張 璐， 張東生， 張力允

(陜西理工學院 機械工程學院， 陜西 漢中 723000)

基于NX和VERICUT的四軸數(shù)控加工仿真研究

張 璐， 張東生， 張力允

(陜西理工學院 機械工程學院， 陜西 漢中 723000)

根據(jù)復雜四軸數(shù)控加工的方法和特點，建立四軸數(shù)控加工刀具軌跡數(shù)學模型，通過NX對一個旋轉(zhuǎn)槽類零件進行四軸銑削仿真加工，生成數(shù)控加工刀路及NC代碼。利用NX和VERICUT良好的交互性建立機床模型，對加工過程機床仿真，并對相應程序進行檢驗和優(yōu)化，得到更加合理的NC程序，對實際的數(shù)控加工具有指導意義。

NX； VERICUT； 加工仿真； NC程序

目前，多軸加工技術(shù)已經(jīng)在實際加工中占據(jù)極其重要的位置。由于多軸加工環(huán)境的復雜性及對加工程序準確性的要求，手動編程方式已經(jīng)不能滿足要求，同時目前所采用的編程軟件也具有缺陷性。NX(Unigraphics NX)具有強大的數(shù)控編程功能，但模擬切削功能還不能保證編制的程序能夠直接應用于生產(chǎn)，對于過切以及干涉都不能很好地體現(xiàn)，也不具有程序的優(yōu)化功能。VERICUT是美國CGTECH公司開發(fā)的專業(yè)數(shù)控加工仿真軟件，其Multi-Axis模塊能夠驗證4/5軸的銑削加工，對加工過程的過切、碰撞、干涉等進行檢驗并且可以優(yōu)化刀具切削路徑[1]，對于實際生產(chǎn)中生產(chǎn)效率的提高有很大提升作用。

1 四軸數(shù)控加工特點及數(shù)學模型

1.1 四軸數(shù)控加工特點

四軸數(shù)控立式銑削機床是在三軸平動軸機床的基礎上增加一個旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的,四軸數(shù)控機床除了可以對兩個或兩個以上運動坐標的位移及速度進行相關控制外，還可以進行旋轉(zhuǎn)類曲面的加工。對于具備四軸控制的機床，既可以加工同一基準的非旋轉(zhuǎn)要素的平面和曲面，同時還可以完成非同一基準的平面和曲面的加工，以及旋轉(zhuǎn)面的加工[2]。表1為四軸機床常見的聯(lián)動形式和成型特點，本文采用X/Z/A的組合形式對所加工零件進行數(shù)控加工仿真。

表1 四軸控制機床實際運動中常見的聯(lián)動形式和特點

1.2 四軸數(shù)控加工數(shù)學模型

NX創(chuàng)建刀具運動規(guī)律曲線的核心思想是將創(chuàng)建的曲線方程分解到X，Y，Z三個坐標軸上，通過坐標分量的函數(shù)變化規(guī)律來完成。分析X/Z/A三軸聯(lián)動時的數(shù)學模型，兩個線性軸X，Z和旋轉(zhuǎn)軸A同時完成工作，A軸旋轉(zhuǎn)時將運動分解到Y(jié)，Z軸上，X軸方向相對于工件做勻速運動，所以只需分析在Z/A聯(lián)動時YZ投影面的刀具運動軌跡(見圖1)。A點為下刀點，AB為Z軸方向，OC為Y軸方向，A軸勻速轉(zhuǎn)動。故刀具相對于旋轉(zhuǎn)中心O的長度r，逐漸由R變成OC長度，至B點時r又等于R，令AC的長度等于m，刀具在Z軸運動的線性范圍S可以用一階貝爾齊曲線表示：

圖1 Z/A聯(lián)動刀具 軌跡分析圖

S=-m×(1-t)+m×t,

式中l(wèi)為刀具沿X軸走刀的距離,θ為A軸回轉(zhuǎn)角度,α為A點到B點相對于旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)的角度,t為走刀時間參數(shù)。

得到的參數(shù)方程為規(guī)律曲線，在NX建模中建立復雜的規(guī)律變化平面曲線和空間曲線都是通過規(guī)律曲線來完成，下文中建立的曲面模型即通過參數(shù)方程完成規(guī)律曲線的創(chuàng)建。

2 NX零件的建模與數(shù)控加工

圖2 零件模型

2.1 建立制造模型

在NX 8.0中通過建立圓柱體，繪制端面截形,通過曲線方程生成規(guī)律曲線，通過掃掠，陣列實體特征得到圖2所示零件模型。

2.2 加工工藝分析

建模選用零件為一螺旋槽類零件，材料選45鋼，毛坯采用圓形棒料，在四軸加工中心加工。加工坐標系原點確定為零件軸線與零件的右端面交點，加工坐標系的Z方向與零件軸線重合，加工內(nèi)容、切削刀具和工藝參數(shù)如表2所示。

表2 加工工藝

2.3 加工仿真

(1)進入加工環(huán)境，選擇“Multi-Axi”。進入幾何視圖，分別創(chuàng)建機床坐標系、部件幾何體以及毛坯幾何體。切換至機床視圖，建立加工所需要的D5和D3兩把球頭刀。需要注意的是在進入NX加工環(huán)境中，建模坐標系XC/YC/ZC為絕對坐標系，XM/YM/ZM為加工坐標系，這兩個坐標系必須重合。

(2)NX多軸加工主要通過控制驅(qū)動的方法，控制刀具軸矢量和投影方向來生成加工軌跡，加工的關鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化，選擇合適的刀軸矢量和投影方法是獲得優(yōu)質(zhì)刀路的關鍵[1]。切換至程序視圖，選擇“插入-操作”，選擇多軸加工，加工方法選擇可變輪廓銑，驅(qū)動方法選擇“曲面”，選擇螺旋槽曲面，切削模式選擇“往復”，步距數(shù)定義為50。投影矢量選擇“朝向直線”，刀軸選擇“遠離直線”，選擇平行于Z軸方向的矢量，如圖3所示。

(3)設置切削參數(shù)，選擇合適的進給量，生成切削刀具軌跡，如圖4所示，然后進行刀位軌跡復制，選擇“對象-變換”，選擇繞點旋轉(zhuǎn)，設置好變換參數(shù)，完成道路軌跡的復制，確認無誤后進入“刀軌可視化”進行動態(tài)仿真[3]。

圖3 加工驅(qū)動方法 圖4 生成軌跡圖

(4)NC代碼的生成。選擇后處理圖標，在后處理器中選擇“MILL_5_AXIS”，選擇好輸出文件的路徑，生成削粗加工NC程序。精加工程序的生成采用類似方法。

3 VERICUT虛擬加工仿真

在VERICUT中建立四軸數(shù)控銑床模型，用建立的機床模型對NX中生成的NC代碼進行機床仿真、檢驗以及優(yōu)化等。

3.1 數(shù)控仿真機床的建立

VERICUT系統(tǒng)中一般有兩種方法構(gòu)建機床。一種是通過VERICUT自帶的簡單建模工具建立機床模型，但這種方法建立機床模型比較麻煩，特別是曲面部分。另一種是在其它的CAD軟件中先建立機床模型，導出VERICUT可識別的文件格式，如STL，以組件為單位逐個輸出STL模型文件，再導入VERICUT中進行機床裝配[4]。

圖5 四軸銑床模型

本文采用第二種方法，在NX中創(chuàng)建機床各個組件，輸出STL文件，導入VERICUT后將機床床身、主軸、導軌等以組件樹的形式將各實體模型按照數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)裝配在一起，形成機床運動學模型，圖5為VERICUT中構(gòu)建的四軸銑床模型。完成后再定義機床模型，包括設置機床零點、刀具運動軸的方向、旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心等。所構(gòu)建的四軸銑床運動軸分別為3個線性移動軸X/Y/Z和一個旋轉(zhuǎn)軸A。要完成加工仿真還需要配置數(shù)控系統(tǒng)，VERICUT中帶有FANAC、西門子等很多控制系統(tǒng)的文件，這里調(diào)用“sin840d”控制系統(tǒng),完成整個控機床模型的建立，圖6為機床組件項目樹。

3.2 仿真加工過程的建立

3.2.1 創(chuàng)建刀具導入毛坯

在項目樹中選擇加工刀具，彈出刀具管理器，創(chuàng)建兩把加工所需要的刀具。VERICUT中定義的刀具要與NX中定義的刀具相同，否則在仿真過程中調(diào)用不出刀具，同時要給每把刀具編號，方便調(diào)用，完成后將NX中建立的毛坯導入安裝。建立加工坐標系，取工件右端面為加工坐標系原點，并且與NX中加工坐標系保持一致。

3.2.2 虛擬仿真演示

在項目樹中選擇“數(shù)控程序”，在“配置NC程序中”載入NX中生成的NC代碼，進行數(shù)控加工仿真。圖7為加工過程演示圖。通過觀察各部件之間的相互運動關系，檢驗程序的正確性、在加工過程中是否發(fā)生干涉、碰撞等。

3.2.3 仿真結(jié)果分析

演示完成后，利用AUTO-DIEF模塊，對加工后零件和設計零件進行比較，觀察兩者間的差異以及過切和欠切情況，進而修改刀具軌跡和參數(shù)，進行下一步的優(yōu)化，直到完全達到加工要求為止。此次加工實驗檢測結(jié)果未出現(xiàn)過切、欠切現(xiàn)象，NC代碼滿足加工要求。

圖6 機床組件項目樹 圖7 機床加工過程

4 小 結(jié)

通過分析四軸加工的特點及數(shù)學模型，建立四軸加工類旋轉(zhuǎn)槽零件，討論此類四軸加工類零件一般加工方法，以及NX加工流程和方法，在VRICUT軟件中建立四軸機床模型，并對零件進行模擬機床仿真，檢查過切、欠切、碰撞等錯誤，從而檢驗程序的正確性，得到更為合理的NC程序，提高了加工的安全性，甚至可以代替試切過程，可以大大提高零件的加工效率及機床的利用率，對實際的加工生產(chǎn)具有很大的現(xiàn)實指導意義。

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[責任編輯：謝 平]

Four-axis CNC machining and simulation with NX and VERICUT

ZHANG Lu， ZHANG Dong-sheng， ZHANG Li-yun

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Four axis machining method and characteristics for four axis complex surface parts is introduced. And the mathematical model of tool path is established. Milling rotating groove parts through NX is conducted to generate NC cutter path and NC program. Machine model is built by making use of good interaction of NX and VERICUT and machine processing simulation is thus achieved, and correspondign program is tested and optimizated with the result of more reasonable NC program. The way is instructive for actual CNC machining.

NX； VERICUT； machining simulation； NC program

1673-2944(2015)02-0011-04

2014-07-05

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2012KTCG01-03)

張璐(1987—)，男，陜西省渭南市人，陜西理工學院碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字化制造技術(shù)；[通信作者]張東生(1960—)，男，陜西省漢中市人，陜西理工學院教授，碩士生導師，主要研究方向為機械裝備設計與制造。

TG547

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