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基于VERICUT的数控加工过程仿真技术

发表时间：2020/6/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：刘俊龙

[导读] 摘要：构建虚拟加工平台，验证数控加工流程的准确性，以及在具体工件加工过程中进行仿真优化是数控机床实现高效加工的关键。

        航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江哈尔滨 150000
        摘要：构建虚拟加工平台，验证数控加工流程的准确性，以及在具体工件加工过程中进行仿真优化是数控机床实现高效加工的关键。在本研究中基于VERICUT数控加工进行仿真和优化，并且以非正交数控机床作为研究对象，构建相应的数控仿真平台，在进行曲面加工过程中可以构建基于恒定切削厚度和体积去除力的数学模型，对该模型进行刀位轨迹优化。通过研究发现，这种数控加工仿真优化能够对工件加工流程进行准确性验证并减少刀具磨损程度，进一步提高加工质量效率，能够提升其数控加工水平质量，从一定程度上可推动企业现代化制造技术的发展。
        关键词：VERICUT；数控；加工；仿真
        对于当前数控机床来说其具有较高的自动化程程度且加工精确度好，目前这种加工技术被广泛应用于现在制造业中，尤其是一些异形复杂零件和大型零件的高效加工，但目前在五轴数控机床使用过程中无法发挥其较高使用效率和使用性能，仍存在很多技术问题，包括。给进速度的优化，刀具干涉以及模型验证等问题。数控加工仿真是用于验证加工过程可靠性，准确性以及刀具路径，可代替实际工件进行试切，以减少编程错误的重要途径。因此构建虚拟仿真平台，数控加工程序验证和加工仿真优化是数控机床实现高效加工的关键。
        1基于VERICUT的数控加工仿真过程分析
        VERICUT是由美国所开发的，其能够在windows系统中运行，是一种重要的数控加工仿真品软件，该软件具有三维数控制加工仿真以及模型优化验证等多个功能，能够虚拟模拟加工中刀具的切削，夹具，零件和机床各种的实际运动轨迹，进而验证数控程序是否在加工中存在干涉，碰撞或者超出设置不合理等问题。同时还能够进行数控加工机床程序优化，以提升零件加工质量，生产效率，缩短产品生产周期。该方法已经广泛应用于汽车，机械制造业，航空等领域中，在本研究中以非正交五轴数控机床进行研究，主要以全面加工零件作为研究对象，对基于VERICUT的数控加工仿真与优化问题进行深入探讨。
        2构建数控加工仿真平台
        数控加工仿真平台主要包含构建机床模型，设置系统参数，配置控制系统和构建刀具库等。由于DMC70ev是一种典型非正交五轴数控机床，其整个构造相对复杂，可通过工作台旋转实现五轴联动。其中直线运动轴为x，y，z轴，旋转轴为B，C轴，在三维坐标系中B轴是非正交可与y轴形成45度角，以mIllplus作为数控机床的控制系统。在本研究中基于VERICUT平台上可通过测量并获取机床几何模型，构件尺寸，以及通过构建机床组件以用于添加部件模型和各个组件构建机床模型，设置相应的机床参数，调用VERICUT中数控系统文件。结合控制系统程序格式以及仿真要求，可对该机床控制系统文件进行定制构建。在仿真加工过程中需要的刀具库以实现刀具加工的仿真过程，在实际加工和检测是否出现碰撞，干涉等问题，针对这些问题进行工艺优化，具体构建虚拟加工仿真平台模型如下所示。

        在构建虚拟加工仿真平台时，需要以机床模型作为核心，在构建模型过程中需要注意以下几点：第一，在机床零位下进行机床的构建，确保与实际机床保持一致性；第二，在添加组件模型组件过程中需要改变模型的方向、位置，模型是操作对象；第三，需要对模型、组件进行区分，并且掌握模型和组间坐标系的关系，同时还需要注意绝对和相对位置；第四，对于不同运动轴位置与实际机床位置来说要求其保持一致性，尤其对于旋转轴来说是与实际机床各个运动轴的方向、位置保持一致的。
        2.1 基于VERICUT的数控加工仿真分析
        在构建虚拟加工仿真平台的过程中，需要添加夹具和零件毛坯模型，调入零件NC程序之后进行数控系统加载，可定制相应的数控参数以及结构变量，给系统配置特殊指令以实现仿真加工环境参数设置。其左视图是毛坯材料去除的加工，而右视图是数控机床多轴联动加工的实际运动情况，通过虚拟加工平台能够从一定程度上观察刀具是否与夹具之间存在碰撞，干涉，同时还可用于数控机床中不同运动轴的运动轨迹分析，可以观察实现NC程序验证。通过完成仿真加工之后，可利用VERICUT中的尺寸，功能测量，并进行log文件查看，检测在数仿真加工时是否存在零件欠切或者过切问题，以代替数控机床试切过程。

2.2 VERICUT的到位轨迹优化分析
最优化原理是通过确定优化设计以获得最优化参数设计，并且获得技术经济指标最优的工艺设计方法，利用VERICUT的刀位轨迹化是通过对各个流程的NC程序切削量，将原有各步骤NC程序划分为多个步骤，各个程序段设计最佳给进速度，构建相对可靠的数控程序，但这种程序并不会改变原有的程序轨迹，因此不会出现错误加工问题。第一，构建数学模型优化设计，由于各个设计问题均有具体限制条件和约束条件，在优化设计过程中需要将设计问题转为数学优化模型。该模型包含目标函数，约束条件以及设计变量。在优化设计变量确定过程中，设计变量是调整和优选的重要参数，如果该模型中存在较多的设计变量，则设计过程会相对复杂，在满足设计条件的基础上需要尽可能减少设计参数数量，包括切削宽度、深度、给进速度等，均会影响切削效率，因此在数学模型优化设计过程中其优化变量如下所示，

在该公式中切削深度为Ad，切削宽度为Rw，给进速度为F，进一步确定目标函数。目标函数是用于衡量设计方案质量的重要指标，包含单目标和多目标，基于VERICUT的数学模型优化设计是在确保加工质量的基础上提升加工效率，缩短加工周期，作为优化设计目标的，如下公式所示

，在该公式中目标函数为T（X）要求经过优化设计之后能够缩短30%的加工时间。进一步确定约束条件，约束条件实际上是对设计变量进行约束，通常包括等式和不等式约束两种类型，在本研究中要求设计变量满足下列条件。在针对切削宽度存在下列公式

，其中刀具直径用D表示，切削深度公式如下所示

，在该公式中切削余量用Δ表示，给进速度的约束公式如下

，在该公式中机床能够允许的最大，最小给进速度分别用Fmax和Fmin表示。
3 实例分析
根据上述所构建的优化设计模型，可以发现优化条件，目标函数是非线性函数，在求解过程中的过程是比较复杂的，而基于VERICUT进行优化模块设计，能够为系统提供自动化约束条件设置，即进行切削加工时间的自动化计算，包括两种刀位轨迹优化途径。第一，基于体积去除力切削优化方法；第二，恒定切削厚度优化。在本研究中以某加工曲面零件作为研究对象，在具体加工过程中可以将基于VERICUT的刀位轨迹优化，构建优化刀具库，调取刀具库进行NC程序优化。在本研究中可用于不同切削情况下不同刀具给进速度，主轴转速等数据的优化，结合加工经验，对现有的参数进行优化调整。通过仿真分析确定最优化的参数。如下所示，

在加工过程中可以使用恒定体积去除优化的方式进行参数设置，完成优化参数设置后，即构建优化刀具库，通过调取刀具库及能够完成曲面加工程序优化，完成之后，通过图表、状态进行优化结果的分析查看，然后通过文件获取相关的优化结果。如下表所示，

        通过对曲面加工优化之后能够节约40%的加工时间，并得到预期的优化效果，相比优化前、后程序来说比较合适的，可以发现在优化之前给进速度在切削中未发生变化，而经过优化之后，可以将NC程序分为不同的段落，各段落根据其实际状态进行给进速度优化设计，可提升零件的加工效率。
        小结
        总而言之，在本研究中通过构建虚拟加工系统可用于解决NC程序验证以及工艺优化设计，进而提升数控机床的使用效率性能。基于VERICUT构建的数控加工仿真平台，能够利用优化模型实现对曲面零件刀位轨迹优化，以解决实际生产过程中的工艺问题，能够为工厂减少试切加工环节，显著提升零件的加工效率，质量。
        参考文献：
        [1]王加钦，李寿浪，文宏华，等. 基于VERICUT的人像模型数控加工仿真[J]. 湖北农机化，2019（16）.
        [2]王小平，周林，兰成均. 基于VERICUT的数控加工工时定额仿真技术[J]. 发现（教育版），2018，000（011）：29-30.
        [3]陈宝尚. 基于VERICUT的五轴联动数控加工仿真研究[J]. 科技与创新，2019（22）.