VERICUT软件在五轴高速铣加工中的应用

众所周知，五轴加工，尤其是高速铣削加工中的加工仿真是极其重要的。VERICUT软件作为加工仿真软件的代表，在高速加工领域有着很高的市场占有率。本文的作者不仅向大家介绍了这款优秀的软件，还较为详细地向大家展示了VERICUT的使用步骤和主要参数设置及相关的注意事项，相信一定会对大家有所帮助。

    一、VERICU下软件简介
   
    VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC程序优化，缩短加工时问、延长刀具寿命、改进表面质量，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误;具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工;具有CAD/CAM接口，能实现与UG. CATIA及MasterCAM等软件的嵌套运行。VERICUT软件目前已广泛应用于航空航天、汽车、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序，其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等。如图1所示为从设计原型→CAM软件→VERICUT→切削模型→模型输出的整个机床仿真工艺流程。

    二、工艺系统仿真环境构建程序
   
    为在VERICUT软件中实现NC程序加工仿真，需要预先构建整个工艺系统的仿真环境，其构建的一般过程如下:
   
    1.工艺系统分析
   
    确定数控机床CNC系统型号和功能、机床结构形式和尺寸、机床运动原理、各坐标轴行程、机床坐标系统以及所用到的毛坯、刀具库和夹具库等。
   
    2.建立机床几何模型
   
    采用三维CAD软件建立机床运动部件(主要是各运动坐标轴和刀库)和固定部件的实体几何模型，并转换成VERICUT软件可用的STL格式。
   
    3.建立机床文件
   
    建立机床运动模型，即部件树，添加各部件的几何模型，并准确定位。将结果保存为机床文件(后缀为.mch).
   
    4.建立用户文件和控制系统文件
   
    在VERICT软件中新建用户文件(后缀为.usr)，设置所用CNC系统文件(后缀为.ctl).
   
    5.建立刀具工具库
   
    根据机床选用的刀柄型式和规格、刀具种类，构建机床刀具工具库，将结果保存为刀具文件(后缀为.tcl)。
   
    6.设置机床参数设置
   
    机床各坐标轴的行程，换刀位置、机床初始位置、机床参考原点等。
   
    7.保存所有文件
   
    全部设置完成后，保存所有文件，则仿真系统构建完成。
   
    三、构建五坐标高速铣FIDIA KR214仿真系统
   
    1.机床描述
   
    该五坐标高速铣为意大利FIDIA  S.P.A.公司生产的悬臂式立式加工中心，主轴为HSK63E柄的电主轴，刀具库容量为42把，所用数控系统为C20POWER,设备能实现X、Y、Z、A、C、W六轴控制任意五轴联动，工作台为数控回转工作台。各轴的驱动电机全部采用全数字交流伺服电机，各轴的伺服控制全部采用全闭环控制、配置过载保护及报警功能，司时还具有机内激光对刀装置和RENISHAW MP18数字探头工件测量及自动校正系统。机床的各轴行程如表1所示。

    2.建立部件的3D模型
   
    用Pro/ENGINEER野火软件造型，以运动单元建模，不需要按照机床零部件连接结构构建，也不必构建各坐标轴之间的传动机构，仅需对各部件的外形进行建模。若某一部件由多个零件组成，可将各零件一体建模，也可各零件单独建模，然后在VERICUT中进行装配，建立几何模型后，将其另存为STL.格式。
   
    3.建立机床部件树
   
    A.床身的建立选取菜单中Model-Component Tree或点击快捷图标别，弹出部件树对话框，如图2所示。选取菜单中Model->Model Definition或点击快捷图标，按图3所示的顺序操作，选取相应的STL格式文件，正确设置位置参数，点击Add和OK选项后返回部件树菜单。nextpage

    B.坐标轴的X.Y.Z.A.C.W的建立。
    在部件树中右键单击base–>在光标菜单选Append–>选XLinear,添加X轴;右键单击X(0, 0, 0) –>在光标菜单选Append–>选YLirear,添加Y轴；右键单击Y(0, 0, 0) –>在光标菜单选Append–>选ZLinear,添加Z轴;按照同样的方法，添加其他部件。
   
    4.添加机床几何模型
   
    添加各部件的STL模型时应注意将模型TYPE选择为Model Files类型，按Browse找到相应STL格式文件。
    (1)双击部件树中X ( 0, 0, 0)，选取相应的STL格式文件，在Position栏和Angles栏内输入位置坐标。
    (2)双击部件树中Y(0, 0, 0)，选取相应的STL格式文件，在Position栏和Angles栏内输入位置坐标。
    (3)依照同样的方法，完成其他部件的装配，得到完整的FIDIAKR2I4机床部件树，如图4所示。

    5.建立机床刀具库
   
    选取菜单中Setup–>Tool Manager快捷图标列，弹出刀具管理对话框，如图5所示。
    在菜单中选取Add–>New Tool–>Mill，弹出图中1号刀具，右键单击”1″，选取Cutter，弹出增加刀具对话框，如图6所示，按图6选择所需建立的铣刀类型(包含直齿铣刀、球头铣刀、锥度铣刀及用户自定义等)，设置刀具几何参数，确定后返回刀具管理对话框。依照上述方法，建立一系列常用的刃具库，并在Description栏中描述刀具的类型和规格等。

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    6.设置CNC系统文件
   
    选取菜单中Setup–>Gontrol–>Open或快捷图标，弹出打开控制文件对话框，在VERICU下安装目录的library子目录下选取”fidm30.ctl”;选取菜单中Setup–>Control–>Word/Address,弹出图所示的对话框，根据机床的控制系统功能和指令格式，对准备功能G代码、辅助功能M代码、寄存器地址和状态指令等进行设置，并保存该文件。
   
    7.设置机床参数
   
    选菜单Setup–>G-Code–>Settings，在弹出对话框中选Tables选项，再选取Job-Tables和Add/Modify选项，在Table Name列表框中选择如下参数进行添加:
    Input  Program  Zero(工件编程原点):0  -895  -800(-800为Z万向主轴端面到工件坐标系原点的距离);
    Initial Machine  Location(机床初始位置):13500000(XYZAC坐标用空格间隔).
    Machine Reference Location(机床参考点):13500000;
    Tool Change Location(换刀位置):1350 895 10000
    根据实际加工需要，还可以进行Works Offsets(工件偏置)、RTCP  Piovt  Offset(RTCP旋转偏置)等。
   
    8.保存文件
   
    将建立的文件分别保存为用户文件.usr,控制系统文件.ctl,机床文件.mch和刀具库文件.tcl.如图7所示的是已建立的虚拟机床环境。

    四、仿真实例的应用
   
    实例中叶轮采用的材料为30CrMnSiA，经热处理后，其强度相当大，属于典型的薄壁件，叶片壁厚为4mm，易产生加工变形，加工周期长。该零件不但对尺寸精度和表面粗糙度要求高，而且对切削刀纹也有较高的要求，刀纹要顺着流路方向。采用VERICUT软件主要是为了解决如下问题：
    (1)由于编程时选择的加工方式不理想，后置处理程序有缺陷，或因为编程员经验不足，提前发现加工程序可能存在的问题，以免产生不必要的浪费。
    (2)进行干涉检查，及时对必须修正的地方进行修正甚至重新编程，以保证向机床操作人员提供正确的加工程序。
    (3)模拟零件装夹与加工过程中机床的真实运动情况，以避免机床部件与夹具和零件的碰撞。
    (4)检测零件加工后是否存在过切、欠切现象，测量加工后的零件与设计图纸要求之间的差9等。
    具体操作步骤如下:
    @起动VERICUT，并调用所需用户文件、机床文件、CNC控制文件和刀具库文件。
    @引入毛坯零件和设计零件。将叶轮毛坯零件和设计零件的STL模型文件引入部件树。
    @设置工件原点。X、Y轴零点在回转工作台的中心，Z轴零点为主轴端面到工件坐标系的距离。
    @引入刀位文件或NC程序。
    @检查数控程序的正确性，设置碰撞、超程、干涉等识别颜色，单击工具条上的”单步仿真”或”连续仿真”键，开始加工仿真。
    @仿真结果分析。采用缩放、移动、旋转和打剖面等工具，能从不同视点观察，详细精确地测量切削模型。选取菜单上Analysis–>X–>Caliper测量工具测量工件尺寸;选取菜单上Analysis–>Auto–>Diff比较工具，检查零件有无过切、残余材料等现象。
    @若切削模型不理想，只需调整和更换NC程序，继续零件的加工仿真，直至切削模型与设计原型一致。如图8所示的是已定型的叶轮仿真。

    五、小结
   
    在仿真软件或系统建立以前，大部分编程人员在用CAM软件编程后，为了验证程序的正确性，要采用各种各样的试切方法，如空走刀、切削泡沫、试切软材料、木材和低速加工等，这样既费时间，也浪费各种相关的人力、物力，最危险的是有些潜在的问题和干涉现象不能及时发现，且难以提高编程效率和保证产品质量。本文基于VERICUT软件构建了五坐标高速铣加工的仿真环境，解决了上述存在的问题，实现了数控编程的虚拟制造，比一些CAD/CAM软件单纯的刀位文件仿真更真实、直观，更接近实际加工情况，仿真后的NC程序不用试切可直接输入机床进行加工，极大地提高数控编程的效率和质量。