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VERICUT软件构建五轴机床仿真模型的方法及应用作者：王晓勇王晓强来源：《科技创新与应用》2016年第01期摘要：文章以数控仿真软件VERICUT为开发平台，以企业内一台五轴加工机床UCP600为例，探讨了构建五轴机床仿真模型的方法和步骤，并针对典型零件叶轮，进行了数控程序仿真、优化和试切加工，实际验证仿真系统的有效性，提高了企业五轴设备的加工效率和可靠性。
关键词：数控加工；仿真软件；五轴机床1 概述五轴联动加工常用来加工连续、平滑的自由曲面，能够有效提高曲面的加工精度、质量和效率，在加工复杂曲面类零件方面具有很大优势。
但五轴机床加工程序复杂，刀具路径和机床各组成部件的位置关系不直观，在加工过程中，容易发生干涉，碰撞，严重时甚至会损坏机床，造成重大损失。
VERICUT是美国CGTech公司开发的一款数控加工过程仿真软件，具有数控程序验证、机床加工模拟、程序优化等多种功能，尤其适合五轴或车铣复合机床的仿真加工，能避免机床碰撞、消除程序中的错误并优化切削过程，提高加工效率、延长刀具寿命，达到降低加工成本的目的。
文章针对企业一台五轴加工机床UCP600为实施对象，在VERICUT软件上建立机床的仿真模型，进行数控程序的仿真和优化，并在机床上试切加工，取得较好的效果。
2 五轴机床仿真模型的建立机床仿真模型的建立是进行机床仿真的关键。
建立机床仿真模型的一般步骤为：建立机床的运动模型；添加机床各部件几何模型，建立刀具库，配置控制系统等。
2.1 分析机床结构，确定机床运动链UCP600机床属于工作台回转+摆动的五轴加工中心，结构模型如图1所示。
机床工作台可绕A轴和C轴转动，机床刀具安装在主轴上，主轴通过立柱沿Z向运动，立柱连接滑台实现Y向运动，刀具-主轴-Z向立柱-Y向滑台形成了刀具传动链。
毛坯和夹具在工作台上装夹，可绕C轴360°转动，工作台与A轴转台连接，可以绕A轴摆动；A轴转台与X向滑台连接，实现X方向运动，工件-夹具-C轴工作台-A轴转台-X向滑台形成了工件传动链。
五轴联动机床虚拟加工系统构建及仿真验证
张健;霍凤伟;林志超;任宝钢
【期刊名称】《煤矿机械》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】五轴联动机床具有3个直线轴和2个回转轴,能在一次装夹中完成复杂曲面及异形几何特征类零件加工。
实际加工过程中,刀具与工件相对运动复杂,常遇到刀具干涉。
基于此,以五轴联动机床为研究对象,进行机床结构的运动链分析和零部件建模、装配,进而阐述了虚拟加工系统构建方法。
最后以风扇叶轮加工为例,在已构建的系统上进行仿真验证。
结果表明,该系统可以模拟双转台型五轴联动机床实际切削运动过程,可以发现加工过程中可能存在的干涉、碰撞等,对实际生产起到一定的指导作用。
该研究不仅可以为类似五轴数控机床虚拟加工系统构建提供借鉴,而且对提高加工仿真技术及五轴机床应用水平也具有重要的价值。
【总页数】4页(P168-171)
【作者】张健;霍凤伟;林志超;任宝钢
【作者单位】营口理工学院机械与动力工程学院;通用技术集团沈阳机床有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG659
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VERICUT五轴联动数控机床模型建立及加工仿真通过对Mikron_Ucp800五轴数控机床坐标系和运动特征的分析，使用Creo软件的CAD模块建立机床中的部件和被加工工件的虚拟几何模型并输出STL模型，接着让VERICUT 系统可以直接读入机床组件和被加工工件模型资料进入系统，完成机床在VERICUT中的虚拟建模。
然后对机床组件模型、工件模型、NC程序、刀具资料及工作坐标系等资料进行整合，对后处理程序产生五轴加工程序进行仿真验证，证明了后处理程序的正确性。
一、引言近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。
鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。
首先，由Creo没计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM软件设计五轴加工NC代码，然后再通过VERICUT仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM软件和VERICUT软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。
二、建模仿真用的机床各部件1.机床结构该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、y、Z、A和C轴，是一款A轴绕X轴旋转，C 轴绕Z轴旋转的五轴加工中心。
各轴行程如下：X轴行程800mm，Y轴650mm，Z轴500mm，A轴-100°-120°，C轴0-360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT中的坐标系原点，如图1所示。
基于VERICUT五轴数控机床虚拟样机建模与数控仿真曹剑;李立军;白广华【摘要】以DMU50五轴数控机床为研究对象,通过UG10.0的CAD建模模块建立该虚拟机床和被加工工件模型,并导出各组件STL格式文件至VERICUT8.0中,完成虚拟样机在VERICUT中的建模.对建立好的虚拟样机进行参数设置,调用UG10.0后置处理数控程序,完成VERICUT五轴数控虚拟样机建模和仿真.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】4页(P29-31,33)【关键词】VERICUT;虚拟机床;建模;数控仿真【作者】曹剑;李立军;白广华【作者单位】三峡大学机械与动力学院,宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,宜昌 443002【正文语种】中文近几年，随着各行业对零件精度要求越来越高，使得五轴数控加工越来越重要。
五轴数控机床具有自由度大、精度高且承受碰撞能力低等特点，因此五轴数控机床在执行切削加工之前，必须进行切削模拟仿真加工[1]。
通过VERICUT软件中的建模和仿真模块，为实验提高了一个虚拟加工环境，通过向软件UG输出刀位点，程序进行后置处理，并将处理后的参数信息导入到以实验室数控机床模拟程序中，建立相应虚拟机床运动模型，从而显示五轴数控机床工作过程中过切、干涉、超行程、撞刀等状况，即可根据出现的状况对参数进行修改和优化，最后得出最优加工程序，将得到的最优程序运用到实际机床上，能够有效提升机床加工生产效率及安全性[2]。
1 机床建模五轴机床虚拟建模包括三个步骤：第一，通过UG软件对机床当中各个零部件进行三维立体建模，然后导出三维实体零件STL模型；第二，在软件VERICUT8.0建立好各个零部件之间拓扑关系，然后将建立好的STL模型导入软件；第三，选择与实际机床配套的数控系统，通过之前建立好的拓扑关系，完成五轴虚拟机床建模。
2012年12月第40卷第23期机床与液压MACHINE TOOL ＆HYDRAULICS Dec.2012Vol.40No.23DOI ：10．3969/j.issn.1001－3881.2012.23.035收稿日期：2011－11－11基金项目：湖北省教育厅自然科学研究项目（D2*******）；三峡大学研究生科研创新基金资助项目（2011CX031）作者简介：姜雨（1988—），硕士研究生，研究方向为非金属材料高速加工。
E －mail ：jiangyuhb@ 。
工作台回转式五轴数控机床虚拟样机建模与数控仿真姜雨，李立军，丁明(三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌443002)摘要：以工作台回转式五轴数控机床为研究对象，通过UG 的CAD 模块建立该机床和被加工件的虚拟模型并输出各组件的STL 模型，再导入VERICUT 中，完成机床在VERICUT 中的虚拟建模。
对建立好的虚拟模型进行设置，调用数控程序完成工作台回转式五轴数控虚拟样机的建模和仿真。
关键词：虚拟机床；建模；数控仿真；UG ；VERICUT 中图分类号：TG659文献标识码：A文章编号：1001－3881（2012）23－132－4Modeling and Simulation of Five-axis NC Rotary Table Virtual Prototype MachineJIANG Yu ，LI Lijun ，DING Ming（College of Mechanical and Material Engineering ，China Three Gorges University ，Yichang Hubei 443002，China ）Abstract ：Taking five-axis machine tool with rotary table as the research subject ，through the CAD module of UG ，the STL mod-els of machine tool and the parts to be machined were built．Then they were transfered into VERICUT to complete the virtual model of the machine tool．Making a series of setting for the established virtual model ，the NC programs were called to complete the modeling and simulation of five-axis NC rotary table virtual prototype machine．Keywords ：Virtual machine ；Modeling ；NC simulation ；UG ；VERICUT在20世纪90年代中后期随着虚拟制造的发展，虚拟机床技术作为一项新的技术被提出。
通过虚拟机床的建模和仿真来确定机床的设计参数和机床的结构形式的可行性，是虚拟机床的一大功能。
另外通过虚拟机床的建模和仿真，提供一个虚拟加工环境，将CAD 软件生成的程序调入相对于实际生产所用机床建立的虚拟机床中进行虚拟加工，可以检测出程序中的干涉、过切、超行程等缺陷，以便对程序进行修改，优化；将优化后的程序再次调入虚拟机床中进行仿真检测，直到得到最优的加工程序。
以最优的程序直接在实际的机床中加工，这样就大大提高了生产效率，减少机床的占有率，提高机床的安全性［1－2］。
五轴数控加工中，1台机床有5个坐标轴，即3个直线坐标系和2个旋转坐标系。
这5个坐标轴，可在计算机控制下联合工作。
根据旋转轴的组合形式来分，有双转台式、双摆头式、转台加上摆头式3种形式（图1）［3］。
文中所研究的机床是典型的工作台回转式五轴数控机床。
图1五轴数控机床的分类1虚拟建模虚拟机床的建模包括两个部分：首先在UG 中建立机床各个部件的三维实体模型，并导出每个零件的STL 模型；其次还需在VERICUT 中建立各个组件的拓扑关系，调用数控系统，并导入从UG 中导出的STL 模型，完成虚拟机床的建模。
1.1UG 建模使用UG 的CAD 模块，根据五轴机床各零部件的实际尺寸，建立五轴机床各零部件的虚拟模型，并按实际机床的结构形式进行装配（图2）。
按装配关系导出每个零部件的STL 模型文件。
该机床由机床z 轴向移动滑块1、机床x 轴向移动滑块2、机床y 轴向移动滑块3、旋转工作台4、摇摆工作台5、机床底座6等组成。
图2五轴加工中心1.2VERICUT 建模在VERICUT 中的建模包括建立虚拟机床所需的控制系统、建立虚拟机床组件间的组件树以及通过组件树导入各组件的三维模型。
1.2.1控制系统的选择为该五轴数控机床选择hei530数控系统，这个数控系统包含在VERICUT 的数控系统库［4］中，只需在其中调用即可。
1.2.2虚拟机床组件树的建立文中研究的工作台回转式五轴联动机床的3个直线轴是为一体运行的：首先x 、z 轴的移动以y 轴的移动为基础，即y 轴移动，粘附在其上的x 、z 轴跟着运动；其次z 轴是在x 轴的基础上移动的；再者主轴是粘附在z 轴上的，主轴的末端装有刀具。
机床的两个旋转轴的旋转运动相对直线轴移动是独立的，其中A 轴绕x 轴旋转，C 轴绕z 轴旋转，而C 轴的运动是以A 轴的运动为基础的；在C 轴回转工作台上装有夹具和被加工件。
此外机床的直线轴的移动和旋转轴的旋转都是相对于机床的基座进行的。
因此该机床的组件树如图3所示。
图3虚拟机床组件树1.2.3模型的导入为了让各个组件在VERICUT 中用三维实体尺寸，先使用UG 的CAD 模块建立数控机床的三维模型，将建立好的模型转换成STL 格式，再通过虚拟机床的组件树导入VERICUT 中。
得到的虚拟样机模型如图4所示。
图4VERICUT 中虚拟机床2虚拟机床数控仿真虚拟机床数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。
该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态地逼真再现，方便设计工作者直观的交流和分析；通过数控仿真检测程序的正确性和机床设计的合理性，有效解决数控设备的昂贵和危险性［5］。
2.1机床设置在完成了虚拟机床的建模之后，要对虚拟机床进行仿真，还需要对虚拟机床进行一系列的设置，虚拟机床才能按程序正确地运行，并在机床仿真过程中检测出干涉等错误。
这些设置主要包括机床的初始位置的设置、坐标系的设置、机床运行干涉和超行程检测设置。
2.1.1机床初始位置设置·331·第23期姜雨等：工作台回转式五轴数控机床虚拟样机建模与数控仿真对于立式铣床，机床的初始位置一般为机床坐标系原点往z 轴方向偏移z 轴正方向最大行程［6］。
文中所研究的机床在z 轴正方向上的最大行程为300mm ，所以机床的初始位置为（0，0，300）。
2.1.2加工坐标的设置在数控加工中，影响刀轨的主要是机床坐标系和工件坐标系。
该机床的坐标系原点定为立式铣床旋转工作台的旋转轴线和摇摆工作台的旋转轴线的交点。
工件坐标系在编制数控程序时已经确定，所以要根据数控程序来设置数控机床仿真过程中的工件坐标系。
为了避免加工坐标系和机床坐标系不重合而要对控制系统进行修改，在程序的编制过程中选取的工件零点就是工件装配好后与机床零点的重合点，即工作台旋转中心，这样机床坐标系与工件坐标系重合，旋转时刀具旋转轨迹就不会存在偏差。
由于只有一个工件，所以工件坐标系原点就是程序零点，机床坐标系的定义只需定义程序零点即可（见图5）。
图5程序原点设置完成2.1.3虚拟机床干涉检测设置该机床可能出现的干涉有刀具和夹具、主轴和工件、刀具和工件、刀具和A 轴组件（摇摆工作台）、z 轴组件和A 轴组件、z 轴组件和机床基座。
经过机床的干涉检测设置，在两组件相距1mm 时就会提示干涉，方便根据仿真结果修改机床机构、参数或程序，见图6。
图6干涉检测设置2.1.4虚拟机床行程设定实际机床的行程是设定好的，在机床运行过程中，不允许有超行程的情况发生，所以在虚拟机床的仿真过程中，应该设定虚拟机床的行程。
2.2刀具库的建立刀具是机床加工中的一种重要工具。
VERICUT 仿真加工前，应首先建立刀具库文件。
VERICUT 刀具库包含刀具切削部分、刀杆和刀具夹持部分等信息。
图7为刀具的设置界面。
图7刀具的设置2.3添加数控程序及仿真（1）添加数控程序。
VERICUT 支持多种数控程序文件的仿真，主要有APT 代码刀具轨迹文件和G 代码数控程序，一般是通过其他CAM 软件生成数控程序，然后导入VERICUT 中［7］。
添加的数控程序如图8所示。
图8数控程序图9毛坯（2）添加毛坯。
毛坯是被加工件加工前的原料，也可指成品未完成前的那一部分。
毛坯相当于机床的一个组件，可以先在UG 中建立模型，并装配到机床模型中，然后导出毛坯的STL 模型。
毛坯·431·机床与液压第40卷模型如图9所示。
3仿真结果所有的设置完成之后就可以对机床进行仿真［8］。
VERICUT 系统在进行仿真加工时将显示界面分为两个视图，左侧视图设置为“机床/切削模型”，用来观察机床运行中各轴的运动情况，是否发生碰撞或超行程情况。
右边视图设置为“制件”，可以更清楚展现毛坯材料的去除细节。
重置机床模型后点击“放送至末端”按钮开始仿真。
仿真完成结果如图10所示。
图10仿真结果根据仿真结果可知：机床在仿真过程中能按程序加工工件，但在加工过程中在z 轴方向出现了超行程现象，如图11所示。
图11错误检测报告根据虚拟机床的建模和仿真可知，程序运行到L21、L22时，机床在z 轴上有较大的波动，超出了机床的行程。
主要原因是CAD 软件自动生成的数控程序超出了机床的行程。
可以把这两行程序的直线轴定位位置改在机床的行程范围内，让机床在行程内完成对主轴转速、旋转轴的定位等设置。
将修改后的程序再次导入虚拟机床中，重置机床和毛坯，再次进行仿真检测。
修改后的仿真结果如图12所示，程序正确无误，可以投入实际的生产。
图12修改程序后仿真结果(下转第154页)·531·第23期姜雨等：工作台回转式五轴数控机床虚拟样机建模与数控仿真ω2=1.2252rad /s 。
代入式（2），得回转装置损失的能量为E =24.72kJ 。
回转装置制动时制动能与液压蓄能器所回收能量的特性曲线如图9所示。
制动能量回收效率定义为蓄能器回收能量与回转装置制动能量变化值之比。
所以，制动能量回收效率为η=E acc E =17.3024.72ˑ100%=70.0%蓄能器在t =3.5 4s 放液，此过程由蓄能器单独驱动液压马达回转，由图10知，蓄能器所做的功为12.6kJ ，所以，液压能的利用率为72.83%，利用率较高。
