將Pr0／E的NC代碼自動生成技術和VERICUT的加工仿真功能結合起來，以具體零件為加工對象， 提出壹種Pro／E和VERICUT聯合運用的虛擬機床技術．基於Pro／E的後處理模塊完成數控加工的NC代碼 的自動生成，並應用VERICUT軟件實現零件的虛擬銑削過程動態仿真．通過檢驗，根據需要修正數控代碼， 重復E述仿真過程，進壹步對刀位軌跡進行優化，最終獲得優化的NC代碼．銑削加工實例證明，將Pro／E和 VERICUT聯合運用進行虛擬機床技術研究的正確性和實用性． 關鍵詞： 虛擬機床；銑削過程；Pro／E；VERICUT；Pro／NC；仿真 547．021；TP 391．9 中圖分類號：TG 文獻標識碼：A 1994年，美國科學技術政策辦公室發布了美國機床業競爭力的測試報告，提出虛擬機床（Virtual Machine Tool，VMT）工程計劃，目標是模擬切削加工操作，獲得真實感結果的預測能力〔1｛〕．2003年，美 國國家科學基金會（NSF）資助美國西北大學、伊利諾斯大學、密歇根大學開展聯合研究，目標是實現虛 擬機床在綜合仿真環境下的加工操作，獲得工件屬性（公差、形狀及光潔度等）及可制造性的精確描述． 我國對虛擬機床的研究與國外幾乎在同壹時間．清華大學、哈爾濱工業大學、東北大學等相繼開展了對 虛擬機床環境、建模和仿真的研究，但主要集中在虛擬機床的結構和框架的研究上．總的來說，國內的虛 擬機床軟件同國外相比還有很大的差距．由於開發與應用部門的脫節，國內還沒有形成自己特色的工程 化、商業化軟件系統．從三維圖形設計到工程數據庫，國內也沒有壹套能代替國外產品的軟件．因此，在 我國現階段主要目標是研究開發面向工程化、實用化的軟件．本文分析Pro／E和VERICUT的功能模 塊，構建了虛擬機床模型、零件CAD模型和制造模型． 1軟件功能模塊分析 1．1 Pro／E軟件 Pro／E是集CAD／CAE／CAM功能於壹體的三維仿真軟件．Pro／NC為其中的加工制造模塊，可以 將CAD與CAM結合起來，配合相關的工藝知識（包括加工方法、毛坯、夾具、刀具、機床等）生成刀具軌 跡文件，再通過針對性的後置處理，生成最終的數控加工代碼． Pro／NC由壹系列可選的子模塊組成L引，包括Pro／NC—MILL（執行2．5軸和3軸銑削加工）、Pro／ NC－TURN（執行2軸和4軸車削及中心線鉆孔）、Pro／NC—ADVANCED（多軸車、銑加工）和Pro／NC— WEDM（執行2軸很軸的線切割）．其中，銑削模塊可進行平面銑削、體積塊銑削、曲面加工、腔槽加工、 凹槽加工、輪廓加工、局部銑削、螺紋銑削、軌跡加工和雕刻等，根據不同的加工對象可選擇合適的加工 方案．Pro／NC不僅完全支持高速和多軸等高端加工方式，還有自己獨特的技術特點，有良好的擴展性． 1．2 VERICUr軟件 VERICUT軟件是壹個功能強大的NC機床切削仿真軟件，能夠真實地模擬加工過程中刀具的切 收稿日期：2008—06—11 通信作者：顧立誌（1956壹），男，教授，主要從虛擬制造技術事的研究．E－mail：gulizhi888＠163．corN． 基金項目：泉州市科技計劃項目（2007G9） 萬方數據 第2期 樊啟永，等：Pro／E和VERICUT虛擬機床建模與仿真 127 削、加工零件、夾具、工作臺及機床各軸的運動情況．該軟件不僅能夠對NC程序進行仿真、驗證、分析 和優化，而且能夠對機床進行仿真．通過模擬機床加工過程，真實地反映加工中遇到的各種問題，包括加 工編程的刀具運動軌跡，工件過切、欠切情況和刀具、夾具運動幹涉等錯誤，甚至可以直接代替實際加工 過程中試切的工作．主要包括如下10個功能模塊〔4引． （1）Vericut Verification．該模塊是VERICUT軟件系列各模塊的基礎，提供三軸加工驗證及分 析，可模擬由CAM軟件輸出的刀位文件和G代碼文件． （2）Machine Simulation．該模塊使VERICUT能夠模擬由控制系統驅動的三維數控機床的實時 動畫，模擬中看到的情況和在加工車間出現的實際情況壹樣． （3）OptiPath．對切削用量進行優化設計，以滿足最小加工時間的目標函數及最大機床功率等約束 條件的要求． （4）Multi—Axis．使VERICUT能夠模擬多軸機床的聯動，最多可支持18軸聯動． （5）Model Export．把模擬加工生成的任何壹個階段的結果輸出壹個CAD模型，實現從CAM到 CAD的鏈接，可為改進加工計劃，提升逆向工程提供數據模型． （6）AUTO－DIFF．使用戶能夠將設計模型與制造模型進行比較，並自動計算兩者的差別，用於識 別不正確的加工區域或設計中的可能存在的弱點或錯誤． （7）Machine Developers Kit．該模塊用來做壹些二次開發用． （8）CAD／CAM Interfaces．可從Pro／E等CAD／CAM系統內部無縫運行VERICUT． （9）Vericut Utilities．模型修復工具和轉換器，包括在驗證模塊中． （10）Cutter／Grinder Machine Simulation．磨床仿真． 2銑削工藝過程與刀具路徑創建 2．1銑削的壹般過程 實現零件的銑削加工，首先要創建零件的CAD模型，然後根據模型提供的幾何信息建立相關操 作．因此，先在Pro／E中建立型腔模具三維模型．然後，進入Pro／NC模塊進行型腔模具的加工、創建制 造模型、構建虛擬機床，包括設置機床參數、定義制造坐標系（制造坐標系要與機床坐標系壹致）、設置加 工刀具、建立退刀平面等．最後，定義加工工藝，包括工藝參數的設定．上述過程亦適於其他工藝方法的 虛擬加工． 2．2銑削工藝過程 根據加工零件的不同，應采取不同的加工工藝．由於擬加工的零件為型腔模具，比較復雜，綜合考慮 生產率、精度要求、成本和通用性，提出並采取依次陷入銑削、曲面銑削、輪廓加工和拐角局部銑削的加 工工藝，通過相應的加工刀具的選擇和工藝參數的設置來完成工件的由粗加工、半精加工到精加工的工 藝過程．之所以選用陷入加工，是因為陷入加工非常適合於模具型腔的粗加工，是實現高切除率的最有 效的金屬切削加工方法之壹，可使其加工時問較普通銑削加工縮短壹半以上． 2．3刀具路徑創建 曲面的形狀比較復雜，切削方式對曲面的加工影響很大，因此需要定義切削．曲面銑削創建刀具路 徑有4種方法：直線切削、自曲面等值線、切削線和投影切削．這4種方法各有其特點和適用範圍．可 選用直線切削，即通過壹系列直的切線來銑削型腔模具內表面，切削角相對於X軸為零度．如改變銑削 類型則生成不同的刀具路徑，必要時需改變制造參數．最後，通過後處理器生成型腔模具加工的初始 NC代碼，供後面VERICUT軟件進行仿真使用． 3虛擬機床建模及仿真優化 3．1虛擬機床建模 常見的數控機床，在結構上主要有床身、立柱、運動軸和工作臺等部件，再配合刀具、夾具和壹些輔 助部件***同組成‘6。8〕．床身起到支承和承載機床組件的作用；立柱在結構上起到了拉開加工刀具和工件 萬方數據 華僑大學學報（自然科學版） 的空間距離，實現運動軸的布局的作用；而工作臺用來擺放工件，通過夾具等輔助工具實現工件的定位 與夾緊． 通過對機床的機構上的***性分析，可將機床的組件劃分為3種類型：通用模塊、輔助模塊、專用模 塊．其中，通用模塊是指各類機床***有的零部件，如床身、立柱、丁作臺等；輔助模塊是指刀具、夾具等機 床工具；專用模塊是為特種機床的特殊零部件所設立．在機床的建模過程中。應針對這3種不｜壹J類型的 模塊，采取相應的建模策略，綜合運用幾何建模t：『運動學建模相結合，實現針對多種機床的通』H建模． VERICUT中機床的定義描述數控機床的運動學及物理特性，建立數控機床模型包括建立機床組 件和實體模型兩部分．組件之間具有和在真實機床結構中壹樣的運動關系，添加到組件上的實體模型 代表機床的尺寸和形狀，從而能夠檢測加工過程中各個組件之間的碰撞．組件的定義描述了組件在機 床中的功能和各個組件之間的運動學關系． 實體模型分為參數模型和模型文件兩種類型．參數模刑是通過參數建諺的立方體、圓柱、圓錐等簡 單模型，這些形狀提供最短的仿真時問和最優化的機床的娃示和消隱．模型文件是通過文本編輯器或其 他CAD系統建立的文件（如IGES，STL和HTML文件），或者是VERICUT模型文件（如直線掃描（． swp）文件、旋轉（．sor）文件）等． VERICUT中機床定義，有如下6個基本步驟M．（1）荇需要雕入在（，AD軟件中建立的復雜實體 模型，則首先應輸入CAD模型．（2）在VERICUT中，從基體開始依次添加能夠反映實際機床結構和運 動學特性的組件，務必保證在組件各自的機床零點位置定義所有組件．（3）如果需要，為組件添加代表 尺寸和形狀的三維實體模型．（4）完成機床結構的建立，復位VERICUT，使各運動部件回到初始位置． （5）運用MDI榆測機床的各項功能是否達到預期目的，如換刀、各軸的運動．（6）保存機床文件． 基於VERICUT軟件，提出了針對不同加＿L對象的多種機床的通用建模方法．結合具體實例建立 壹個通用的三軸聯動立式數控銑床，於CGTECH—LIBRARY中打開壹個通朋的控制系統文件“Ge～ nericrn．ctl”作為機床的控制文件，再於CGTECH—LIBRARY中調入壹個代表3軸立式數控銑床的通 用機器文件“93vm．inch”． ‘ 從選用的控制文件和機床文件可以看出，采用的單傳為millimeter．X，Y，Z軸及機床床身模型直接 在VERICUT中建立，如果建立的模型較復雜，則呵以由其他CAD軟件建立好組件模型後再導入 VERICUT中使用．導人的模型應該是VERICUT能夠識別的格式，諸如IGES，STI。等．建立的機床 模型和機床組件樹，分別如圖1，2所示． 3．2機床仿真及刀具軌跡優化 3．2．1刀具文件的建立＋刀具是機床進行加工的 壹種黿要工具．VERICUT仿真加J二前，應先建屯刀 具庫文件，仿真加工時再經過適當編輯，即日T直接采 用〔1川．VERICUT刀具庫包含刀具切削部分、刀桿和 刀具夾持部分等信息，並以．tls格式儲存在刀具庫文 件中． 基於零件的加工需要，通過刀具管理器（Tool Manager）建立3把銑刀．即用於陷入加工的陷入銑 刀，用於曲面和輪廓加工的型號為EB4壹PI。R3的球 頭銑刀，以及用於局部銑削的型號為ES4壹PI。中2的 平頭銑刀．建立的刀具庫文件，如圖3所示． 3．2．2數控程序的調入和加工仿真 VERICUT 圖1機床模型 Fig．1 圖2機床組件樹 Fig．2 Tree of Component Model of Machine Tool Machine Tool 可以仿真單個或多個刀軌文件，並且可以仿真多種類型的刀軌文件．因此，在調入刀具軌跡時，首先要 選擇合適的刀軌類型，即町選擇G代碼刀位軌跡…。1 2｜，並設定用刀尖編程的方法進行刀具軌跡仿真． VERICUT提供了多種換刀方式，對於G代碼文件，可以用刀具號、刀軌文件名或刀具列表等．采 取BY Tool Number形式，即直接按刀具庫中刀具號處理刀具，如遇到T1 M6時，將刀具號為l的刀具 換到主軸上． 萬方數據 第2期 樊啟永，等：Pro／E和VERICUT虛擬機床建模與仿真 基於蔔述工作，再調入由Pro／NC加工生成的NC代碼，就可以進行NC程序的檢驗和機床加工仿 真了．仿真過程中可以瀏覽刀具軌跡文件，利用上具按鈕控制仿真的起、停和速度等，並可通過相應的設 置自動或手動捕捉VERICUT圖片，還町記錄AVI文件．由圖4可以看到，VERICUT不僅可以對刀位 軌跡仿真，還可以真實地反映ff｛機床的實際工作情況．當打開Machine Setting中的幹涉檢驗時，即可 對機床各組件間是否存在幹涉進行檢驗，幹涉處以紅色顯示並在I。og文件中列出，具有真實的校驗效 果．圖5，6分圳為陷入加上和曲面銑削加丁的仿真圖片． 圖3刀具管理器 Fig．3 Tool manager Fig．4 圖4加工仿真圖 Diagram of machining simulation 仿真結束後，VERICUT將自動產牛ASCI文本格式的日誌（．109）文件．日誌文件包含仿真過程中 的錯誤、警告和其他信息，如刀軌名稱、仿真開始與結束時間、錯誤和警告的個數等．其中，錯誤和警告部 分包括產生錯誤的刀軌所在行數、刀軌代碼和所用刀具．因此，能夠將錯誤和警告精確地定位到某壹個 程序段． 圖5陷入加工仿真圖 Fig．5 Plunge machining 圖6曲而銑削加工仿真圖 Fig．6 simulation simulation chart diagram of curved surface milling machining 3．2．3加工質量模型對比法虛擬檢驗運用VERICUT的AUTO—DIFF模塊，提出加工質量模型對 比法，以實現高效的虛擬檢驗．該方法將切削仿真後的模型與設計模型進行比較，並自動檢測出它們之 間的區別，完成虛擬檢驗．應用此方法可以迅捷地檢查不正確的切削區域，即欠切或過切．特別需要指出 的是，基於AUTO－DIFF模塊功能的加丁質量模型對比法，還可以被用來檢測設計模型的缺點和錯誤， 以便在實際力lII＿之fj｛f及時糾正所發現的問題． 設計模型由Pro／E中完成並保存為．IGES格式後調入VERICUT．采用AUTO－DIFF的4種比較 方式（實體、表面、點和輪廓比較）中的實體比較，即通過對比，從切削仿真模型中減去實體設計模型，再 通過設置用戶定義的公差水平，可以檢測出過切和欠切材料．圖7（a），（b）為數控代碼修正前後加工結 果示意圖．圖7（a）中的上部區域為欠切材料，右下區域為過切材料．對比圖7（a），（b）可以看到，在圖7 （b）中的工件已無欠切、過切情況發生． 此外，在仿真過程中可以進行交互式的持續過切檢查，仿真速度和質量均不下降．應用此方法不必 壹開始就仿真整個數控程序，當欠切或過切發生時，可以馬上檢測出來．為了鑒別過切，AUTO－DIFF將 萬方數據 華僑大學學報（自然科學版） 2010薤 設計模型嵌入到毛坯材料當中，當刀軌切入設計模型，過切被突出顯示，同時錯誤在信息欄中被報告出 來．報告清單如圖8所示． 從圖8（a）的報告清單中可以看出，在給定精度過切0．02 mlTl、欠切0．25 mm的條件下，切削仿真 後的模型與設計模型比較中出現過切5處，欠切2處（過切用負數表示、欠切用正數表示）．其中，最大 過切偏差0．267 246發生在數控程序seq0002的137 21項記錄中，最大欠切偏差0．276 466發生在數控 程序seq0005的990項記錄中． 報告以列表方式列出錯誤刀軌所在行號、過切或欠切量、刀軌文件名稱、出現錯誤的刀軌文本及所 用刀具號，同時在視圖中零件的相應位置處也會以不同的顏色顯示過切和欠切材料． 通過刀具更換和手工數控程序的修改後多次仿真，比較得到的結果如圖8（b）所示．修正後的報告 清單中顯示無過切、欠切現象，表明加工仿真模型達到了所需加工精度要求，同時也驗證了所提出和采 用的對比法，對設計模刑和仿真加工模型質量進行虛擬檢驗的正確性和可行性． （a）修正前 （b）修正後 （a）原始 圖8報告清單 （b）修正後 圖7欠切與過切示意圖 Fig．7 Schematic diagram of the excess and gouge Fig．8 AUTO－DIFF report 3．2．4刀位軌跡非機動最短路徑優化刀具軌跡的優化，是通過重新計算進給率和主軸轉速，生成壹 個優化的刀具軌跡文件．優化過程中並不改變原有的快速運動和刀軌路線，但是，優化能夠保證刀軌具 有最佳的進給率或主軸轉速，並在最短的時間內生產出高質量的零件． 優化刀具軌跡首先要創建壹個優化刀軌庫文件，其擴展名為．olb．它是壹個針對不同的刀具、工件 材料和切削條件，而建立的進給速度和主軸速度的切削參數庫（www．cgtech．corn）．優化刀軌庫被用來 對刀具軌跡進行優化，從而生成壹個優化了的數控程序文件． 圖9為采用非機動空刀進給方式進行的加工優化．即當刀具不接觸材料時，刀具都以最大進給速 度運行；而接觸材料時，進給不被改變．由圖9加工前後參數的對比情況可以看出，其加工仿真所用的時 間減少了很多． 圖9刀具優化 Fig．9 Tool optimization 萬方數據 第2期 樊啟永，等：Pr0／E和VERICUT虛擬機床建模與仿真 131 4結束語 將Pro／E和VERICUT聯合運用，研究進行虛擬機床建模與仿真優化的方法．在Pro／NC中完成 零件的加工，自動生成加工NC代碼，利用VERICTU對其進行驗證、分析和優化，有效地保證了刀具路 徑精度、零件加工質量和避免機床各組件間幹涉．銑削仿真實例表明，該方法充分運用Pro／E和VERI— CUT各自突出優勢和特點，為實現虛擬機床技術的整體功能，以及更好地應用虛擬制造技術奠定了技 術基礎．
上一篇:陜西省醫療事故處理實施細則下一篇:如果藥物混濁，