[ 摘要] 利用UG 的建模（mó）功能構建XKA714 機床幾何模（mó）型，基（jī）於（yú）VERICUT 軟件與機床實際結構及其運動關係建立其虛擬的仿真係統，並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（háng）優化（huà），獲得優化的數控程序。然後進入現實機床進行實際加工，驗證所構建虛擬仿真係統的正確性與可行性。虛擬（nǐ）仿真（zhēn）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（hé）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（yōu）化

  

      隨著製造技術水平的不斷提高，加工零件的結構越來越複雜，對產品精度的（de）要求也越來越高[1]。如何有（yǒu）效地驗證數控加工程序的正（zhèng）確性和（hé）合理（lǐ）性，避（bì）免切削過程中的過切、欠切、碰撞和超行程（chéng）等問題顯得越來越重要。

   

      針對這些問題，筆（bǐ）者嚐試采用仿真軟件建（jiàn）立一個（gè）虛擬的（de）加工環境，對加（jiā）工過程進行（háng）仿真和校驗，從而提前發現實際加工中存（cún）在（zài）的問（wèn）題，然後對其進行修改，對（duì）產品質量進（jìn）行評估。在不消耗材料，不占用機床的情（qíng）況下（xià），采用構建的（de）虛擬（nǐ）機床對其進行仿（fǎng）真加工（gōng），從而得到合理、優化的數控程序，進而縮短零件（jiàn）的加工時間，降低加工成本，提高加（jiā）工效率[2]。為此，本文以XKA714 銑（xǐ）床為對象，采用UG 和VERICUT 構建機床模型，然後對零件進行仿真加工，並對其加工進（jìn）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（bāo）括機床環境的構建、定義控製係統、構建刀（dāo）具庫、對工件和毛坯及夾具進行建模、參數設置、導入數控（kòng）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（jiā）工，其過程如圖1 所示，其中（zhōng）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（guò）程中必須保（bǎo）證（zhèng）在三維編程軟件中所用（yòng）的（de）刀具與VERICUT 中的刀具完全一致，加工坐標係要相同，以確保生成的數控程序能正常（cháng）加工（gōng）。

 

 

 

                                                    圖1VERICUT仿真加工流程

 

      2 建（jiàn）立XKA714 銑床模型

  

      在VERICUT中構建機床的過程就是將數控（kòng）機床實體按照運動邏輯關係進行分解（jiě），並為各（gè）部件建立幾何（hé）模型，然後按照他們（men）之間的邏輯結構關係進行“裝配”。

      基於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（jī）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（zhào）該傳動鏈建立組件樹，如圖3 所示。然後利用UG 進行部件（jiàn）幾何模型的建立，將其導入到（dào）組件樹中，按照其在機床上的位置關係進（jìn）行（háng）定位，完成（chéng）機床模型的構建。

 

 

 

   

 

  

    圖3 機床組件樹

      （2）定（dìng）義控製（zhì）係統。機床模型構建好後，需要對其控製係統進行定（dìng）義。VERICUT 自身有73 種數（shù）控機（jī）床（chuáng）控製係統文件（jiàn），需要時可以直接調用，如果沒有適用的控製係統，可以自行定（dìng）製。本文選用軟件自的

“fan21im.ctl”文件（jiàn），在（zài）此基礎上進行修改。對（duì）比FANUC 0iMC 和FANUC 21im 操（cāo）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係統的功能要求。

  

      （3）夾具、毛（máo）坯和工件的建（jiàn）模。進行夾具建（jiàn）模（mó）主要是為了在加工過程中進行夾具與機床上的其（qí）他部件之間的幹涉和碰撞（zhuàng）檢查。本文在UG 中對夾（jiá）具、毛坯和工件進行（háng）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（jù）等。對於較為複（fù）雜的刀具部件（如（rú）刀柄等），還（hái）可以從（cóng）外部（bù）導入（rù）。本文直（zhí）接在VERICUT 中進行刀具的（de）創（chuàng）建（jiàn）。

  

      （5）機床參數設置（zhì）。機床構建好後，需要對機（jī）床（chuáng）參數進行設置，如機床幹涉檢（jiǎn）查、機（jī）床初始化（huà）位置、機床行（háng）程置、工件編程原（yuán）點和機床原點等（děng）設置。

   

   

 

                               圖4 所示為構建的XKA714 機床幾何（hé）模型（xíng）

 

      3 虛擬仿真加工與優化

      本文加工（gōng）的零件（jiàn）為數控大賽（sài）中的旋鈕零（líng）件，其三維模型如圖5 所示。對該模型進行工藝（yì）分析，其加工方（fāng）案如表1 所示。利用（yòng）UG/Post Builder 建立XKA714 專用後置處理器（本文（wén）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（jīng）過後處理（lǐ）生（shēng）成的數控程序，對零件（jiàn）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（shì）。

      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（kuài），進（jìn）行過切與（yǔ）欠切的檢查（chá）。將仿真加工的（de）模型與設計（jì）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（líng）件三維模型

 

 

 

      表1 加（jiā）工方案

 

 

      圖6 零件仿真加工過程

 

 

 

      圖7 仿真加工後（hòu）的工件

色顯（xiǎn）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（hé）欠切現象，圖8 所（suǒ）示為（wéi）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（dāng）前所使用的刀具，計算（suàn）每步程序的切削量，再和（hé）切削參數（shù）經驗值或刀具（jù）廠（chǎng）商推薦（jiàn）的（de）刀具切削參數進行比較。經計算分析，當餘量大時，VERICUT 降低（dī）進給速度；餘量（liàng）小時（shí），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（jiàn）出安全（quán）、高效的數控程（chéng）序[5]。優化後的程序進給率得到提高（gāo），其加工路（lù）徑均與原來的路徑（jìng）相同，可為一係列預先設定好的加工條件輸入理想的進給率。

 

 

      圖8 自動（dòng）比較的最終檢查報告

      利用VERICUT 提供的（de）OptiPath 模塊，對（duì）刀具軌跡進行優化。根據選用（yòng）的機床數據和（hé）對零件的工藝分析，對優化刀具庫中的參數進行設（shè）置（zhì）[6]，以（yǐ）R3 的刀具為例（lì）設置完成的刀（dāo）具優化庫如圖9 所示。

 

   

 

      圖9 刀具優化庫設置

      仿真結束後VERICUT 會自動產生1 個（gè）優化（huà）刀具軌跡庫，優化前後的（de）數控程序可以通過（guò）主菜單中的“優化→比較文（wén）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，右側為優化後的程序。對比優（yōu）化前後的數控程序，可以發現優化前程序中的進給速度是固定不變的，優化後的進給速（sù）度是不（bú）斷變化的。而且，優化後的數控（kòng）程序變長了，由原來一行代碼（mǎ）變為幾行代碼。這是因為優化刀具軌跡模塊在讀（dú）入數控程序時將刀具（jù）軌跡的（de）運動自動劃分為若幹細（xì）小的刀具運（yùn）動，它根據每段程（chéng）序的材料去除（chú）量，自動為其配置最佳的進（jìn）給速度，但並沒有改變原刀具軌跡路徑[7-8]。優化完後（hòu）可以（yǐ）在VERICUT 日誌中查看到優化前後的加工（gōng）時（shí）間對比，每道工步的（de）加工時間變化如表2 所示，其中w1：

 

 

 

 

 

      圖（tú）10 部（bù）分（fèn）加工（gōng）程序（xù）優化前後對（duì）比

      由表（biǎo）2 可見，基於VERICUT 對數控程（chéng）序進行優化，可縮（suō）短加工時間，優化（huà）數控程序。不僅可降低試切次數和成本，提高加工安全性，而（ér）且可提高零（líng）件的加工精度和表麵質量，使數（shù）控程序更加合理。

 

      4 實際加工驗證

  

      為（wéi）了驗證本文構建的仿真係統的實用性，將經過仿真係（xì）統檢驗和優化後的數控程序用CF 卡傳到XKA714數控銑床（chuáng）上進行（háng）在線（xiàn）加工，加工材料為LY12。加工完成後的工件如圖11 所示，通過對（duì）虛擬加工和（hé）實際加工（gōng）

的對比分析，可以得出（chū）以下結論：

  

      （1）實際加工中沒有發現（xiàn）任何碰撞、幹（gàn）涉現象。證明在（zài）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幹涉、碰撞（zhuàng）等檢（jiǎn）查的有效性。

  

      （2）觀察發現實際加（jiā）工過程中其（qí）加工進給率隨加（jiā）工條件不斷變化。程序未優化（huà）前零件（jiàn）加工時間為164.07min，優化後程序的（de）加工時間為111.2min，加工效（xiào）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（jiàn）尺寸和精度，滿（mǎn）足設計要求（qiú），驗證了仿真（zhēn）係統的加工精度的可靠性（xìng）。

      5 結束語

  

      采用UG 和VERICUT 相結合（hé）的方（fāng）法，對旋鈕零件進行仿真加工，驗證了該方法的合理性（xìng）和有效性。使用該方法對加工過程（chéng）進行模擬，對數控（kòng）程（chéng）序進（jìn）行驗證與優（yōu）化。通（tōng）過優化使得（dé）數控程序更合理，加工時間縮（suō）短（duǎn）。不僅降

低了試切成本，而且提高了（le）加工的安全性，使得刀具壽命得到（dào）延長，零件的加工精度和表麵質量得到改善。同時，該（gāi）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（shēng）產效率，進而（ér）提高了企業的經濟效益。表2 工件優化前後的加工時間變化（huà）。

 

 

      表（biǎo）2 工件優化前後的加工時（shí）間變化 

 

 

 

      圖（tú）11 實際加工的工件

      參 考 文 獻

  

      [1] 姚運萍, 王素梅. 基於VERICUT 的虛擬（nǐ）機床建模與複雜曲麵加工的研究. 新（xīn）技（jì）術新工藝, 2010(1):37-39.

  

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

  

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

  

      [4] 唐秀梅, 李克安, 牛昌安, 等. Vericut 數控加工（gōng）仿（fǎng）真技術. 北京: 清華大學出（chū）版社, 2010.

  

      [5] 詹沛枝, 陽林, 元宇鵬（péng）. 基於VERICUT 轎車儀表盤模具型芯加工（gōng）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. 基於VERICUT 的虛擬數控加工刀具軌跡優（yōu）化（huà）. 機械研究與應（yīng）用, 2011(1):15-16.

  

      [8] 劉衛. 基於VERICUT 的數控加工的優（yōu）化. 機械設計與製造,2009(5):188-189. （責編（biān）　億霖）