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　　【摘 要】 本文以GMC50100u五轴龙门加工中心为对象，分析了大型五轴龙门机床的结构及运动形式，并从仿真模型构建、机床参数设置、控制系统定制等方面详细讲述了大型多轴复杂机床的仿真环境建立过程和步骤。并通过对偏心锥零件的试制，验证了自建仿真环境的可靠性和建立方法的正确性。同时还介绍了Vericut软件仿真环境下对数控程序的优化应用。

　　【关键词】 Vericut 仿真 五轴龙门机床

　　复杂零件在多轴轴联动，尤其是五轴及以上联动的数控机床加工中，由于附加的一些刀具旋转或工件旋转非常容易发生碰撞和干涉现象，这样就可能造成工件、刀具甚至于机床的损坏。为了避免以上问题的产生，在加工前往往需要在零件坯料上进行试加工，并通过对数控程序进行反复调试，确保加工程序的正确安全。但这样的方式不但增加了劳动强度、降低了工作效率，造成了人力、时间、能源和物质的浪费，且在试加工过程中亦存在质量隐患。Vericut软件可以同时进行刀具轨迹和机床运动仿真。通过这仿真，可以有效免碰撞、干涉等现象，规避试切安全风险，缩短产品加工周期。

　　本文以沈阳中捷机床厂GMC50100u大型龙门结构形式的五轴五联动加工中心为对象，讲述复杂多轴数控设备在VERICUT软件里仿真环境的建立和验证方法。

　　1 龙门五轴加工中心仿真环境建立

　　机床仿真环境的建立主要包括机床结构模型构建和控制系统定制。

　　1.1 机床仿真模型构建

　　1.1.1 机床结构分析及构件依附关系梳理

　　VERICUT中机床模型以组件树的形式存在，组件树反映的是机床各部分之间的现对位置和运动依附关系。GMC50100u五轴龙门加工中心，由三个线性轴和两个旋转轴组成，机床主要部件包括x横梁、y滑块、z滑块、c转头、a摆头、工作台。根据GMC50100u机床实际结构、运动关系，确定机床各部分间的相互依附关系，见图1所示，图中箭头指向为下级子组件。

　　1.1.2 机床运动轴组件拓扑结构建立

　　按照机床运动轴组件依附在vericut软件界面下建立机床运动轴组件拓扑结构，形成机床模型组件树。

　　如图2所示，是构建完成的GMC50100u龙门加工中心运动轴组件拓扑结构，包括运动仿真中始终处于静止状态的BASE组件、运动的X/Y/Z/C/A轴及主轴SPINDLE组件。BASE组件是机床中与地面直接连接或一直保持固定静止的模型组，包括龙门导轨架、固定工作台、机床外壳等。在BASE组件下一层级建立各运动组件，从树形结构图上可以清晰的看出，Y轴是构建在X轴上的。当X轴运动时，Y轴肯定跟随X轴向着某一方向运动，但它此时在自己的Y方向并不发生位移。同理，Z/C/A轴及主轴SPINDLE均是如此。在BASE组件下第一层除了各运动轴组件还存在一类机床附属结构Attach组，包括夹具Fixture和工件Stock。

　　1.1.3 机床建模

　　拓扑结构建立好之后，相应地增加各机床组件模型实体，例如X/Y/Z/C/A轴、床身、主轴等。各组件模型的尺寸大小，坐标位置关系理论上要与实际机床结构相同，但X＼Y＼Z轴的组件模型外形可以作相对简化。由于机床模型复杂，而VERICUR软件本身CAD功能有限，因此可先在专业CAD软件里绘制三维模型，再导入至仿真软件中进行装配。GMC50100u机床采用UG三维软件构建机床三维模型，然后结合polyworks软件以组件为单位输出PLY格式模型文件，再以组件为单位导入VERICUT，具体机床部分组件三维模型如图3。

　　将各三维模型导入到拓扑结构框架对应的组件中（图4），最后可构建出具有运动能力的仿真机床模型，用同样的方法构建并导入床身、工作台等组件的三维模型就基本完成了这台GMC50100u龙门加工中心机床模型的建立，如图5。

　　1.2 机床参数设置

　　机床结构设置完成后，可对机床进行初始设置。包括对初始位置、各轴的先后运动顺序及行程范围、加工时的干涉等情况进行设置。在机床模型初始设置时，需通过“Near Miss”对话框多机床模型的各部件进行运动过程中的碰撞检查设置。碰撞检查以机床模型中两个组件为一组检查对象，设置内容包括需要进行碰撞检查的两组件、干涉临界值等。碰撞设置完成后，在程序运行过程中，当出现机床部件间距离小于干涉临界值时，系统判断为碰撞产生进行预警。

　　机床初始设置时还需对机床行程进行设置，以精确的数据限制机床各运动轴运行的行程范围。当程序运行时出现超出行程情况，系统将以设定的预警颜色进行报警。

　　1.3 控制系统定制

　　机床仿真环境的建立还必须给机床配置数字控制系统，使机床具有解读数控代码、插补运算等功能。GMC50100u龙门加工中心采用的是Fidia-C20系统，不属于软件自带系统，我们在系统库中调取了与Fidia-C20控制系统指令具有部分相近的Fidia-m30系统文件进行开发定制，再将定制好的控制系统设定为默认缺省值。

　　2 仿真环境验证

　　2.1 数控加工过程仿真

　　在完成了机床仿真环境的构建后，运用构建的龙门加工中心模型及控制系统文件对偏心锥零件的数控程序进行了仿真加工。图6为仿真加工中的三个过程。

　　2.2 数控仿真优化

　　通过VERICUT软件中的优化功能对偏心锥零件切削速度进行优化，有以下三步。

　　（1）优化刀具库的建立。VERICUT优化刀具库用于设置不同刀具在不同切削情形设置进给速率和主轴转速等优化数据。

　　（2）调用优化库进行程序优化。通过调用前步建立好的设定优化刀轨库的优化记录，设定优化方式，从而生成一个被优化的数控程序文件。由图7可以看出，优化后生成的新程序文件名称和后缀名都发生了改变。

　　（3）优化后数控程序比较。经过优化，程序的走空刀时间明显缩短，切深、进给速度等切削参数明显优化，提高了零件表面质量，整个加工时间减少了10%左右。

　　2.3 产品试制

　　在前期的技术研究和仿真试验后，采取立式装夹的方式按照自动生产并优化的数控程序进行了偏心锥试制，并成功的加工出了偏心锥，偏心锥实物如图8所示。

　　3 结语

　　针对GMC50100u五轴龙门机床开展基于VERICUT的大型五轴龙门机床加工仿真技术研究，通过在VERICUT软件环境下对五轴龙门机床仿真模型构建、机床参数设置和控制系统定制，并通过对偏心锥零件的五轴联动加工验证了仿真环境的可靠性和环境建立方法的正确性，为龙门机床后续的多轴加工提供了技术支撑。