曹旭妍

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院，西安710300）

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基于VERICUT的雙主軸車削加工中心虛擬仿真應(yīng)用研究

曹旭妍

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院，西安710300）

摘要：雙主軸車削加工中心加工功能強(qiáng)大，能夠一次裝夾下完成零件的所有加工特征，但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，機(jī)床在進(jìn)行新零件試切時(shí)容易發(fā)生干涉、碰撞等危險(xiǎn)情況。采用虛擬仿真加工技術(shù)，基于VERICUT軟件構(gòu)建機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，對(duì)工件進(jìn)行仿真加工，能夠方便、準(zhǔn)確的檢測(cè)NC程序的正確性，觀察加工過(guò)程，預(yù)知加工結(jié)果，進(jìn)而完成NC程序糾錯(cuò)，保證實(shí)際加工的可靠進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：雙主軸車削加工中心虛擬仿真VERICUT

引言

雙主軸車削加工中心是在車削機(jī)床基礎(chǔ)上添加了動(dòng)力銑、鉆、鏜以及副主軸等功能而形成的先進(jìn)加工機(jī)床，該機(jī)床使得需要多個(gè)加工工序的工件在車削加工中心上一次完成，不僅減少了因多次裝夾而導(dǎo)致的加工誤差，還提高了加工效率，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的高質(zhì)量、高效率加工產(chǎn)生巨大影響，促進(jìn)了制造業(yè)的快速發(fā)展。然而由于雙主軸車削加工中心不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在銑、車等不同模式，在實(shí)際應(yīng)用中存在數(shù)控程序編寫困難、正確性檢測(cè)困難的問(wèn)題，這些問(wèn)題制約著車削中心的高效應(yīng)用，給企業(yè)快速生產(chǎn)帶來(lái)障礙。通過(guò)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)NC程序的正確性檢測(cè)，同時(shí)完成工件的仿真加工，直觀的觀察工件加工過(guò)程，預(yù)知加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞的危險(xiǎn)情況，降低機(jī)床使用中的風(fēng)險(xiǎn)［1］。本文以TNR-200YS雙主軸車削中心為研究對(duì)象，基于VERICUT仿真平臺(tái)，構(gòu)建該機(jī)床的虛擬仿真系統(tǒng)，介紹了在VERICUT中建立雙主軸車削加工中心虛擬仿真系統(tǒng)的一般方法及技術(shù)難點(diǎn)，并對(duì)一回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行仿真加工，證實(shí)該虛擬仿真系統(tǒng)的正確性及可靠性。

1 雙主軸車削中心虛擬仿真加工原理

虛擬仿真加工系統(tǒng)是實(shí)際機(jī)床在不消耗能源和資源情況下在計(jì)算機(jī)中的完全映射。它由機(jī)床硬件結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成。根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)及尺寸，在VERICUT中建立虛擬機(jī)床模型，使其具有與實(shí)際機(jī)床相同的加工功能，滿足虛擬情況下加工的需要。其仿真原理及構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。

2 構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)

2.1 機(jī)床參數(shù)測(cè)量

虛擬機(jī)床模型和實(shí)際機(jī)床模型的一致性是虛擬加工仿真結(jié)果可靠性的重要保證［2］。雙主軸車削中心要在不停機(jī)狀態(tài)下完成換裝，對(duì)機(jī)床各部件的空間位置精確度提出了更高的要求，獲取準(zhǔn)確的機(jī)床參數(shù)便成為研究的關(guān)鍵之一。機(jī)床的尺寸主要通過(guò)實(shí)際測(cè)量以及查詢技術(shù)手冊(cè)來(lái)獲取，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，主要通過(guò)激光測(cè)量?jī)x、卷尺、板尺等工具來(lái)對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行測(cè)量。建立虛擬模型所需主要尺寸有：①、機(jī)床主軸、副主軸、工作臺(tái)、刀塔等組件的外形尺寸；②、機(jī)床在初始狀態(tài)下（即X0Y0Z0C0時(shí)），各移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)組件的定位尺寸及相互間的內(nèi)部空間尺寸；③、機(jī)床其它部件的裝配尺寸；④、機(jī)床外形輪廓尺寸。

圖1 雙主軸車削中心虛擬仿真加工原理

2.2 構(gòu)建虛擬機(jī)床硬件結(jié)構(gòu)

要正確建立機(jī)床的虛擬模型首先需要明確機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系即機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈。TNR-200YS具有兩條運(yùn)動(dòng)鏈：基座——工件；基座——刀具，如圖2。對(duì)運(yùn)動(dòng)鏈上的各部件進(jìn)行三維建模，并按照運(yùn)動(dòng)關(guān)系將其組合起來(lái)，即完成機(jī)床的硬件結(jié)構(gòu)。由于該機(jī)床結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在VERICUT中對(duì)其建模存在一定的困難，因此選擇在UG中完成各部件模型的建立，然后將部件模型保存為STL文件導(dǎo)入VERICUT中。

圖2 機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈

完成機(jī)床各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的幾何模型后還需對(duì)其賦予運(yùn)動(dòng)關(guān)系，這樣機(jī)床才具有與實(shí)際機(jī)床一致的運(yùn)動(dòng)特性。在VERICUT中構(gòu)建機(jī)床的運(yùn)動(dòng)樹(shù)，選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)組件來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的添加。將UG中建好的.STL文件加載到相應(yīng)的組件下，并對(duì)照實(shí)際機(jī)床將各部件放在準(zhǔn)確位置［3］。如圖3為基座—刀具模型機(jī)構(gòu)圖。

圖4 雙刃刀具驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置

用類似的方法完成主軸、副主軸、卡爪等部件的加載，如有模型的位置與實(shí)際模型位置不符的，利用VERICUT中的“配置模型”功能調(diào)整模型位置。

2.3 建立刀具庫(kù)

VERICUT中提供了豐富的刀具設(shè)計(jì)樣本，根據(jù)刀具的具體特征及參數(shù)，選擇所需結(jié)構(gòu)及尺寸即可生成刀柄、刀片。刀具生成后，為保證加工的順利進(jìn)行，還需設(shè)置刀具的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)（對(duì)刀點(diǎn)）、安裝點(diǎn)等參數(shù)如圖4所示為雙刃車刀的設(shè)計(jì)。

2.4 控制系統(tǒng)配置

根據(jù)實(shí)際機(jī)床的控制系統(tǒng)，在VERICUT所提供的控制系統(tǒng)庫(kù)中選擇FANUC21i系統(tǒng)。由于雙主軸車削加工中心與通用機(jī)床有所不同，因此，需要針對(duì)實(shí)際機(jī)床中用到的代碼進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的再開(kāi)發(fā)，使得開(kāi)發(fā)后的控制系統(tǒng)能夠滿足機(jī)床的加工功能。

TNR-200YS雙主軸車削中心在使用中能夠進(jìn)行主軸車削、主軸銑削、副主軸車削、副主軸銑削等多個(gè)加工模式，這些加工模式的區(qū)分是通過(guò)代碼M75、M76、M175、M176來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此要專門對(duì)這些代碼進(jìn)行定制。在VERICUT“文字/地址”窗口中，添加需要的代碼名稱，并進(jìn)行相應(yīng)功能的描述，在宏命令格式中定義代碼的功能，完成特殊功能代碼的定制。用類似的方法實(shí)現(xiàn)其它特殊功能的G、M代碼的設(shè)定。

2.5 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

為確保仿真加工的順利進(jìn)行，還需進(jìn)行機(jī)床參數(shù)的正確設(shè)置。VERICUT中要進(jìn)行的機(jī)床參數(shù)設(shè)置主要包括：機(jī)床行程、碰撞檢測(cè)、換刀點(diǎn)等。只有正確設(shè)置機(jī)床參數(shù)，才會(huì)在虛擬加工中當(dāng)出現(xiàn)超程、碰撞的問(wèn)題時(shí)及時(shí)報(bào)警。因此機(jī)床參數(shù)設(shè)置對(duì)虛擬系統(tǒng)的可靠運(yùn)行尤為關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際參數(shù)完成設(shè)置后，仿真系統(tǒng)構(gòu)建完成。

3 仿真加工

3.1 NC程序生成

在三維軟件UG中建立工件的三維模型，并利用UG先進(jìn)的數(shù)控加工功能，進(jìn)行工件的工藝處理，生成正確的前置刀具軌跡。UG中自帶了強(qiáng)大的后置處理功能，能夠快速的對(duì)三軸及以下的刀具軌跡文件進(jìn)行處理，生成機(jī)床能直接識(shí)別的NC程序［4］。本文主要研究機(jī)床的多軸復(fù)雜加工功能，而UG自帶的后置處理器不能滿足工件的使用要求，因此需要基于UG后處理模塊進(jìn)行專用后置處理器的開(kāi)發(fā)，以滿足NC的正確生成。

3.2 虛擬仿真加工

將UG中輸出的NC程序添加到虛擬仿真系統(tǒng)中，添加毛坯、工件的模型到系統(tǒng)中，并對(duì)G代碼偏置進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后進(jìn)行工件的仿真加工，如圖5所示。

圖5 虛擬仿真加工

4 總結(jié)

文中對(duì)VERICUT中建立雙主軸車削加工中心虛擬仿真系統(tǒng)的一般方法進(jìn)行了總結(jié)，并以TNR-200YS雙主軸車削中心為原型，對(duì)其建模中的一些關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行概述，完成了該機(jī)床的虛擬仿真系統(tǒng)的建立，并對(duì)一回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行了仿真加工。結(jié)果表明：該仿真系統(tǒng)能夠正確的實(shí)現(xiàn)雙主軸車削加工中心的所有加工功能，正、副主軸上的加工與實(shí)際要求相符。通過(guò)仿真加工檢測(cè)了加工中可能出現(xiàn)的干涉、碰撞等危險(xiǎn)情況，預(yù)知加工過(guò)程，提高了實(shí)際機(jī)床應(yīng)用中的安全性及效率。為雙主軸車削加工中心的虛擬建模及仿真提供了參考。

參考文獻(xiàn)

［1］田娟秀.虛擬數(shù)控車床系統(tǒng)建模及加工過(guò)程仿真的研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2000年.

［2］王中勝，張磊，劉萬(wàn)普.基于VERICUT的車銑復(fù)合加工中心虛擬仿真研究［J］.航空制造技術(shù)，2011，1（2）：10610.

［3］曾強(qiáng)，張志森，肖輝進(jìn).基于VERICUT五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012-12（4）：914-917.

［4］朱秀梅.基于VERICUT平臺(tái)的數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

Virtual Simulation Study of Twin-spindle Turning Center Based on VERICUT

CAO Yanxu
（Shanxi National Defense College of Industrial Technology of NC Engineering, Xi'an 710300）

Abstract:Two-spindle machining has powerful turning center, is able to complete all the machining features under one clamping, but because of the complexity of its structure, during the new trial cut machine parts are prone to cause interference, collision and other dangerous situations. Virtual simulation machining technology was applied; virtual simulation machining system of machine tool was built based on VERICUT software. Stimulating manufacturing to workpiece can be easily and accurately to detect the correctness of the NC program, observe the process to predict the results of the processing, and then complete NC program correction, ensure reliable actual machining.

Key words:Two-spindle turning centers, virtual simulation, VERICUT