基于vericut的车铣复合加工中心虚拟仿真研究

《基于vericut的车铣复合加工中心虚拟仿真研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于vericut的车铣复合加工中心虚拟仿真研究（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、新 视 点NEW VIEWPOINT106航空制造技术2011 年第 1/2 期基于VERICUT的车铣复合 加工中心虚拟仿真研究*西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 王中胜 张 磊 刘万普 陈成军 洪 军 大连机床集团有限责任公司数控技术应用试验研究所 周宝庆针对多轴联动车铣复合加工中心运动关系复杂、 加 工准备时间长、 干涉碰撞易发生的特点， 本课题在研究机 床结构特征的基础上， 构建了基于 VERICUT 的车铣复 合加工中心虚拟加工环境， 重点研究了虚拟机床的建模 方法， 包括几何模型， 运动模型和控制系统模型的定制， 特别是专用数控指令的定制方法， 实现了零件数控加工 前的仿

2、真校验。改进加工工艺。 虚拟机床建模是虚拟加工技术 的关键， 它包括以下 4 个层次的映射： 机床几何模型的映射、 机床运动模型 的映射、 控制系统模型的映射和切削 加工模型的映射。虚拟机床模型和 物理机床模型的一致性是虚拟加工 仿真结果可靠性的重要保证。 VERICUT 是美国 CGTECH 公司 开发的专业的虚拟数控加工软件2。与一般 CAM 软件只进行零件刀具轨 迹或中间文件的模拟不同， VERICUT 不仅可以进行数控加工终端代码程 序 （G 代码） 的模拟， 而且可实现包括王中胜 西安交通大学机械工程学院硕士 研究生， 现就职于西飞国际数控加工 中心技术室， 从事数控加工工艺及程 编

3、工作。Research on VERICUT-Based Virtual Simulation of Turning-Milling Machining Center随着零件结构和加工工艺的日 益复杂及数控机床加工速度、 精度 和智能化水平的不断提高， 各类数控 机床已经成为装备制造业， 特别是航空、 航天、 军工等制造业必不可少的 加工设备， 而以提高数控加工效率和 自动化水平为目标的多轴复合加工 机床又已经成为机床制造业的一个 重要发展方向1。与此同时， 多轴复合加工机床的日益普及给零件加工 工艺的可行性验证提出了新的挑战。 传统的试切法验证加工工艺， 不但占 用数控机床加工时间， 周期长

4、， 成本 高， 而且通用性差。伴随加工建模理 论和计算图形学技术的发展， 虚拟加 工已经成为数控加工工艺验证的有 力工具， 它可以在虚拟机床上直观地 观察到零件的加工过程， 从而分析和* 国家 863 计划 （2009AA04Z147） 和国家科技 重大专项 （2009ZX04001-071） 资助项目。NEW VIEWPOINT新 视 点2011 年第 1/2 期航空制造技术107物理机床、 夹具、 刀具、 毛坯等完整加 工环境的虚拟可视化。 针对多轴联动车铣复合加工中 心运动关系复杂、 加工准备时间长、 干涉碰撞易发生的特点， 本课题在 研究机床结构特征的基础上， 基于 VERICUT 构

5、建了某车铣复合加工中 心虚拟加工环境， 重点研究了虚拟机 床的建模方法， 包括几何模型、 运动 模型和控制系统模型的定制， 特别是 专用数控指令的定制方法， 实现了零 件数控加工前的仿真校验。基于 VERICUT 的 虚拟加工仿真框架某型车铣复合加工中心是双主 轴、 双刀架、 带自动换刀系统的九轴 五联动多功能复合加工机床， 其结构 如图1所示。 该机床具有双通道控制， 具备双主轴高速同步对接、 上下刀塔 独立进行车铣加工、 四轴联动车削、 五 轴联动铣削等众多加工优势， 其主要 运动轴有X1、Y、Z1、B、C1、C2、Z2、X2、 W。 由于该车铣复合加工中心功能多、 运动系统结构复杂， 因

6、此需要一个虚 拟加工环境以有助于该机床的设计、 加工培训和加工工艺验证等。 基于以上需求本课题设计了一 个基于 VERICUT 的车铣复合加工中心虚拟加工系统。该系统的主要 工作流程如图 2 所示， 通过建立机床 的几何模型、 运动模型和控制系统模 型构建机床的虚拟加工环境， 同时建 立刀具、 夹具库模型； 利用 PROE 等 CAD 软件构建毛坯模型和设计模型， 并转换为 STL 格式， 导入虚拟加工环 境中； 利用 MasterCAM 等 CAM 软件 生成零件数控加工 G 代码。在虚拟 加工仿真阶段， 以数控代码驱动虚拟 机床进行仿真加工， 以自动检测加工 过程中是否存在碰撞、 过切、

7、欠切、 机 床超程等问题， 从而指导操作人员优 化数控代码， 满足加工要求。 与普通虚拟数控机床建模不同， 车铣复合加工中心虚拟数控控制系统建模不仅包含通用控制系统的定 制， 还需要通过宏指令定义一些专用 的控制指令， 以实现虚拟控制指令与 实际控制系统中该指令运动功能上 的一致性， 满足该机床的加工仿真需 求。车铣复合加工中心 虚拟模型构建本课题对虚拟加工环境建模的过程和技术路线如下： 在对机床结构 和运动链分析的基础上进行模块划 分和 CAD 模型简化， 构建机床三维几 何模型和机床运动学模型； 对现有虚 拟控制系统进行二次开发， 通过宏命 令定义特殊数控编码， 保证虚拟控制 系统与实际数

8、控系统功能一致性， 完 成虚拟控制系统的定制。 1 机床几何模型的构建 虚拟机床模型和物理机床模型夹具?刀具库程加工序零点零件毛坯模型零件设计模型数控加工程序修改数控加工程序实际机床加工机床几何建模加工路径是 否需要优化NNNNNYYYYY是否存 在超程是否存在碰撞是否存在过切是否存在欠切机床运动建模通用控制系统定制专用控制指令定义虚拟加工环境图2 基于VERICUT的虚拟加工系统框架图1 九轴五联动车铣复合加工中心内部结构运动刀库换刀手臂第一主轴S1第三主轴S3第二主轴S2夹具 1夹具 2WZ2Z1C2C1X2X1 Y旋转刀塔床身部件新 视 点NEW VIEWPOINT108航空制造技术20

9、11 年第 1/2 期的一致性是虚拟加工仿真结果可靠 性的重要保证。VERICUT 中的几何 模型主要用于虚拟机床的可视化和 碰撞检测， 精度越高， 结构特征越接 近真实物理模型， 机床渲染和碰撞检 测的精度也越高； 与此同时， 机床渲 染和碰撞检测所占用的计算资源也 会增多， 导致系统运行速度的降低。 因此在构建机床几何模型时要综合 考虑精度和计算效率 2 方面的影响， 在保证精度的前提下需要尽可能简 化模型特征， 提高虚拟机床仿真的运 行效率。 在研究 VERICUT 软件特点的基 础上， 本课题获得 5 条可供参考的机 床三维 CAD 模型简化原则。 （1） 对机床进行功能模块和运动 模

10、块划分， 并进行零部件抽取。 （2） 以 VERICUT 环境下机床运 动、 防护状态为基础进行无关零件的 删除。 （3） 根据机床防护状态及运动关 系进行零部件间布尔运算以减少模 型数量。 （4） 对布尔运算后的零部件进行 以减少结构特征为目的模型简化。 （5）将 简 化 后 的 零 部 件 按 VERICUT 环境下的构建需求进行拆 分和重组。 针对机床生产厂家构建的车铣 复合加工中心三维 CAD 模型， 本课题 按上述原则将由数千个零件组成的 机床模型简化为支撑、 排屑、 运动、 防 护、 刀具存储和换刀六大模块， 58 个 模型。简化后的机床模型为 STL 数 据格式， 总数据量小于

11、2M， 可以满足 精度和运行速度的要求。 2 机床运动学模型的构建 VERICUT 环境下， 机床运动学模 型的构建主要包括创建机床结构组 件树和设置机床运动参数 2 部分。 创建机床结构组件树主要是在 对机床各部件运动关系进行分析的 基础上， 构建机床运动结构父子关系 树状图， 并将机床各部分几何模型导入相对应的运动部件下。设置机床 运动参数主要包括机床各运动轴的 行程设置以及机床各初始状态设置、 机床各部件的碰撞检查设置等。 通过对该车铣复合加工中心 机床运动链的分析和机床参数的 研究获得如图 3 所示该机床的主 要传动链。根据该运动传动链模 型， 在 VERICUT 系统的结构组件树 （

12、Component Tree） 窗口中建立了机床 运动关系模型， 同时配置传动链上零 件的位置和相关尺寸， 从而建立运动 学模型。 3 机床控制系统建模 控制系统是虚拟数控机床的核 心， 负责将数控编码转化为各个轴的 运动， 从而驱动加工仿真运行， 它是 虚拟加工过程和实际加工过程一致 的关键。虚拟数控机床控制系统建 模就是在 VERICUT 软件中建立数控 编码翻译模块3。VERICUT 软件提供了通用的数 控编码翻译模块， 可以满足简单通用 结构机床的使用需要， 但对于像车铣 复合加工中心等复杂数控机床， 需要 进行机床特殊指令的开发定制， 以完 善数控编码翻译模块。 该车铣复合加工中心使

13、用的控 制系统为 SIEMENS840D， 本课题选择VERICUT 中该控制系统对应的数控编码翻译模块 sin840d.ctl 作为虚拟机 床控制器模块， 并对其进行了二次开 发， 定义了相关特殊指令， 实现了虚 拟控制系统与实际控制系统功能上 的一致性。特殊指令定义流程如图 4 所示， 包括指令学习、 格式定义、 指令 名称添加和指令功能定义 4 步。下 面以 G75 指令的配置流程对特殊指 令的定义流程进行说明。 （1）指令学习：指令学习即获 取指令的功能、 格式和使用方法， 了解指令中各参数的含义。根据 SIEMENS840D 数控编程手册， G75 指 令功能为返回某一固定点， 其功

14、能为 在任何状态下机床直接运动到指定 坐标位置， 该坐标位置预存储在机床 参数面板中， 在执行时需要首先取 消运动转换功能， 指令格式为 “G75 FP=m X1=a Y1=b Z1=c” 。 （2） 字符格式定义： 任何数控编 码 （指令、 变量及字符） 都必须首先进 行文字格式的预定义， 才能被虚拟数 控系统识别和解释。定义内容包括 指令或变量的文字名称、 类型、 次级 类型、 公制 / 英制及对应格式等。如 图 5 右上部分 (b) 所示， 本指令进行 了字符 “FP=” 的格式定义。 （3） 字符指令添加： 作为目标数 控编码的名称， 经预定义完成的字符 或变量可以按其功能添加到文字

15、/ 地图3 机床传动链模型换刀系统第一加工通道第二加工通道车刀、 旋转刀具车刀、 旋转 刀具车刀、 旋转 刀具旋转刀塔零件毛料零件毛料刀手 1主轴S3夹具 1夹具 2主轴S1主轴S2C1轴C2轴B轴X1轴X2轴Y轴W轴Z1轴Z2轴刀手 2防护防护床身等基础部件防护链式刀库刀臂C轴刀车Z轴NEW VIEWPOINT新 视 点2011 年第 1/2 期航空制造技术109址栏内相应的所属类别组中， 也可建 立独立类别组进行添加， VERICUT 已有的类别组包括 M 代码、 变量、 循 环、 特殊、 CGTECH 等。本例需在 “配 置文字 / 地址” 窗口下 G-Prep 栏 增加 G75 指令。

16、 （4） 数控编码的功能定义： 添加 完成后的指令需要进行数控编码功 能的定义以满足其加工仿真的需求。 VERICUT提供了2种指令功能的实现 格式： 一是从 VERICUT 提供的宏指令 库中的选取相应功能的宏在指令名称 下方进行逻辑添加， 并对宏进行数值 输入和逻辑命令的选取， 完成数控编 码的功能定义； 二是编制子程序， 通 过具备调用功能的宏指令进行子程 序调用实现数控编码的功能定义。 根据机床结构及指令功能， 按第 一种方式进行 G75 的功能配置 （详见 图 5） ： 采用 RotaryControlPointOnOff 宏指令实现 RTCP 和 RPCP 运动转换 功能的取消； 采用 ReferencePointIndex 宏指令实现各运动轴回机床固定点 的动作， 同时进行固定点标记和指令 执行顺序勾选； 采用 ProcessMotion 宏 指令执行处理上述轴的运动指令； 进 行 “FP=” 字符的与非设置， 实现 “EP” 字符与不同固定点的匹配， 见图 5 的 (a) 部分； 进行功能的