iData_基于VERICUT的五轴数控加工仿真与优化_孙会峰

vericut,

机械 2012年第10期 总第39卷 设计与研究 13

基于VERICUT的五轴数控加工仿真与优化

孙会峰，蔡安江，赵亮，郭师虹

（西安建筑科技大学，陕西 西安 710055）

摘要：虚拟加工平台的构建、数控加工程序的正确性验证及加工过程的仿真与优化及是五轴数控机床实现高效加工的重要基础技术。基于VERICUT数控加工仿真与优化平台，以非正交五轴数控机床DMC70ev为研究对象，构建了数控加工仿真平台；以曲面加工为例，建立了基于恒定体积去除率和恒定切屑厚度的优化设计数学模型，进行了刀位轨迹的优化。应用表明：研究成果实现了五轴数控加工过程仿真及数控加工程序的正确性验证，减少了刀具磨损，提高了加工效率与加工质量，可以较好地提升企业数控加工技术的应用水平、应用质量，推动现代制造技术的发展。 关键词：VERICUT；仿真；NC程序；进给速度；优化

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2012) 10－0013－05

Five-axis nc machining simulation and optimize based on VERICUT

SUN Hui-feng，CAI An-jiang，ZHAO Liang，GUO Shi-hong

( Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China )

Abstract：The supporting technologies of five-axis CNC machine tools are establishing virtual machining platform, correcting NC program and process simulation and optimization, which can make the efficient machining technology come true. Taking non-orthogonal 5-axis CNC machine tools DMC70ev as the object, NC machining simulation platform based on the VERICUT was constructed. Taking surface machining for example, the optical design mathematical model of the constant volume removal rate and constant chip thickness optimum method was established and the tool path optimization was carried out. The research result has realized five-axis process simulation of NC machining and the verification of NC program accuracy, which reduces tool wear, improves the processing efficiency and quality, the application level, quality of NC machining technology for enterprises, and will promote the development of modern manufacturing technology. Key words：VERICUT；virtual machining；NC；feed rate；simulation

五轴数控机床目前以其自动化程度高、柔性好、加工精度高等优点在现代制造领域，尤其是大型与异型复杂零件的高效加工中已得到了广泛应用。但目前，五轴数控机床的使用性能和使用效率的发挥却不尽如人意，仍然存在尚未解决的一些技术应用难题，如刀具干涉、刀具在加工空间的位姿控制、进给速度优化、———————————————

数控加工程序正确性验证等。数控加工仿真[1]是目前用来验证刀具路径及数控加工程序的可靠性、正确性，预测切削过程，代替实际工件的试切，减少数控编程错误的重要解决途径[2]。因此，虚拟加工仿真平台的构建、数控加工程序的正确性验证及加工过程的仿真与优化是五轴数控机床实现高效加工的重要基础技术。

收稿日期：2013－03－01

基金项目：陕西省教育厅产业化项目（2011JG15）；陕西省科学技术研究发展计划项目（2010K09–05）

作者简介：孙会峰（1984－），男，陕西渭南人，硕士研究生，主要研究方向为数控加工技术及制造信息集成等。

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14 设计与研究 机械 2012年第10期 总第39卷

1 基于VERICUT的五轴数控加工仿真

VERICUT是美国CGTech公司开发的一种运行于Windows或Unix平台的先进专业数控加工仿真软件，具有强大的三维加工仿真、验证、优化等功能[3,4]，能够真实地模拟在加工过程中刀具的切削、加工零件、夹具、工作台及机床各轴的运动情况，可以验证和检测数控程序可能存在的碰撞、干涉、过切、欠切、切削参数不合理等问题，同时还可以对数控加工程序进行优化，提高生产效率及零件加工表面质量，缩短产品生产周期[5]，目前已广泛应用于航空、航天、船舶、电子、汽车、机车、模具等企业的多轴数控加工生产。本文以DMC70ev非正交五轴数控机床为研究对象，以曲面加工为例，进行基于VERICUT的五轴数控加工仿真与优化的研究。

构建虚拟加工仿真平台的过程中，建立正确的机床模型是核心。建立机床模型时应注意以下几个方面：①需在机床零位下建立机床，以保证与实际机床一致；②添加组件模型至组件时，当需改变模型的位置和方向，操作对象是模型而不是组件；③区分组件与模型、组件坐标系与模型坐标系之间的关系，注意绝对位置和相对位置；④各个运动轴的相对位置与机床实际的位置保持一致性，特别是旋转轴，其方向和位置与实际机床该轴的方向和位置必须一致。

图1 五轴虚拟加工仿真平台

1.2 基于VERICUT数控加工仿真实例

在构建的五轴虚拟加工仿真平台上，添加零件毛坯及夹具模型，调入加工该零件的NC程序，加载机床数控系统，定制机床参数与结构变量，配置特殊指令等完成仿真加工环境的设置。图2所示为五轴数控仿真加工某曲面第二个工步的瞬间场景，左侧视图显示的是毛坯材料去除的加工过程，右侧视图显示的是数控机床五轴联动加工的运动情况，其构建的虚拟加工平台可方便地观察出刀具是否与夹具或机床部件间发生干涉、碰撞及数控机床各运动轴的实际运动情况，实现了NC程序的正确性验证。仿真加工结束后，通过VERICUT的AUTO–DIFF功能、尺寸测量功能及查看Log文件，检查加工过程中是否存在零件的过切和欠切等工艺问题，实现代替试切的功能。

1.1 构建五轴数控加工仿真平台

构建数控加工仿真平台主要包括建立机床模型、设置机床系统参数、配置机床控制系统和建立刀具库等[6]。DMC70ev是典型的非正交双转台型五轴数控机床，结构较为复杂，是通过工作台旋转的方式实现5轴联动的，X、Y、Z为直线运动轴，B、C轴为旋转轴，B轴在笛卡尔坐标系中为非正交，与Y轴空间夹角为45°，机床的控制系统为Millplus IT V530。本文以VERICUT为平台，通过实际测量获取机床构建几何模型所需尺寸、建立机床组件树、添加机床部件模型至组件，建立了机床模型，并设置机床参数；在调用VERICUT机床控制系统文件“heimplum.ctl”的基础上，根据Millplus IT V530系统程序格式和仿真加工过程的要求，定制该机床专用控制系统文件，建立仿真加工所需的刀具库，实现仿真加工过程，检测实际加工过程中可能出现的干涉、碰撞、超程等工艺问题及工艺优化，构建的五轴虚拟加工仿真平台如图1所示。

2 基于VERICUT的刀位轨迹优化

优化设计是根据最优化原理，寻求最优化

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设计参数、取得一个技术经济指标最佳的工艺设计的一种现代设计方法。基于VERICUT的刀位轨迹优化是通过计算每工步NC程序的切削量，将原来的每工步NC程序划分为多段，每个程序段设定一个最佳的进给速度，创建了更高效更安全的数控程序，但是它并不改变程序的轨迹，所以不会出现错误的加工结果。

2.1.3 确定约束条件

约束条件对设计变量的取值加以约束，一般有不等式和等式约束两种，本文的设计变量需满足以下设计条件：

切削宽度约束： g1（X）＝D–Rw≥0 式中：D为刀具直径。

图2 仿真加工瞬间界面

时间为优化设计目标。定义如下：

T（X）＝T[Ad, Rw, F]T

式中：T（X）为目标函数，要求优化设计后缩短1/3以上的加工时间。

切削深度约束： g2（X）＝ –Ad≥0 式中： 为切削余量。

进给速度约束： g3（X）＝F–Fmin≥0 g4（X）＝Fmax–F≥0

式中：Fmax、Fmin为机床允许的最大、最小进给速度。

2.1 建立优化设计的数学模型

每个设计问题都有具体要求和限制条件，优化设计首先要把设计问题转化为优化设计的数学模型，该模型一般包括设计变量、目标函数和约束条件三个要素。 2.1.1 确定优化设计变量

设计变量是在设计过程中可以进行调整和优选的独立参数，设计变量越多，则设计越复杂，因此在满足设计条件的前提下，应该尽量减少设计参数，切削深度、切削宽度、进给速度是影响切削效率的主要因素，故基于VERICUT的优化设计数学模型中，其优化设计变量如下：

X＝[Ad, Rw, F]T

式中：Ad为切削深度，mm；Rw为切削宽度，mm；F为进给速度，mm/min。 2.1.2 确定目标函数

目标函数是用来评价设计方案优劣的评价指标，一般有单目标和多目标之分，基于VERICUT的优化设计数学模型是在保证加工质量的前提下提高加工效率，因此以缩短加工

2.2 基于VERICUT的优化实例

从上述建立的优化设计模型中可以看出，目标函数和约束条件均为非线性函数，求解较为复杂，而VERICUT的优化模块提供了自动设置优化约束条件，自动计算目标函数即切削加工时间的功能。VERICUT主要提供了两种刀位轨迹优化方法：①恒定体积去除率切削方式优化方法，主要用于粗加工，目的是尽快去除材料，实现在不同的切削条件下，恒定的材料去除量。②恒定切屑厚度方式优化，主要用于半精加工和精加工，切削时通过改变进给速度保持恒定的切屑厚度，提高加工效率、延长刀具寿命和保证加工质量。下面以DMC70ev数控机床加工曲面零件为例，说明基于VERICUT的刀位轨迹优化，该零件加工分为粗精加工两个工步，分别采用两种优化方式进行优化。

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16 设计与研究 机械 2012年第10期 总第39卷 2.2.1 优化过程

基于VERICUT的刀位轨迹优化分为两个步骤：①建立优化刀具库；②调用优化刀具库进行NC程序优化。VERICUT优化刀具库用于设置不同刀具在不同切削情况下的进给速度和主轴转速等优化数据。本文结合现场加工经验并通过对优化参数的不断调整，仿真加工确定了最佳优化参数。图3是第一工步粗加工时采用恒定体积去除率优化的参数设置窗口。其中，切削深度Ad＝1.5 mm，切削宽度Rw＝10 mm，恒定体积去除率Vol＝15000 mm3/min，在该窗口“limit”按钮下设置Fmin、Fmax、最大切削深度和最大材料去除率等约束条件，完成该加工优化参数的设置后，就建立了优化刀具库，调用优化刀具库就可进行该零件曲面加工程序的优化。

许多段落，每个段落根据其稳定切削状态来设定较为合理的进给速度，从而实现了高效加工。NC程序划分段数的多少取决于建立优化刀具库时设置的解析度大小，解析度越小，程序段被划分的越细。

表1 优化前后工时比较（单位：s）

刀具号优化前工时T1优化后工时T2 优化率

T1 355.9561 217.5648 38.9%T2 167.7534 92.3541 44.9%总工时523.7095 309.9189 40.8%

N12 Y0 N13 X124.026

N16 Y0.F925. N17 X5.168F950. N18 X124.026F925. N19 X124.026Y-5.212F500.

N14X124.023Y-172 N20 X124.023Y-172.F475. N15 X0

N16 Y-86. N17 X4. N18 X8. N19 Y-8. N20 X116.026

N21 X118.855F1025. N22 X0.F950. N23 Y-91.375 N24 Y-86.F1625. N25 X4.F850. N26 X8.F550. N27 Y-8.F825. N28 X13.144F850. N29 X116.026F825. N30 X116.026Y-13.2F875.

N21X116.024Y-164 N31 X116.024Y-164.F825.

N32 X110.88F850.

图4 优化前后加工程序对比

图3 “优化刀具库设置”对话

3 总结

构建虚拟加工系统，替代试切，解决NC程序的正确性与加工工艺优化是提升五轴数控机床使用性能与使用效率的重要途径。本文基于VERICUT所构建的五轴数控加工仿真平台，利用VERICUT的优化模型，实现刀位轨迹的优化等研究为复杂曲面的五轴联动数控加工仿真技术提供了指导性方法与参考实例，能够解决生产加工中的工艺问题，减少试切加工，提高加工效率及加工质量。 （下转第49页）

2.2.2 优化结果分析

零件曲面加工程序优化结束后，可以通过状态Status和图表Graphs分析优化结果，同样也可查看log框文件获取优化信息。从表1所示，该零件曲面加工优化后加工时间可节省40.8%，达到了优化目的。将优化前后的程序进行对比，如图4所示，可以发现，优化前NC程序的进给速度在切削过程中是不发生改变的（1000 mm/min），优化后的NC程序被划分为

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机械 2012年第10期 总第39卷 现代管理技术 49

评估模型具有一定的科学性与有效性。

表5 约简后的综合信息表

指标

人员 知识掌握度 出勤率 对自身收获的满意度

（a） （d） （h）

学员1 2 3 3 学员2 1 2 2 学员3 3 3 2 学员4 3 1 2 学员5 2 2 1 学员6 1 1 1 学员7 1 1 2 学员8 3 2 3 学员9 2 2 3

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表6 约简后的综合信息表

人员 综合评估值 人员 综合评估值学员学员6 69.71 学员学员7 75.85 学员学员8 85.125 学员学员9 85.855 学员

5 结论

为了科学有效的评估外包培训项目受训人员培训效果，笔者建立了一套全面系统的受训人员培训效果评估数学模型。首先分析外包培训项目的评估影响因素，通过分析相关文献资料、进行头脑风暴等方式初步构建起一套受训人员培训效果评估指标体系，包括3个基准层（一级）因素和9个指标层（二级）因素；再根据评估指标存在的特点，结合粗糙集理论在中评估中的优势，运用粗糙集理论从初步构建的指标体系中遴选出关键指标集，确定基于粗糙集理论的指标权重，形成综合评估模型；最后，将综合评估模型运用到实际项目中。结果表明，该模型具有一定的科学性和有效性，对企业有效的评估外包培训项目中受训人员培训效果具有一定的参考价值。

（上接第16页）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7614.html