VERICUT軟件在五軸高速銑加工中的應用

一、VERICU下軟件簡介

VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，由NC程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級機床特征模塊、實體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真數(shù)控車床、銑床、加工中心、線切割機床和多軸機床等多種加工設備的數(shù)控加工過程，也能進行NC程序優(yōu)化，縮短加工時問、延長刀具壽命、改進表面質量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤;具有真實的三維實體顯示效果，可以對切削模型進行尺寸測量，并能保存切削模型供檢驗、后續(xù)工序切削加工;具有CAD/CAM接口，能實現(xiàn)與UG. CATIA及MasterCAM等軟件的嵌套運行。VERICUT軟件目前已廣泛應用于航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)，其最大特點是可仿真各種CNC系統(tǒng)，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個仿真過程包含程序驗證、分析、機床仿真、優(yōu)化和模型輸出等。如圖1所示為從設計原型→CAM軟件→VERICUT→切削模型→模型輸出的整個機床仿真工藝流程。

圖1 機械仿真工藝流程

二、工藝系統(tǒng)仿真環(huán)境構建程序

為在VERICUT軟件中實現(xiàn)NC程序加工仿真，需要預先構建整個工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，其構建的一般過程如下:

1.工藝系統(tǒng)分析

確定數(shù)控機床CNC系統(tǒng)型號和功能、機床結構形式和尺寸、機床運動原理、各坐標軸行程、機床坐標系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具庫和夾具庫等。

2.建立機床幾何模型

采用三維CAD軟件建立機床運動部件(主要是各運動坐標軸和刀庫)和固定部件的實體幾何模型，并轉換成VERICUT軟件可用的STL格式。

3建立機床文件

建立機床運動模型，即部件樹，添加各部件的幾何模型，并準確定位。將結果保存為機床文件(后綴為.mch).

4.建立用戶文件和控制系統(tǒng)文件

在VERICT軟件中新建用戶文件(后綴為.usr)，設置所用CNC系統(tǒng)文件(后綴為.ctl).

5.建立刀具工具庫

根據(jù)機床選用的刀柄型式和規(guī)格、刀具種類，構建機床刀具工具庫，將結果保存為刀具文件(后綴為.tcl)。

6.設置機床參數(shù)設置

機床各坐標軸的行程，換刀位置、機床初始位置、機床參考原點等。

7.保存所有文件

全部設置完成后，保存所有文件，則仿真系統(tǒng)構建完成。

三、構建五坐標高速銑FIDIA KR214仿真系統(tǒng)

1機床描述

該五坐標高速銑為意大利FIDIA S.P.A.公司生產(chǎn)的懸臂式立式加工中心，主軸為HSK63E柄的電主軸，刀具庫容量為42把，所用數(shù)控系統(tǒng)為C20XPOWER,設備能實現(xiàn)X、Y、Z、A、C、W六軸控制任意五軸聯(lián)動，工作臺為數(shù)控回轉工作臺。各軸的驅動電機全部采用全數(shù)字交流伺服電機，各軸的伺服控制全部采用全閉環(huán)控制、配置過載保護及報警功能，司時還具有機內激光對刀裝置和RENISHAW MP18數(shù)字探頭工件測量及自動校正系統(tǒng)。機床的各軸行程如表1所示。

表1 機床行程

2.建立部件的3D模型

用Pro/ENGINEER野火軟件造型，以運動單元建模，不需要按照機床零部件連接結構構建，也不必構建各坐標軸之間的傳動機構，僅需對各部件的外形進行建模。若某一部件由多個零件組成，可將各零件一體建模，也可各零件單獨建模，然后在VERICUT中進行裝配，建立幾何模型后，將其另存為STL.格式。

3.建立機床部件樹

A.床身的建立選取菜單中Model-Component Tree或點擊快捷圖標別，彈出部件樹對話框，如圖2所示。選取菜單中Model->Model Definition或點擊快捷圖標，按順序操作，選取相應的STL格式文件，正確設置位置參數(shù)，點擊Add和OK選項后返回部件樹菜單。

B.坐標軸的X.Y.Z.A.C.W的建立。

在部件樹中右鍵單擊Base-->在光標菜單選Append-->選XLinear,添加X軸;右鍵單擊X(0, 0, 0) -->在光標菜單選Append-->選YLirear,添加Y軸；右鍵單擊Y(0, 0, 0) -->在光標菜單選Append-->選ZLinear,添加Z軸;按照同樣的方法，添加其他部件。

4添加機床幾何模型

添加各部件的STL模型時應注意將模型TYPE選擇為Model Files類型，按Browse找到相應STL格式文件。

(1)雙擊部件樹中X ( 0, 0, 0)，選取相應的STL格式文件，在Position欄和Angles欄內輸入位置坐標。
(2)雙擊部件樹中Y(0, 0, 0)，選取相應的STL格式文件，在Position欄和Angles欄內輸入位置坐標。
(3)依照同樣的方法，完成其他部件的裝配，得到完整的FIDIAKR2I4機床部件樹，如圖3所示。

圖3 機床部件樹

5 建立機床刀具庫

選取菜單中Setup-->Tool Manager快捷圖標列，彈出刀具管理對話框。

在菜單中選取Add-->New Tool-->Mill，彈出圖中1號刀具，右鍵單擊"1"，選取Cutter，彈出增加刀具對話框，按所需建立的銑刀類型(包含直齒銑刀、球頭銑刀、錐度銑刀及用戶自定義等)，設置刀具幾何參數(shù)，確定后返回刀具管理對話框。依照上述方法，建立一系列常用的刃具庫，并在Description欄中描述刀具的類型和規(guī)格等。

6設置CNC系統(tǒng)文件

選取菜單中Setup-->Gontrol-->Open或快捷圖標，彈出打開控制文件對話框，在VERICU下安裝目錄的library子目錄下選取"fidm30.ctl";選取菜單中Setup-->Control-->Word/Address,彈出圖所示的對話框，根據(jù)機床的控制系統(tǒng)功能和指令格式，對準備功能G代碼、輔助功能M代碼、寄存器地址和狀態(tài)指令等進行設置，并保存該文件。

7.設置機床參數(shù)

選菜單Setup-->G-Code-->Settings，在彈出對話框中選Tables選項，再選取Job-Tables和Add/Modify選項，在Table Name列表框中選擇如下參數(shù)進行添加:

Input Program Zero(工件編程原點):0 -895 -800(-800為Z萬向主軸端面到工件坐標系原點的距離);
Initial Machine Location(機床初始位置):13500000(XYZAC坐標用空格間隔).
Machine Reference Location(機床參考點):13500000;
Tool Change Location(換刀位置):1350 895 10000

根據(jù)實際加工需要，還可以進行Works Offsets(工件偏置)、RTCP Piovt Offset(RTCP旋轉偏置)等。

8.保存文件

將建立的文件分別保存為用戶文件.usr,控制系統(tǒng)文件.ctl,機床文件.mch和刀具庫文件.tcl.如圖4所示的是已建立的虛擬機床環(huán)境。

圖4 虛擬機床環(huán)境

四、仿真實例的應用

實例中葉輪采用的材料為30CrMnSiA，經(jīng)熱處理后，其強度相當大，屬于典型的薄壁件，葉片壁厚為4mm，易產(chǎn)生加工變形，加工周期長。該零件不但對尺寸精度和表面粗糙度要求高，而且對切削刀紋也有較高的要求，刀紋要順著流路方向。采用VERICUT軟件主要是為了解決如下問題

(1)由于編程時選擇的加工方式不理想，后置處理程序有缺陷，或因為編程員經(jīng)驗不足，提前發(fā)現(xiàn)加工程序可能存在的問題，以免產(chǎn)生不必要的浪費。
(2)進行干涉檢查，及時對必須修正的地方進行修正甚至重新編程，以保證向機床操作人員提供正確的加工程序。
(3)模擬零件裝夾與加工過程中機床的真實運動情況，以避免機床部件與夾具和零件的碰撞。
(4)檢測零件加工后是否存在過切、欠切現(xiàn)象，測量加工后的零件與設計圖紙要求之間的差9等。

具體操作步驟如下:

@起動VERICUT，并調用所需用戶文件、機床文件、CNC控制文件和刀具庫文件。
@引入毛坯零件和設計零件。將葉輪毛坯零件和設計零件的STL模型文件引入部件樹。
@設置工件原點。X、Y軸零點在回轉工作臺的中心，Z軸零點為主軸端面到工件坐標系的距離。
@引入刀位文件或NC程序。
@檢查數(shù)控程序的正確性，設置碰撞、超程、干涉等識別顏色，單擊工具條上的"單步仿真"或"連續(xù)仿真"鍵，開始加工仿真。
@仿真結果分析。采用縮放、移動、旋轉和打剖面等工具，能從不同視點觀察，詳細精確地測量切削模型。選取菜單上Analysis-->X-->Caliper測量工具測量工件尺寸;選取菜單上Analysis-->Auto-->Diff比較工具，檢查零件有無過切、殘余材料等現(xiàn)象。

@若切削模型不理想，只需調整和更換NC程序，繼續(xù)零件的加工仿真，直至切削模型與設計原型一致。如圖5所示的是已定型的葉輪仿真。

圖5 頁輪仿真加工

五、小結

在仿真軟件或系統(tǒng)建立以前，大部分編程人員在用CAM軟件編程后，為了驗證程序的正確性，要采用各種各樣的試切方法，如空走刀、切削泡沫、試切軟材料、木材和低速加工等，這樣既費時間，也浪費各種相關的人力、物力，最危險的是有些潛在的問題和干涉現(xiàn)象不能及時發(fā)現(xiàn)，且難以提高編程效率和保證產(chǎn)品質量。本文基于VERICUT軟件構建了五坐標高速銑加工的仿真環(huán)境，解決了上述存在的問題，實現(xiàn)了數(shù)控編程的虛擬制造，比一些CAD/CAM軟件單純的刀位文件仿真更真實、直觀，更接近實際加工情況，仿真后的NC程序不用試切可直接輸入機床進行加工，極大地提高數(shù)控編程的效率和質量。