摘要：利用VERICUT數控仿真軟件，建立起（qǐ）WFL M35型5軸車銑中心的數控加工仿真係統，並且以此仿真係統為平台，完成曲軸類零件的模擬加工過程。通過對典型複雜零件的（de）數控加工程序進行仿真驗證，進一步（bù）確保（bǎo）其程序的正確性，使得零件的實際加工合格率大大提（tí）高。
 
        關鍵詞：車銑中心 數控仿真 係統 VERICUT
 
        0 引言
 
        隨著計算機圖形學的日益成熟，基於虛擬仿真係統（tǒng）的數字化設計製造技術應運而生，國內外很多機（jī）構都將虛擬仿真技術引入到複雜（zá）零件的（de）加工中。本文在合肥工業大學機械與汽車工程學（xué）院董玉德教授的悉心指導下，利用UG和VERICUT軟件，以（yǐ）WFL M35型5軸車銑中心，初步嚐試建（jiàn）立車銑中心的數字（zì）化模型，利用數字化製造加工仿真技術，建立起完整的零件（jiàn）生產製造流程。
 
        1 、機床數（shù）字化模型的建立
 
       本（běn）文利用UGl0．0完成（chéng）車銑中心的建（jiàn）模（mó）工（gōng）作。在建模（mó）的整個過程中，將機床劃分為（wéi）以下幾大模塊分別完成，然後利用UG的虛擬裝配技術將機床完整構造起來。這些模塊是：基礎床身（shēn）模塊、z1線性軸模塊、Y1線性軸模塊、x1線性軸模塊、Bl旋轉軸模塊、S3銑主軸模塊、C1車主軸及卡盤模塊、中
 
      心（xīn）架模塊、尾座模塊以及相關附屬模塊（kuài）。其UG建模的總裝配圖如圖1。
 

      圖1 車銑（xǐ）中心的數字化三維模型
 
      2 、機床加工仿真係（xì）統的建立
 
      2．1 硬件仿真（zhēn）係統的建立
 
      本文將遵循三維建模（mó）環節的思路，將機床按照前述劃分的部件（jiàn）依次導人（rén）到仿真係統，並建立好相互關係。要建立的部件有：Base部件、z1線性軸部件、xl線性（xìng）軸部件、Y1線性軸部（bù）件、B1旋轉軸部件、Tool Spindle S3刀具軸部件、Cl旋（xuán）轉軸（zhóu）部件、Main Spindle S1車削軸部件、卡盤部件、中心架（jià）部件、尾座部件 。
 
     1)Base部件
 
     將UG模型中的（de）基礎床身部件以STL文件格式（shì）導出，以（yǐ）模型的方式添加到組件樹的Base結點下麵，即完成基礎床身部件的添加(圖2)。
 

     圖2 Base部件
  

    
  
     圖3 ZI線性軸（zhóu）部件
 
      2) Z1線性軸
 
      由於z1線性軸是相對於基礎（chǔ）床身而運動的，從運動依賴關係上考慮，z1線性（xìng）軸從屬於Base部（bù）件。所以在項目樹的層次安排上，z1線性軸（zhóu）應放在ase結點下方。在Base結點下添加一個“z線性軸（zhóu）”組件，重命名為z1。在z1組件下添加（jiā）相關模（mó）型文件。模擬添加完畢後，將zl線性軸的快進定（dìng）位速（sù）度設置為150 00 mm／min，最大進給（gěi）速度設置為12 000 mm／min。並（bìng）且將此（cǐ）部件沿z向移動一155mm，以便回到z軸零點位（wèi）置。過程見圖3 。
 
      3)X1線性軸和Yl線性軸
    
      在M35型車（chē）銑中心機床（chuáng）的（de）真實構造中，xl軸是（shì）安裝在z1軸（zhóu）上的，Y1軸是安裝在Xl軸（zhóu）上的。從運動關係上分（fèn）析，Y1軸的運動依賴於x1軸，而x1軸的運動依賴於z1軸。因此，在項目樹的層次上，x1結點在z1結點（diǎn）下麵，Yl結點在x1結（jié）點下麵。弄清（qīng）楚層次關係後，在相關結點下添加對應的模型文件（jiàn）以完成各部件的裝配。其建模結果見圖4。
 
      4)B1旋轉軸。
 
     將Z1、xl、Yl線性軸添加完畢後，就開（kāi）始進行Bl旋轉軸的裝配工作。旋轉（zhuǎn）軸與直線軸不同，除了有安裝位置外，還需要設置該旋轉軸的旋（xuán）轉中心。由於組件在建（jiàn）模時，會自動的將（jiāng）自身的旋轉中心設置在建模坐（zuò）標係的（de）原點。因此，我們需要修改B1軸的旋轉（zhuǎn）中心坐標。從項目樹的邏輯層次上分析，B1旋轉軸結點是在Yl線性軸下（xià）方，因此Bl軸的（de）
旋轉中心就是Yl軸上的特定點。首先在Y1線性軸結點下方添加一個Bl旋（xuán）轉軸結（jié）點，並添加相應的模型文件。其旋轉軸部件建模結果見圖5H 。
 
     5)Tool Spindle S3刀具（jù）軸（zhóu）
 
     WFL M35 5軸車（chē）銑中心的銑主軸（zhóu）係統具有車鏜銑（xǐ）功能，即TDM單元。利（lì）用這種主軸係統，可以（yǐ）使用多任務刀具進行加工。這就要求銑主軸具有定向、分度的功（gōng）能。為（wéi）了使仿（fǎng）真機床最大限度地接近真實機床，本文采用了以下方案。首先，在已經建立好（hǎo）的B1旋（xuán）轉軸（zhóu）下方添加一個用於主軸定向的旋轉軸。具體操作（zuò）是在B1結點下方添加A軸，重命名為Tool orient，並將此旋轉軸的旋（xuán）轉中心改為（wéi）z軸。其次，在建立好的Tool orient軸下（xià）方添加主軸組件，命名為Tool Spindle S3，並添加相應的模型文件。
 
    我（wǒ）們可以針對A軸進行編程，如此銑主軸（zhóu）係統就完（wán）成定向、分度（dù）動作。最後，在Tool Spin．die s3結點下方添（tiān）加刀（dāo）具組件，並將（jiāng）刀具組件在（zài）z向移動一250 mm，完（wán）成（chéng）
部件的定（dìng）位。其結果見圖6。
  

    
  
     圖（tú）4 xI線性軸和Y1線性（xìng）軸部件

     
     圖5 Bl旋轉軸部件
  

     圖6 T¨nl Spindle S3主軸部件

     到此為（wéi）止，銑主軸係統硬件仿（fǎng）真建立完成。接下來進行的是（shì）車主軸（zhóu）係（xì）統硬件仿真的建立過程。
 
     6)C1旋轉軸和Main spindle S1車削軸
   
     在真實機床中，車主軸（zhóu）係統是直接裝配到基礎床身部件上。從項（xiàng）目樹邏輯層次上，C1旋轉軸應該位於Base結點下方，與zl線性軸處於同（tóng）一層次上（shàng）。因此，應在Base結點下方添加c旋轉軸，重命名為C1，設（shè）置好參數：快速定位速度9 000 mm／min，最大進給速（sù）度9 000 mm／min。再在已經建立好的C1旋轉軸下方添加主軸組件，完成Main spindle S1車削
軸的建立。最後將Base結點下方的Attach組件移動到Main spindle S1車削軸的（de）下方。所謂（wèi）Attach組件，即（jí）附（fù）屬組件（jiàn），它（tā）主要包含了數（shù）控（kòng）加工仿（fǎng）真過程中的夾具組件、毛坯（pī）組件和設計組件。當機床的仿真係（xì）統建立好之後，這三個組件是最為常（cháng）用的。
 
     7)三爪卡盤
 
    在M35型車銑中心上，其三爪卡（kǎ）盤具有自動夾緊功能。我們在VERICUT裏必須精確建（jiàn）立三爪卡盤的（de）仿真模型（xíng）。所謂精（jīng）確建立，就是利用項目樹的邏輯層次關係將三爪（zhǎo）卡盤的各個零部件的相對運動關係表示出（chū）來。因為卡盤是屬於夾具種類，所以卡（kǎ）盤組件必須放（fàng）在Fixture組件下（xià）麵。在Fixture組（zǔ）件下方（fāng）添加Chuck組件，並添加相應的模型文件：Main
_spindlel．sor，完成卡盤（pán）基（jī）座的建（jiàn）立；添加端麵卡盤模型Main—spindle2．swp，並從z向移動（dòng）110 mm，繞z軸旋轉一900。將建立好的Main—spindle2．swp模型拷貝兩份，分別繞z軸旋轉1500、30度。
 
 
    此時，將Stock結點移動到Chuck結點下，以便形成（chéng）正確（què）的部件運動關係。接下（xià）來（lái）進入卡盤係統建（jiàn）立的第二階段——建立三個卡爪。由（yóu）於我（wǒ）們要求此三個卡爪具有自動夾緊功能。因此在添（tiān）加模型文件之前，需要添加一個線性（xìng）移動（dòng）組件，來完成卡爪的自動夾緊。在（zài）Fixture組件下添加V線性軸組件，並重命名為Jaw一1，將其組件的運動軸改為x軸。再在
Jaw一1組件下添加Base—Jaw組（zǔ）件，再此組件下添加Main—spindle3．swp，並（bìng）從z向移動110 mm，繞z軸旋轉一900，以便完成卡爪基座初始位置。添加（jiā）Main—spindle4．swp，並從z向移動139 mm，繞Z軸旋轉一900。添（tiān）加Main_spindle5．swp，並從（cóng）z向移動139 mm，繞z軸旋轉一900，最終完成卡爪基座的建立。三爪卡盤中的卡（kǎ）爪基座部件（jiàn）建模結果見圖7。
 
    在完成卡爪基座基礎上，開始添加軟爪。在Base_Jaw結點下添加一個Soft—Jaw組（zǔ）件，X向移動一40 mm，繞z軸旋轉180。。在此組件下添加模型文件Main—spindle6．swp，X向移（yí）動一40 mm，Z向移動139 mm，繞z軸旋轉900。添加模型（xíng）Main—spin．dle7．swp，將坐標移動到(一10—15 147．3)，且繞x軸旋轉一90。，繞Y軸旋轉一900，完成模型重定位。最後添加模（mó）型Main—spindle8．swp，X向移動一10mm，Z向移動147．3 mm，且繞z軸旋轉一900。到此第一個卡爪添加完成。
 
    將組件Jaw_l拷貝兩（liǎng）份，分別重命名為Jaw_2、Jaw__3，並（bìng）將這（zhè）三個卡（kǎ）爪（zhǎo）係統都（dōu）放在Fixture組件（jiàn）下。將複製的兩個卡爪係（xì）統分別繞z軸旋轉（zhuǎn）1200、一120。，最終完成三爪卡盤仿真係統（tǒng）的建立(圖8)。
 
    8)中心架（jià）
 

   
    圖7 三爪卡盤中的卡爪基座部（bù）件      
  
  
    
     圖8 三爪卡（kǎ）盤部件
 
    在（zài）真實（shí）機床（chuáng）中，M35的中心架係統和三爪卡盤類（lèi）似（sì），具有（yǒu）自動夾緊工件的功能，要麽通過數控係統麵板發（fā）出命令，利用液壓夾緊；要麽通過NC程序控製中心架自（zì）動夾緊（jǐn）工件。在中心架仿（fǎng）真係（xì）統（tǒng）的（de）建立過（guò）程中（zhōng），要實現（xiàn）上述功能。因為中心架係統（tǒng）是直接安裝在基礎床身部件上的，所（suǒ）以在項目樹的結構中，此部件與C1旋轉軸、zl線性軸處（chù）於（yú）同一層級。在（zài）
Base結點的下方添（tiān）加z線性軸，重命（mìng）名為Steadyrests。在（zài）此組件下添加相關模型，以便完成中心架基礎部（bù）件的建立。
 
    在Steady rests組（zǔ）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（xià）添加C旋轉軸，重命（mìng）名為Steady rests—cl，並將組件X向移動一92 mm，Y相移動85 mm。在（zài）此組件下（xià）添加模型Steady—rests_5．stl，並x向移動92 mm，Y向移動一85 mm，重（chóng）新（xīn）定位該模型（xíng）。最後在Steady rests組件下（xià）添加c2旋轉軸，重命名為Steady rests_c2，並x向移動一92 mm，Y向移動一85 mm，設置好其旋轉中心。在（zài）此組件下添加模型（xíng）文（wén）件Steady—rests_4．stl，X向移動92 mm，Y向移動85 mm，以便重新定位模型。到此（cǐ），中心架仿真係統建（jiàn）立完成(圖9)。
 

     圖9 中心架係統部件

     
     圖10 WFI．M35 5軸（zhóu）車銑（xǐ）中心的機床仿（fǎng）真圖
 

     9)尾座
 
     建立尾座（zuò）係統（tǒng）的仿真模型是最後一步。該係統的建立比較簡單。在Base結點（diǎn）下添加一個z線性軸，重（chóng）命名為Tailstock。在（zài）此組件下添（tiān）加模型文件即可（kě）。仿真係統的硬件模型見圖10。
 
     2．2 軟件仿真係統（tǒng）的建立
 
     WFL M35 5軸車銑中心（xīn）是在SINUMMERIK840D數控係統的基礎上（shàng）改進而來的。因此，這些改進（jìn）後的新編程指令都要在（zài）VERICUT中被實（shí）現出來。這些指令主要包括以下幾大類：用於主軸旋轉（zhuǎn）的指令、用於控製卡盤的（de）指令、用於控（kòng）製中心架的指令、用於刀具和工件的角度位移指令、用於五軸聯動的控製指令、用於選擇加工方式（shì）的編程指令、用於在（zài）回轉零件（jiàn）端麵進（jìn）行（háng）加工的編程指令、用（yòng）於固定循環的編程指令、用（yòng）於刀具坐標係的編程指令等（děng）等。由於該部分篇幅過大，就不在此處一一贅述了。
 
     2．3 機床參數的設置
 
    在完成了機床的硬（yìng）件仿真係統和軟件仿真係統的建立之後，還要進行（háng）機（jī）床的相關（guān）參數設置。主要包（bāo）括幹（gàn）涉檢查設（shè）置、初始化位置設置等。
 
 
    (1) 機床的幹（gàn）涉檢（jiǎn）查設置
 
    在VERICUT中利用機床進行數控（kòng）加工程序的仿真驗證（zhèng），最（zuì）為重要的就是要檢（jiǎn）查刀具係統與（yǔ）工件係統是（shì）否發生碰搏．稱之（zhī）為幹涉柃（líng）杏設置f圖11)。
  

   
  
    圖ll 機床幹涉檢查（chá）的（de）方（fāng）案（àn）一（yī）
 
    (2)機床的初始化位置設置
 
    數控機床具有機床原（yuán）點、機床參考點、各軸的初始位置等各種初始化參數。在使用仿真係統進行仿（fǎng）真前，需要做出正確的設置。x軸的零點在車主軸的軸線上，z軸的（de）零點在車主軸的卡盤後端麵上，Y軸（zhóu）的零點在銑主軸的x軸平台的（de）表麵上，最重要的是Bl軸，它的零（líng）點軸線是與z軸平行且出（chū）於轉動的最（zuì）左端麵上（shàng），其（qí）設置結果（guǒ）見圖12。
 
    3 、曲軸的數控仿真加工
 
    曲軸是各種發動機中的（de）核心零部件，屬於（yú）典型的傳動機構，也是使用（yòng）車銑中心進行加工的典型產品。其“一（yī）次裝夾，完全加工”的工藝理念，最大限度地減少了（le）曲軸的
裝夾次數，大大提高了（le）曲軸的形位公差。這也（yě）是本文要以曲軸零件的加工來驗證車銑中心（xīn）仿真係統的意義所（suǒ）在。零件見圖13。
  

    
  
     圖12機床的初始化位置設置
  
  

    
     圖13典型曲軸零件
 
 
    VERICUT軟件（jiàn）可以對零件的數（shù）控加工程序進行全過程的監控。在數控加工執行前，可以對數控程序進行預覽，包括查看（kàn）數控代碼的狀況、刀具軌跡，還可以提前分析刀具的幹涉情況（kuàng），並輸出報警信（xìn）息。數控代碼的（de）顯示窗口可以動態的指示出目（mù）前加工到哪一段（duàn）。在加工仿真的任何時刻，我們可以隨時暫停（tíng）加工，查看（kàn）當前程序。在加工結束後，仿真（zhēn）係
統還具有數控加（jiā）工程序複查功能。除此之外，仿真係統還可以根據子地址格式和指令設置的情況，對數控程序進行語法檢查，找出程序中出現的不符合機床設置的代碼（mǎ）。仿（fǎng）真過程見圖14。
 

     圖14 曲軸仿真加工過程
   
     4、結論
 

     本文利用UG和VERICUT軟件，以WFL M35型5軸車（chē）銑中心為基礎（chǔ），完成了機床的加工仿真係統的建立，為複雜（zá）零件的數字化製造打下基礎。通過此仿真係統，本文模擬了曲軸零件的完整加工過程（chéng），驗證了加工程序（xù）的正確性，使得該零件的製（zhì）造合（hé）格率大大提高。