（机械电子工程专业论文）基于vericut的数控加工仿真系统的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 数控技术水平的高低是衡量一个国家制造业能力的重要标志。随着计算机技 术和机床制造技术的不断发展，数控加工仿真技术正越来越成为数控技术当中一 个非常重要的方面。它能够通过虚拟的零件加工过程对数控程序进行检验，显示 在实际加工中可能遇到的各种问题，因而能够极大的缩短产品的开发周期，降低 生产成本，提高产品质量和生产效率，并可作为新型机床的开发工具。 本文利用了一款功能非常强大的数控机床仿真与分析软件v e r i c u t 与c a d c a m 软件c a x a 制造工程师相结合，建立了虚拟的三轴立式铣床及其刀具库，并利用其 完成了典型零件的仿真三轴加工。本文的主要内容如下： ( 1 ) 对v e r i c u t 系统各功能模块进行了深入的研究与学习，并在此基础上利 用其机床建模模块完成了三轴立式铣床的运动学建模与几何建模，并为其配备了 f a n u c 数控系统。 ( 2 ) 利用v e r i c u t 软件的刀具模块，建立了含有三把典型铣刀的刀具库。 ( 3 ) 运用c a x a 制造工程师完成了典型零件的参数模型的建立，并利用其c a m 功能生成了被加工三维曲面的刀具加工轨迹及数控程序( g 代码) 。 ( 4 ) 在v e r i c u t 系统中调用虚拟机床、刀具库及程序，利用其仿真模块对零 件加工过程进行动态仿真演示，并在系统中对零件进行了加工质量检查与刀具轨 迹优化，实现了完全的虚拟加工过程。 此外，本文还通过实验对课题的理论研究部分进行了验证，将设计零件在实 际机床上进行了加工，与其在v e r i c u t 系统中的仿真加工结果进行了对比。 通过以上的研究，证明了利用v e r i c u t 系统与c a x a 制造工程师软件相结合， 进行数控仿真加工是行之有效的办法。 关键词：数控仿真；虚拟加工；v e r i c u t ；c a x a 制造工程师 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 cl e v e lo fn ct e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n ts y m b o lo ft h em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yc a p a b i l i t yo fo n ec o u n t r y w i t ht h eq u i c k l yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dm a c h i n et o o l st e c h n o l o g y , c h i cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ni sb e c o m i n gav e r yi m p o r t a n t a r e ai nn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y i tc a ns i m u l a t et h em a n u f a c t u r ep r o c e s so ft h ep a r tt o t e s tt h en cp r o g r a m ，a n ds h o wv a r i o u sp r o b l e m si na c t u a lm a n u f a c t u r i n gp r o b a b l y s oi t c a l ls h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp e r i o d , r e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t s ，r a i s et h ep r o d u c t q u a l i t y ，a n dc a n b er e g a r d e da st h ed e v e l o p m e n tt o o lo f n e wm a c h i n et o o l s i nt h i sp a p e r , v e r i c u tw h i c hi sav e r yp o w e r f u ln cs i m u l a t i o na n da n a l y s i s s o f t w a r ea n dc a x am a n u f a c t u r ee n g i n e e rw h i c hi sac a d c a ms o f t w a r ea r et oc o m b i n e t oe s t a b l i s hav i r t u a l3 - a x i sv e r t i c a lm i l l i n gm a c h i n ea n di t st o o l sc r i b ，a n dc o m p l e t et h e v i r t u a lm a n u f a c t u r et ot y p i c a lp a r t s t h em a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) s t u d ya n dr e s e a r c ht h ev a r i o u sf u n c t i o nm o d u l e so f v e r i c u ts y s t e mi nd e p t h ，a n d u s ei t sm a c h i n em o d e l i n gm o d u l et oe s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c sm o d e la n dg e o m e t r ym o d e lo f t h em i l l i n gm a c h i n e 。a n de q u i p 蛋a n u cn cs y s t e mt oi t ( 2 ) u s et h et o o lm o d u l eo fv e r i c u t t oe s t a b l i s ht h et o o l sc r i bw h i c hc o n t a i n st h r e e t y p i c a lm i l l i n gc u a e r s ( 3 ) t h ev i r t u a lm o d e l so ft h ep a r t sa r ee s t a b l i s h e dw i t ht h ec a x am a n u f a c t u r e e n g i n e e r , t h e nt h em a n u f a c t u r et r a c ka n dn cp r o g r a m ( gc o d e ) o f t h et h r e e - ds u r f a c ea r e a c c o m p l i s h e d w i t hi t sc a mf u n c t i o n ( 4 ) t h ev i r t u a lm a c h i n et o o l s ，t o o l sc r i ba n dt h ep r o g r a ma r ei n p u u e di n t ot h e v e r 江c u ts y s t e m t h e nt h ed y n a m i cm a c h i n es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t hv e r i c u t ， a n dt h et o o lp a t hi so p t i m i z e da n dt h ep r o d u c t i o nq u a l i t yi sc h e c k e du p s ot h ec o m p l e t e v i r t u a lm a c h i n ep r o c e s si sa c h i e v e d t h et h e o r e t i c a lp a r to ft h er e s e a r c hi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t 。t h ep a r tm a n u f a c t u r e d b yr e a lm a c h i n et o o li sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l tm a d ei nv e r i c u t t h ea b o v er e s e a r c hp r o v e st h a td o i n gn cm a c h i n es i m u l a t i o nt h r o u g hv e r i c u ta n d c a x am a n u f a c t u r ee n g i n e e ri sae f f e c t i v em e t h o d k e yw o r d s ：n cs i m u l a t i o n ；v i r t u a lm a n u f a c t u r e ；v e r i c u t ；c a x am a n u f a c t u r e e n g i n e e r 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：趣林 日期- ：加衅弓起j 如 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：巍刊荻指导教师签名：别旁饿 e l 期：矽g 冬，侈日期：矽侈，罗，岁 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 数控加工技术 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术，简称数控( n c ) 技术，是一种利用数 字脉冲信号进行控制的自动控制技术。采用了数控技术的控制系统称为数控系统， 而配置了数控系统的机床称为数控机床。1 9 4 8 年，美国p a r s o n s 公司在研制加工 直升机叶片轮廓时，首先提出了数控机床的设想。后来，麻省理工学院( m i t ) 在 此基础上，于1 9 5 2 年3 月，成功的研制出世界上第一台数控机床。它的诞生为机 械制造业的发展揭开了崭新的篇章。进入7 0 年代，数控技术成为c a d c a m 技术的 一部分，并推动了c a d c a m 技术的一体化发展，并逐步形成了计算机集成制造系 统( c i m s ) 的概念。 目前，在c a d c a m 系统中，数控加工是最能明显发挥效益的环节之一，它在 实现设计和加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发 挥着重要作用。它可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量；操作过 程容易实现自动化，生产率高；生产准备周期短，。可以大量节省专用工艺装备， 适合产品快速更新换代的需要；它与c a d 衔接紧密，可以直接从产品的数字定义 产生加工指令，保证零件具有精确的协调性和互换性；产品最后用数控测量机检 验，容易严格控制外形和尺寸精度。 而随着中国快速成为全球制造中心，近几年国内制造业发展迅猛，数控加工 已经成为市场竞争和企业发展的心亮点，先进的数控设备正以前所未有的速度， 进入到中国各类制造业企业，我国正在成为世界制造业大国。 1 2 数控加工仿真技术 1 2 1 数控加工仿真技术的定义及重要性 当数控加工程序编制完成之后，在进行正式的零件加工之前，需要对加工程 序进行正确性检验。如果编制完成的数控加工程序中存在错误，可能导致工件过 切或者欠切、刀具和零件、刀具和夹具、刀具和工作台之间的干涉和碰撞等问题。 沈阳理。1 ：大学硕七学位论文 工件过切或者欠切是零件报废的重要原因之一，而刀具与加工环境之间发生的碰 撞则是非常危险的，所以在进行正式的零件加工之前，对数控加工程序进行正确 性检验是必不可少的步骤。数控程序正确性的检验方法已经成为影响生产率的重 要因素之一。 传统的加工程序检验方式一般为人工检查和试切，前者完全依靠工程师个人 的经验，而且只能对简单的数控加工程序进行检验。试切则是对零件实际毛坯样 件( 塑模、木模或者蜡模等) 进行试加工，根据试加工的过程和加工结果对数控 加工代码的正确性进行检验。这种检验方式相对于人工检查的方式而言，可以检 查复杂程序，但是效率低下，成本很高，而且需要占用机床，延缓了生产周期， 尤其对于大型复杂工件更是如此。 计算机技术和可视化技术的发展，使对数控加工切削过程进行计算机仿真成 为可能。采用计算机仿真加工进行数控程序证确性检验直观、快速、成本较低， 有助于缩短产品生产周期、降低成本、提高质量。在减轻编程人员工作量的同时 又能提高数控机床的使用率。设计人员使用计算机可以快速、有效地构造产品的 总体方案和设计模型，并可在计算机上完成设计、分析、评价和修改工作，从而 提高设计效率。 数控仿真技术是利用计算机技术对数控加工过程进行仿真，在计算机中以图 形、数字等形式表达整个数控加工过程，以达到对数控加工程序的正确性合理性 进行判断和验证的目的。 1 2 2 数控加工仿真技术的分类及国内外研究情况 数控仿真一般可以分为两种不同的类型： 1 几何仿真 几何仿真不考虑切削参数、切削力等物理因素，只考虑刀具与工件的运动， 以验证数控加工代码的正确性与合理性，以减少或者消除因为程序错误而导致的 机床损伤、刀具折断及零件报废等问题。目前几何仿真方面的研究比较全面和深 入，出现了许多成熟的仿真软件与仿真模块。国外的仿真软件与系统相对比较成 熟，商业化程度比较高。如c n c 公司的m a s t e r c a m 等。m a s t e r c a m 是一个成熟的商 业数控仿真软件。m a s t e r c a m 主要功能包括二维绘图、曲线曲面加工、点位n i ， 两轴到五轴铣削加工、数控车削、线切割以及激光切割等。其数控加工提供多种 2 第1 章绪论 走刀方法，对加工路径的选择、干涉的检查、多曲面加工、五面加工、刀具管理 以及测量方面具有很强的功能。在国内，数控几何仿真系统相对不够成熟，商业 化程度也不高，但是也独立研制了一些数控几何仿真系统。如清华大学与华中科 技大学合作开发的h m p s 系统、哈尔滨工业大学研制的n c i v i p s 系统以及南京航空航 大大学开发的s u p e r m n 2 0 0 0c a d c a m 系统。h m p s 是在8 6 3 c i m s 主题下进行研制的， 该系统以s i m e n s 8 5 0 m 为仿真对象，采用交互式实时控制与管理的仿真过程，可以 仿真加工中心的力n - r _ 过程，仿真过程由代码驱动，可以对刀具与成型工件、刀具 与夹具、刀具与加工工作台碰撞与干涉测试，记录干涉点并报警。系统采用c + + 结合o p e n g l 进行开发，毛坏处理采用光线跟踪算法进行表示。n c m p s 在刀具轨迹 三维显示方法上利用直接从数据结构读取刀位信件的万法，以零件形状、刀具与 夹具类型、机床类型等信息和n c 程序作为输入，输出碰撞检验结果和三维图形仿 真，计算机显示工件的实际运行状态。s u p e r m a n2 0 0 0c a d c a m 由南京航空航天大 学研制与开发，基于s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司的a c i s 几何开发平台，使用v i s u a l c + + 进行开发。该系统实现了三维数控加工过程仿真中视图移动，视角旋转、放大、 缩小等功能。 2 物理仿真 物理仿真使用物理规律模拟整个切削加工过程，考虑受力、速度、加速度、 质量、密度、能量等物理因素，模拟加工过程的动态力学特性进行刀具破损预测、 刀具振动计算以及切削参数控制，从而达到优化切削过程的目的。由于切削机理 复杂、建模难度大，研究还不够深入。目前在数控加工物理仿真方面仍然没有成 熟的商业化系统出现，但是国内外都进行了对数控加工物理仿真技术的研究。国 外有学者开发了一套面向智能加工过程的仿真系统，系统中包括了检验刀具路径 的几何仿真过程和加工误差的物理仿真过程，开系统可以用于优化加工过程、在 线自适应控制，井能够对异常情况进行检测和报警。还有学者针对车削加工建立 了全面的加工过程模型，该模型综合考虑了刀具几何形状、变化的切削层参数、 工件材质以及刀杆相对于工件的振动等因素，建立了车削力的动态模型和工艺系 统的振动模型。在国内，天津大学张大卫教授等人建立了圆锥螺旋铣刀的三维铣 削力模型，通过了对几何特征的分析提出了非线性模型的参数识别方法。哈尔滨 工业大学姚英学等提出了面向加工质量预测的虚拟加工检测单元的概念，综合了 沈阳理工大学硕士学位论文 虚拟加工及虚拟检测尺寸误差、形状误差、表面粗糙度等技术指标，作为虚拟加 工过程中的基本单位。 目前，数控加工物理仿真中仿真模型的建立仍然有待完善，实现的物理仿真系 统一般都是针对于某一特定的加工过程而设计的，通用性很差。同时由于切削过 程的复杂性以及仿真模型建立的困难性，仿真结果与实际的实验结果仍然存在很 大差距，系统的实用性较差。 本论文所讨论的加工仿真是基于n c 程序的几何仿真。 1 3 课题的意义及主要工作 1 3 1 课题研究的意义 在全面实施素质教育的今天，实用型、创新型人才的培养迫切要求我们在教 学中加强实验环节。科学技术的迅猛发展极大地推动着教育技术的不断更新，计 算机正越来越成为最有价值的教学媒体和教学过程管理工具。 机械制造业是我国的重要支柱产业之一，随着计算机应用的普及，特别是与 传统机械制造技术的结合，使得制造业正经历着一场前所未有的革命。数控加工 技术是我国大力发展先进制造技术的核心，是c i m s ，f m s 及制造业信息化等的基 础。因此，数控知识的普及、专门数控人才的培养成为当务之急。但是数控加工 技术理论抽象，知识点多、涉及的知识面宽。掌握数控加工理论和编程知识仅仅 是数控学习的入门，实验在数控教学中占有很大的比重，是检验学习效果、提高 编程技能的重要措施，可以说没有实验就不能掌握数控技术的精髓。 但是，数控设备的投资大、更新换代快，任何一所高校或培训机构都很难拥 有种类齐全的实验设备并及时进行设备的更新换代，加之开机的费用、误操作引 起的各种损坏等等因素，都制约着数控实验开设的种类和次数，限制着为掌握数 控加工技术而必要的实践机会。而且操作人员先学习技术理论和操作规程，再到 生产现场，多采用以师傅带徒弟的方式进行教学的方式。这种方式的主要缺点是 数控机床一般是比较昂贵的设备，不允许学员任意的开、停和制造事故，所以， 学员动手机会少，使得学员掌握操作技能的时间较长。此外，师傅的水平参差不 齐，教学质量难以保证。 而利用计算机仿真技术、虚拟现实技术、多媒体技术、人工智能技术以及网 第1 章绪论 络技术等，构建一个虚拟的实验平台，不仅成本低廉，而且数控加工仿真对检验 加工程序的正确性和培训操作人员两方面都具有重要的作用。且以p c 机作为硬件 基础，易于上手。 此外，利用数控仿真系统建立虚拟数控机床的应用也将给制造业带来革命性 的飞跃。由于虚拟数控机床是数字模型，所以容易实现对数字模型进行显示、分 析、传递和迭代更新，为设计提供并行作业可能。虚拟机床是检验设计、加工过 程是否正确的重要途径，也是为实现基于信息模型的数字装配提供必要信息的不 可缺少的手段。通过这种系统，可以降低生产废品率，消除或减少新产品开发以 及新设备、新系统应用的试切过程，大大缩短开发周期，降低开发和生产成本， 减少资源浪费，强化创新水平，用经济快捷的方式提高产品设计质量。它也是实 现异地制造、设备重组和系统优化必备的手段和工具。虚拟机床生产的是数字产 品，它最大的好处是不消耗实际的资源和能量。 因此，研究数控力n - r _ 的计算机仿真、检测与优化，建立基于虚拟机床的制造系 统具有十分重要的现实意义。 1 3 2 课题的主要研究工作 ( 1 ) 对数控加工仿真系统v e r i c u t 软件进行深入的研究与学习，掌握其各个模 块的功能与使用方法。 ( 2 ) 利用v e r i c u t 软件建立一个虚拟三轴铣床，要求不仅具有与真实机床相 近的组成结构，而且各轴能够进行联动，具有仿真加工的功能。 ( 3 ) 利用c a m 软件c a x a 制造工程师进行典型零件( 主要包括二轴半加工类零 件与三轴加工类零件) 的建模与数控加工刀具轨迹的生成，并将其以g 代码的格 式输出。 ( 4 ) 利用v e r i c u t 中建立的虚拟机床并调入生成的加工程序进行典型零件的 仿真加工，对刀具轨迹进行验证，观察加工过程中刀具与机床间有无干涉、碰撞 等错误现象发生。并利用系统的“a u t o - d i f f 功能对加工完毕的零件进行质量检 查，对程序进行反复修改与调试以保证其正确性。 ( 5 ) 利用v e r i c u t 的刀具轨迹优化功能对调试完的加工程序进行优化，对比 优化前后的效果，以达到缩短加工时间、提高加工质量的目的。 本课题在数控仿真领域中的特殊性在于能够构建出虚拟的机床，并且在仿真 沈阳理工大学硕士学位论文 加工过程中不仅能显示刀具与零件相接触进行切削部分，还能够同时在另一视图 中展现出整个机床及其各轴的运动情况，这样能够更好的观察刀具是否会与机床 发生碰撞干涉，对机床整体运动形态的表现就与观察真实加工时的机床完全一样。 这是其它数控仿真系统所不具有的优点。同时利用本系统还可对加工完毕的零件 进行加工质量检查和刀具轨迹优化，实现了完全意义上的虚拟制造。 通过完成这些工作，可以验证采用基于数控加工仿真系统v e r i c u t 软件和 c a x a 制造工程师相结合，来进行数控加工的仿真校验及优化是行之有效的办法。 第2 章基于v e r i c u t 与c a x a 制造工程师的数控加工仿真系统技术平台介绍 第2 章基于v e r lc u t 与c a x a 制造工程师的数 控加工仿真系统技术平台介绍 2 1 数控加工仿真系统v e r ic u t 软件简介 2 1 1v e rlc u t 系统简介 v e r i c u t 是美国c g t e c h 公司开发的一种运行于w i n d o w s 或u n i x 平台的计算机 上的先进的虚拟制造及数控加工仿真软件。该软件自1 9 8 8 年问世以来，一直与世 界先进的制造技术保持同步，始终服务于制造业。 该软件通过模拟机床加工的过程，能真实反映加工过程中遇到的各种问题， 包括加工编程的刀具运动轨迹、工件过切情况和刀、夹具运动干涉等错误，甚至 可以直接代替实际加工过程中试切的工作，并且提供了对刀位轨迹和加工工艺优 化处理的功能，可以提高零件的加工效率和机床的利用率。其加工仿真图形显示 速度快，图形真实感强，可以对不同数控系统、不同格式的数控代码进行仿真， 并且可以根据仿真和分析结果生成精度分析报告等一系列技术文档。v e r i c u t 仿真 系统还可以与成熟的c a d c a m 软件进行集成，作为c a d c a m 软件的一个模块对设 计模型进行数控加工仿真。由于数控加工在现代制造业的作用增大，v e r i c u t 的应 用也逐渐普及。目前，美国波音公司、福特汽车公司及欧洲空中客车公司等企业 已经把v e r i c u t 应用于生产实践中，国内沈阳飞机工业( 集团) 有限责任公司及西 安飞机工业( 集团) 有限责任公司等也已应用。 2 2 2v e r l c u t 系统主要功能 ( 1 ) 仿真与验证功能 v e r i c u t 具有较强的仿真功能，其三维仿真功能不仅能用彩色的三维图像显 示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，还能显示出刀柄、夹具、机床的运行过程 和虚拟的工厂环境。 v e r i c u t 库中提供了常用的机床模型，如k & t 和g e n e r i cm a c h i n e s 等公司生 沈阳理工大学硕士学位论文 产的机床，用户还可以根据需要自定义机床模型。同时v e r i c u t 支持g 代码并配 有制造商提供的机床控制文件库，如f a n u c 、s i e m e n s 等控制系统。对于一些不常 用的功能，可以通过m a c h i n ed e v k i t 模块自定义，也可根据自己的需要任意组 合所需的加工系统。 一次机床碰撞将付出极昂贵的代价，不仅损坏机床，而且延迟整个生产日程。 v e r i c u t 能用不同颜色显示加工过程中刀具与夹具的碰撞并报警，同时统计出错误 的数量及发生位置。v e r i c u t 的三维仿真分析功能完全与车间实际加工样，对于 保证n c 程序精确性、降低劳动强度及提高生产率具有现实意义。 ( 2 ) 优化功能 在数控加工中，影响零件制造精度的因素很多，其中n c 程序的好坏优劣起着 重要的作用。n c 程序中包含的切削参数主要有主轴转速、切削进给率、切入进给 率、切深及切削宽度等。 在数控加工生产研究中，发现n c 程序中存在一些不合理现象：1 ) 切削进给率 过分保守；2 ) 刀具在空行程时使用切削时的进给率：3 ) 实际切削量大于或小于 预期值时，进给率无补偿；4 ) 切深、切宽和切入角度变化时，进给率无补偿。这 些现象影响了加工效率和工件表面的加工质量，容易造成刀具损坏或缩短刀具寿 命。因此，对n c 程序的优化主要是针对上述参数的优化。 所谓基于v e r i c u t 的优化设计，是指基于切削条件和切削的材料量，通过重新 计算进给速度或主轴转速，以满足最小加工时间的目标函数及最大机床功率等约 束条件的要求，从而产生一个优化的刀具轨迹文件。这一功能由v e r i c u t 内部的 o p t i p a t h 模块来完成，可实现n c 代码优化，重新生成优化后的刀具轨迹文件( g 代码格式) 的序号。优化刀具轨迹并不改变刀具原有加工路线，它可以根据给定 的模型和用户设定的一组优化参数，确定各个工步的最佳进给速度或主轴转速， 实现快速、高效切削，保证工件质量。 由于v e r i c u t 功能强大且通用性强，因此它是一款非常适合于进行通用数控 加工系统建模和仿真的软件平台 2 2 3v e r i c u t 机床加工仿真过程 ( 1 ) 虚拟机床建模：建立机床运动学模型，系统提供部分控制文件库供使用 者调用或修改，以满足定制要求，然后利用建模模块建立机床的几何模型，按照 第2 章基于v e r i c u t 与c a x a 制造工程师的数控加工仿真系统技术平台介绍 要求设定机床初始位置。 ( 2 ) 毛坯、夹具建模：夹具建模的主要目的是检测夹具与机床的其他运动部 件之间的干涉和碰撞。毛坯和夹具的建模过程与机床的建模过程相似。 ( 3 ) 刀具建模：为了使建立的数控加工仿真机床模型能适应不同的加工程序， 可以建立特定机床所使用的所有刀具的主刀具库。在构建刀具时，主要包含刀具 及刀柄两个部分。构建刀柄的主要目的是要检测在切削时刀柄是否会和工件、夹 具碰撞，所以整个刀具的建构，数据愈详细，做出来的模拟就愈接近真实的情况。 ( 4 ) 设定系统参数：为了正确仿真n c 加工程序，还需要在v e r i c 0 1 中进行诸 如工件编程原点和刀具补偿等一些仿真系统参数的设置。 ( 5 ) 加工仿真：利用c a m 软件生成该零件的加工刀具轨迹和n c 代码，并根据 v e r i c u t 系统的要求做出相应修改。在v e r i c u t 中调入该n c 程序，并定义刀具列 表以建立g 代码中所指定的刀具号和主刀具库文件中的刀具号的映射关系，即可 进行加工过程的仿真。 ( 6 ) 仿真结果分析与优化：对于仿真结果模型，一方面我们可以通过对其进 行缩放、旋转等操作并结合l o g 日志文件观察工件的加工和碰撞干涉情况，并进 行尺寸测量和废料计算，另一方面，还可以利用a u t o - - d i f f 模块进行加工后模型 和设计模型的比较以确定两者间的差异以及过切和欠切情况，进而修改相应的刀 具轨迹文件和参数，直至仿真完全达到要求为止。此外，利用o p t i p a t h 模块并进 行一定的参数设置可以优化刀位轨迹，调节刀具的进给和切削速度，最大限度的 提高去料切削效率，从而提高零件加工效率、缩短加工时间和制造周期。 图2 1 为利用v e r i c u t 进行数控机床加工仿真的过程，重点在于机床的构建 和n c 代码的生成及修改调用。在用c a m 软件生成刀具轨迹和n c 代码的过程中应 该保证所用刀具的参数应与在v e r i c u t 中建立的刀具保持一致。对于n c 代码的修 改，主要是在程序的适当位置加入v e r i c u t 中建立的刀具号，否则在仿真时会出 现刀具调用不上的问题。 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 1 利用v e r i c u t 进行数控机床加工仿真的过程 2 2c a x a 制造工程师软件介绍 c a x a 制造工程师是北航海尔软件公司的一款优秀的c a m 软件产品，目前已广泛 用于塑模、锻模、汽车覆盖件拉伸模、压铸模等复杂模具的生产以及汽车、电子、 兵器、航空航天等行业的精密零件加工。c a x a 制造工程师拥有实体曲面混合造型 能力和强大的数据接口能力，同时提供2 - - - 5 轴多种数控编程手段，可以针对零件 模型进行整体或局部加工，并可将加工策略、加工参数等记录下来形成知识加工 第2 章基于v e r i c u t 与c a x a 制造工程师的数控加工仿真系统技术平台介绍 模板以供随时调用。 c a x a 制造工程师( 2 0 0 6 年版) 的主要功能和特点如下： 1 灵活、多样的零件建模方法 c a x a 制造工程师提供基于实体的特征造型、自由曲面造型以及实体与曲面混 合造型功能，可实现任何复杂形状零件的造型设计。 ( 1 ) 方便的特征实体造型 c a x a 制造工程师采用精确的特征实体造型技术，不仅可以通过拉伸、旋转、 导动放样等轮廓造型手段生成三维实体特征，而且还提供了过渡、倒角、抽壳等 特征处理手段，对生成的实体作局部修整。对存在相同特征的实体，提供了通过 一次操作生成若干相同特征的线形阵列和环形阵列功能；在模具生成方面，c a x a 制造工程师还提供了缩放、型腔和分模三种造型手段；通过实体布尔运算功能， 还可以将一个零件并入到当前零件中，并与当前零件实现交、并、差运算，生成 新的零件实体。 对于生成的实体造型，c a x a 制造工程师支持参数化修改。无论造型操作到哪一 步，通过尺寸驱动草图或修改特征生成过程中的任何参数，系统会相应的更新形 体的相关尺寸和参数，自动改变零件的形状和大小，并保持所以特征间的相互关 系不变。 ( 2 ) 强大的n u r b s 自由曲面造型 c a x a 制造工程师引入强大的n u r b s 曲面造型技术，极大的解除了传统绘图方 式对设计思路的束缚，直接进入三维设计空间。 从线框到曲面，c a x a 制造工程师提供了丰富的建模手段，可以通过列表数据、 数学模型、字体文件以及各种测量数据生成样条曲线；通过直纹面、旋转面、扫 描面、导动面、等距面、平面、放样面、边界面、网格面及实体表面等多种形式 生成复杂曲面，并且提供了曲面裁剪、曲面过渡、曲面延伸、曲面拼接、曲面缝 合等多种编辑方法。通过这些曲面生成方法及曲面编辑方法，可以生成复杂的曲 面模型。 ( 3 ) 灵活的曲面实体复合造型 基于实体的“精确特征造型 技术，在三维造型过程中，将曲面融合到实体 造型中来。通过曲面加厚增( 除) 料、曲面裁剪等手段，在零件上生成具有曲面 沈阳理工大学硕士学位论文 形状的特征，在原有实体基础上生成复杂的形状，实现任意复杂实体模型的生成。 2 优质高效的数控加工 c a x a 制造工程师将c a d 模型与c a m 加工技术无缝集成，提供了2 5 轴的数控 加工功能，可直接对曲面、实体模型进行一致的加工操作；支持先进实用的轨迹参 数化和批处理功能，明显提高工作效率；支持高速切削，大幅度提高加工效率和 加工质量。通用的后置处理可向任何数控系统输出格式正确的加工代码。 ( 1 ) 两轴到两轴半的数控加工功能 可直接利用零件的轮廓曲线生成加工轨迹指令，无需建立其三维模型；提供 轮廓加工和区域加工功能，加工区域内允许有任意形状和数量的岛。可分别指定 加工轮廓和岛的拔模斜度，自动进行分层加工。 ( 2 ) 三轴数控加工功能 多样化的三轴加工方式可以安排从粗加工、半精加工到精加工的加工工艺路 线。系统提供等高线、摆线式等7 种粗加工方法和等高线、扫描线、平坦区域、 导动等8 种精加工方法以及等高线、笔式清根、区域式等3 种补加i 方法。 ( 3 ) 支持高速加工 可设定斜向切入和螺旋切入等接近和切入方式，拐角处可设定圆角过渡、轮 廓与轮廓之间可通过圆弧或s 字形方式来过渡，形成光滑连接、生成光滑刀具轨 迹、降低代码数量，有效的满足了高速加工对刀具路径形式的要求。 ( 4 ) 参数化轨迹编辑功能 提供加工参数修改功能，用户只需选中已有的加工轨迹，修改原定义的加工 参数表，系统即可按照新的参数重新生成加工轨迹。 ( 5 ) 加工轨迹仿真 c a x a 制造工程师提供了轨迹仿真手段以检验数控代码的正确性。可以通过实 体真实感仿真如实的模拟加工过程，展示加工零件的任意截面，显示加工轨迹。 ( 6 ) 最新技术的知识加工 可将某类零件的加工步骤、使用刀具、工艺参数等加工条件保存为规范化的 模板，形成企业的标准工艺知识库；以后类似零件的加工即可通过调用“知识加 工模板来进行，以保证同类零件加工的一致性和规范化，并随着企业各种加工 工艺信息的数据积累，从而实现加工顺序的标准化。同时初学者更可以借助师傅 第2 章基于v e r i c u t 与c a x a 制造工程师的数控加工仿真系统技术平台介绍 积累的知识加工模板，实现快速入门和提高。 ( 7 ) 通用后置处理 c a x a 制造工程师提供开放的后置配置系统，可以针对各种控制系统所需要的 后置格式，直接生成g 代码文件。系统不仅提供了常见的数控系统的后置代码格 式，还可以定义专用数控系统的后置处理格式，全面支持s i e m e n s 、f a n u c 等多种 主流机床控制系统。系统还可以生成详细的加工工艺清单，方便g 代码文件的应 用和管理。 3 w i n d o w s 界面操作 c a x a 制造工程师基于微机平台，采用原创w i n d o w s 菜单和交互操作，全中文 界面，并全面支持英文、简体和繁体中文w i n d o w s 系统。 支持w i n d o w s 的个性化定制功能。用户可以随意移动、组合菜单和工具条， 定制快捷键，提供灵活、方便的鼠标右键操作和菜单的热键操作，强大的动态导 航功能大大方便了造型设计上的操作。 。 4 三维与二维的无缝集成( 输出视图与接收视图) 利用制造工程师设计零件，可以自动生成二维视图和轴侧图，对设计和识图都 非常方便。c a x a 制造工程师与二维电子图版实现了无缝集成，可以自动创建零件 或装配体各个视向的二维正交视图、轴侧图、任意给定视向的视图。也可以创建 剖切视图和局部放大图，从而极大的简化了绘图过程。另外，可以任意排列视图， 并对视图进行修改、尺寸标注和工程标注等操作，最终生成复杂而完备的工程图 样。 5 丰富流行的数据接口 c a x a 制造工程师是一个开放的设计加工工具，软件提供了丰富的数据接口， 它们包括基于曲面的i g e s 和d x f 标准图形接口，基于实体的x - t 、x b 文件格式， 面向快速成形设备的s t l 以及面向i n t e r n e t 和虚拟现实的v r m l 等接口。这些接 口保证了与世界流行的c a d 软件进行双向数据交换，使企业可以跨平台和跨地域 的与合作伙伴实现虚拟产品的开发和生产。 标准数据接口：i g e s ，s t e p ，s t l ，v r m l 直接接口：d x f ，d w g ，s a t ，p a r a s o li d ，p r o e ，c a t i a 沈阳理工大学硕士学位论文 第3 章虚拟铣床的建立 进行数控加工仿真的第一步是要建立用于虚拟加工的数控机床，要求不仅具 有与实际机床类似的外观，而且其结构与运动方式也要与实际机床相同。利用 v e r i c u t 系统中的m a c h i n es i m u l a t i o n 模块，本课题建立了一台三轴立式铣床的 几何模型与运动学模型，并进行了刀具库的设定。 3 。1 机床建模的关键概念 1 组件与组件树 v e r i c u t 系统用不同类型的组件( c o m p o n e n t ) 表示不同功能的实体模型，并 用模型( m o d e l ) 来定义各组件的三维尺寸及形状。通过定义毛坯、夹具和切削刀 具等组件、模型，然后像真实加工时实体间的相对连接关系一样，连接各组件、 模型到数控机床正确的位置就构成了组件树，并用控制文件控制使各组件模型的 相对运动与真实加工时各自的运动相同，最后用相应的刀位轨迹进行仿真切削加 工。 v e r i c u t 中提供了多种类型的组件，来描述加工仿真中所用的不同功能的三维 实体模型，包括机床的基础件、x y z 轴、主轴、工作台、毛坯、夹具和切削刀具等 组件。组件被默认为没有尺寸和形状，组件只定义了实体模型的功能，通过增加 模型到组件，使组件具有三维尺寸及形状。 由各组件构成的表示真实加工时实体间连接关系的组件树，可以对各组件进 行剪切、复制、粘贴、删除等基本操作，以对各组件间的连接关系进行编辑。 2 实体模型的建立 建立的组件树是没有尺寸和形状的，需要通过增加模型到组件的方法使组件 具有三维尺寸和形状。在v e r i c u t 系统中，通常需要定义毛坯、夹具、机床床身、 各轴工作台等几类模型，并连接这些组件到组件树的正确位置。每个模型都有自 己的右手笛卡儿坐标系，并且可以通过改变其在系统空间中的坐标值来将各个组 件根据它们之间的位置关系进行装配。 第3 章虚拟铣床的建立 在v e r i c u t 系统中，模型的定义有很多方法。最简单的是利用软件自带的建 模模块，可以定义长方体、圆锥体和圆柱体三类简单形状模型及其组合的复杂模 型，这些形状的提供大大加快了机床仿真的速度和优化丁机床的显示和消隐。此 外，还可以通过u g 、p r o e 等c a d 软件建立几何模型，并输出成i g e s 、s t l 、c a t v 等格式，然后通过v e r i o j t 提供的图形转换输入接r n 导入到机床仿真系统中。这 种方法适用于建立复杂的几何体。 32 虚拟机床构建流程 仿真机床是将实际机床进行一定形状抽象尺寸描绘，按照各部件间一定的逻 辑结构关系和运动依附关系组合而成的机床抽象模型。该模型应该能真实反映机 床各个坐标轴的逻辑关系和运动关系，并能真实再现机床运动轨迹，在仿真软件、 n c 程序、数控控制系统、刀具库等的支撑下可以模拟n c 程序运动轨迹，并以此进 行n c 程序的正确性、合理性检测，并能检测机床运动方式尤其是多轴机床的空 问运动轨迹的正确性检测。 仿真机床构建的过程就是将实际数控机床实体按照运动逻辑关系进行分解， 并对各部件进行模型抽象成为较为简单的数学模型，然后按照各部件的逻辑结构 关系进行“装配”，得到需要的仿真机床模型。在此基础上，可以进行简单的机床 检测，如工作台的移动方式、 、b 轴的旋转运动方式等。 本课题选用x k 6 3 2 5 型三轴立式铣床为模型进行仿真机床的构建。该机床的外 观如图3 1 所示。其主要技术参数如表31 所示。 幽31x k 2 5 掣铣林外脱幽 沈阳理工大学硕士学位论文 表3 1x k 6 3 2 5 型三轴铣床主要技术参数 参数名称 值单位 工作台面 1 2 7 0 2 5 4m m x 轴6 5 0 m m 工作行程y 轴3 5 0m m z 轴4 0 0咖 主轴端面至台面距离 4 5 0m m 主轴锥孔 r 8 n t 3 0 主轴转速 8 0 - - 5 4 4 0 r m i n 最大铣刀直径 2 0 m m 进给速度( x 、y 、z ) 1 2 1 0 0 0 m m m i n 快速移动速度( x 、y 、z )4 5 0 0 4 5 0 0 3 0 0 0m m m i n 主轴电机功率 2 2k w 定位精度 o 0 1m m 重复定位精度 0 0 0 5m m 机床外形尺寸 1 6 0 0 x1 7 0 0 x1 9 0 0m m 机床净重 1 3 0 0 k g 3 2 1 建立机床组件树 根据x k 6 3 2 5 型铣床的结构，可以抽象提炼出其主要机械结构包括床身基体、 左右运动部件x 轴、前后运动部件y 轴、上下运动部件z 轴、主轴部件等几个部 分。依据这一抽象结果及各部分之间的相互位置关系及运动关系，就可以建立该 机床在v e r i c u t 中的组件树，形成机床的运动学模型。其具体操作步骤如下： ( 1 ) 在主菜单中单击“m o d e l 一“c o m p o n e n tt r e e 命令，弹出如图3 2 所示的“c o m p o n e n tt r e e 对话框。 ( 2 ) 在。