基于VERICUT的双转台五轴数控微型铣床建模和仿真

中图分类号： TG659
文献标识码： A
Modeling and Simulation of Five-axis NC Milling Machine with Dual Rotary Tables Based on VERICUT
LI Fang1 ，LIU Kai2 ，WANG Hao2 ，ZHAO Dong-biao2 （ 1． Jincheng College，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211156，China； 2． College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China） Abstract： NC machining simulation can visually simulate the process of NC machining，verify the NC program，analysis the machinability of the parts and the rationality of the w orking procedure，and therefore shorten the product development cycle． In the UG softw are the three-dimensional model of the fiveaxis NC milling machine is established． Five-axis NC machining program of the face processing model is generated w ith the use of CAM module． Based on the VERICUT softw are the simulation environment of the five-axis NC milling machine w ith dual rotary tables is built and the processing simulation of the face model is carried out． The virtual simulation is verified by the actual processing． The research on five-axis NC machining technology can be further carried out w ith the virtual platform of the NC milling machine． Key words： VERICUT； simulation； five-axis linkage； NC machining
（ 1） 在 UG 软件中建立微型铣床三维实体模型， 建模过程中，各 个 部 件 的 基 准 及 控 制 尺 寸 与 实 物 部 件严格一致。
（ 2） 对 UG 软件中的铣床三维模型，以每个运动单 元为一个模块导出为 VERICUT 软件可以识别的 stl 格 式，分别是： Base 文件、Y 轴文件、X 轴文件、Z 轴文件、 Spindle 文件、Tool 文件、A 轴文件、C 轴文件［9-10］。
（ 3） 在 VERICUT 软件中建立刀具库，依照零件 在 CAM 后处理加工中对应的刀具尺寸参数及刀具 号，对刀具进行设置。
重置模型，进行仿真加工。
在 VERICUT 环境下仿真加工过程及结果分别
·116·
组合机床与自动化加工技术
第2 期
图 4 人脸的 UG 模型
将加工 坐 标 系 的 零 点 设 在 毛 坯 上 表 面 的 正 中 心。机床本身第四根轴（ A 轴） 与第五根轴（ C 轴） 在 Z 向的偏移为 28mm，加上毛坯厚度 37mm，根据二者 之和对后处理构造器 （ post-builder） 进行参数设置。 然后经后处理构造器导出五轴联动数控加工程序。
机床起始位置、行程等初始化设置。 经过以上配置，在 VERICUT 软件中建立了如图
3 所示的五轴数控铣床仿真模型。
图 3 铣床仿真模型
图 1 双转台五轴数控微型铣床
在使用 VERICUT 软件进行数控仿真加工时，不 仅可以直接 选 取 软 件 自 带 的 各 种 常 见 机 床 模 型，同 时也可以通 过 三 维 造 型 软 件 先 建 好 机 床 模 型，再 将 机床模型文件导出为 VERICUT 软件可以识别的文 件格式，最后导入到 VERICUT 中。本文采用后一种 方法进行仿真加工验证，详细步骤如下：
（ 3） 在 VERICUT 软件中，根据五轴微型铣床的实 际结构，在 Component Tree 中，按照 Base→Y→X →Z →Spindle→Tool，Base→A→C→fixture→stock 的顺序 定义机床各组成部分，构建机床组件树，如图 2 所示。
2 在 VERICUT 中的加工仿真
李 芳1 ，刘 凯2 ，王 昊2 ，赵东标2
（ 1． 南京航空航天大学 金城学院，南京 211156； 2． 南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）
摘要： 数控加工仿真可以形象直观地模拟数控加工的全过程，进行数控程序的检验，分析零件的可加
工性和工序的合理性，从而缩短产品的研制周期。在 UG 软件中建立了五轴数控微型铣床的三维模
本文采用 VERICUT 软件进行双转台五轴数控微型 铣床的数控加工仿真。
1 五轴数控微型铣床模型的建立
双转台式五轴机床是五轴数控机床中比较常见 的一种，两个旋转轴都在工件运动链一侧，总体刚性 较高，旋转坐标行程范围较大，工艺性能好［8］。本文 采用的双转台五轴数控微型铣床如图 1 所示，其中， 直线导轨和旋转运动部件的各个轴均采用步进电机 驱动，并带有光电开关对行程进行限位，精密滚珠丝 杠螺距为 1mm； 两个旋转部件采用蜗轮蜗杆结构形 式，传 动 比 为 1： 60。各 轴 运 动 范 围 XYZ100mm × 100mm × 100mm，A 轴 － 60° ～ 110°，C 轴 － 180° ～ 180°。该五轴联动数控平台控制系统采用“PC + 可
在 VERICUT 软件中细化配置，完成加工前的准 备工作，具体如下：
（ 1） 根据机床的双旋转工作台式的结构布局以 及各轴之间 的 运 动 依 附 关 系，选 择 机 床 文 件 库 中 的 “fan0m． ctl”文件，作为机床的控制系统。
（ 2） 对照毛坯尺寸，给机床项目树的 “stock”组 件添加与亚 克 力 毛 坯 尺 寸 大 小 一 致 的 方 块，并 调 整 毛坯的位置，使其处于工作台上表面的正中心。
图 7 五轴联动加工样件
4 结束语
基于 VERICUT 的数控加工仿真技术可以形象 直观地模拟 数 控 加 工 的 全 过 程，进 行 数 控 程 序 的 检 验，分析零件的可加工性和工序的合理性，从而缩短
产品的研制周期，降低成本，提高产品质量。本文采
用 VERICUT 软件进行了典型零件的五轴加工仿真，
型，采用 CAM 模块产生了人脸加工模型的五轴联动数控加工程序。基于 VERICUT 软件构建了双转
台五轴数控微型铣床仿真环境，进行了人脸模型的加工模拟，并且通过实际加工对该虚拟仿真进行
了验证。可以在该数控微型铣床虚拟平台上进一步开展五轴数控加工技术的研究。
关键词： VERICUT； 仿真； 五轴联动； 数控加工
第2 期 2013 年 2 月
组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing Technique
No． 2 Feb． 2013
文章编号： 1001 － 2265（ 2013） 02 － 0114 － 03
基于 VERICUT 的双转台五轴数控微型铣床建模和仿真*
五轴联动 数 控 加 工 过 程 中，应 该 防 止 刀 轴 矢 量 频繁变化导致的撞刀、干 涉 现 象，下 面 在 VERICUT 软件中对数控加工进行检验。
选取如图 4 所示的人脸模型在 UG 软件中进行 CAM 加工，毛坯选用 30mm × 40 mm × 37 mm 的亚克 力方料。粗加工采用型腔铣，刀具 4mm 立铣刀，刀刃 长大于 20mm，步 距 恒 定 为 1mm，全 局 每 刀 深 度 为 1mm，加工余量为 0. 5mm； 精加工采用可变轮廓铣， 刀具 3mm 球铣刀，刀刃长大于 10mm，采用表面积驱 动方法（ 驱动曲面为一平面截得球面的一部分） ，加 工余量为 0。
如图 5 和图 6 所示。通过虚拟加工，可以检查加工程 序是否合理 以 及 是 否 会 发 生 刀 具 干 涉 现 象，从 而 对 加工过程中 出 现 的 问 题 进 行 分 析 修 正，直 到 加 工 程 序最终满足实际要求。
图 5 仿真加工过程
图 6 仿真加工结果
3 实际加工验证
人脸加工程序在 VERICUT 中的仿真加工结果 达到了人脸 模 型 的 精 度 要 求，下 面 在 铣 床 平 台 上 进 行人脸的实例加工。在本课题编写的数控系统中， 将已通过仿真验证的人脸加工程序读入系统并进行 实例加工。最终人脸加工结果如图 7 所示。将实例 加工结果与 VERICUT 软件仿真结果进行对比可以 发现，实际加工结果与人脸模型在细节上完全一致， 达到了五轴加工的精度要求。
0 引言
五轴联动数控机床在复杂曲面零部件的生产制 造以及航空航天、汽车、轮船和模具等行业中具有显 著的优势 和 重 要 的 现 实 意 义［1-3］。 由 于 五 轴 联 动 数 控加工中刀 具 路 径 复 杂，需 要 三 个 直 线 轴 和 两 个 旋 转轴的插补运动，NC 代码的数据繁多，出错几率大， 而且靠人工 检 查 程 序 的 正 确 性 几 乎 不 可 能，因 此 使 用数控仿真来模拟五轴联动数控加工很有必要［4-6］。 VERICUT 软件是美国 CGTECH 公司开发的一款数 控加工仿真 及 优 化 软 件，可 以 同 时 进 行 刀 具 轨 迹 和 机床运动的 仿 真，能 真 实 地 模 拟 实 际 加 工 过 程 中 刀 具切削零件 和 机 床 各 个 轴 的 运 动 情 况，并 能 进 行 碰 撞的检测，是 数 控 加 工 仿 真 软 件 领 域 的 佼 佼 者［7］。
经过以上配置在vericut软件中建立了如图3所示的五轴数控铣床仿真模型双转台五轴数控微型铣床铣床仿真模型在vericut中的加工仿真在使用vericut软件进行数控仿真加工时不仅可以直接选取软件自带的各种常见机床模型同再将时也可以通过三维造型软件先建好机床模型机床模型文件导出为vericut软件可以识别的文最后导入到vericut中
收稿日期： 2012 － 09 － 18； 修回日期： 2012 － 10 － 25 * 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51005122）
作者简介： 李芳（ 1979—） ，女，江苏淮安人，南京航空航天大学金城学院讲师，硕士，从事材料学、机电控制及其自动化方面的研究，（ E － mail） suzi_lifang@ yahoo． com． cn。
图 2 机床部件树
（ 4） 先选中 Base（ 0，0，0） ，在下方的添加模型文 件中，选取（ 2） 中相应的 stl 格式文件（ 即 Base 文件） 添加进来。 按 照 同 样 的 方 法，依 次 为 项 目 树 中 的 各 组件配置机床实体模型，完成机床各部件的装配。
（ 5） 机床运动结构定义完成后，需要对机床进行 初始化的设置，打开“配置→机床设定”对话框，完成
2013 年 2 月 李 芳，等： 基于 VERICUT 的双转台五轴数控微型铣床建模和仿真
·115·
编程运动控制器”结构的开放式控制系统： 以通用 PC 机为硬 件 平 台，MPC08SP 运 动 控 制 卡 为 控 制 核 心，双 CPU 并行通信，其特点是灵活性好、功能稳定、 可共享计算机的所有资源。
并且通过 实 际 加 工 对 该 虚 拟 仿 真 进 行 了 验 证。 今
后，可以在该 数 控 微 型 铣 床 虚 拟 平 台 上 进 一 步 开 展