí）以下的刀具軌跡文件進行處理，生（shēng）成機床能直接識別的NC 程序[4]。本文主要研究機床的（de）多軸複雜加工功能，而UG 自帶的後置處理器不（bú）能滿足工件的使用（yòng）要求，因此需要（yào）基於UG 後處理模塊進行專用後置處理器的開發，以滿足NC 的正（zhèng）確生成。
3.2 虛擬仿真加工
將UG 中輸出的NC 程序添加到虛擬仿真係統中，添加毛坯、工件的模型到係統中，並對G 代碼偏置進行設置，設置完成後進行工件的仿真加（jiā）工，如圖5 所示（shì）。
圖（tú）5 虛擬（nǐ）仿（fǎng）真加工
4.總結
文中對VERICUT 中建立雙主軸（zhóu）車削加工中心虛擬仿真係統的一般方（fāng）法進行了總結，並以TNR-200YS 雙主軸車削中心為原型，對其建模中（zhōng）的一些關鍵點及難點進行概述，完成了該機床的虛擬仿（fǎng）真係統的建立，並對一回轉體工件進行了仿真（zhēn）加工。結果表明：該仿真係統能夠正確的實（shí）現雙主（zhǔ）軸車削加工（gōng）中心的所有加工（gōng）功能，正、副主軸上的加工與（yǔ）實際要求相符。通過仿真（zhēn）加工檢測（cè）了加工中可能出現的（de）幹涉（shè）、碰撞等危險情況，預知加工過程，提高了實際機床應用中的安全性及效率。為雙主軸車削加工中心的虛擬建模及仿真（zhēn）提供（gòng）了參考。
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