数控设备都是由加工程序来控制，加工程序的安全性对于设备来说是至关重要的。用CAM软件编程后，为了验证程序的正确性，目前大部分编程人员采用机床试切的方法，如空进给、切削泡沫、试切软材料或木材和采用留量加工等。这些试切方法既费时间，也浪费人力、物力，最危险的是，不能有效及时发现一些潜在的问题和干涉现象，难以提高编程效率和保证产品质量。特别是多轴加工设备昂贵，加工对象成本高，运动形式复杂，如何在安全的前提下，快速高效地加工是必须解决的问题。目前应用于航空航天、汽车和模具制造等行业的Vericut加工仿真软件有效解决了这一问题。利用VERICUT仿真加工，可以消除程序中的错误，如切伤工件、损坏夹具、折断刀具或碰撞机床;可以减少机床地加工时间，减少实际的切削验证，使完美地完成第一个工件成为可能，并减少废品和重复工作;对现代制造业的发展具有重要意义。以下论述如何在VERICUT软件下实现多轴机床的加工仿真，并对其中的关键技术进行介绍。

　　一、仿真机床模型的构建和虚拟装配

　　仿真机床模型是指将实际机床按一定形状抽象尺寸进行描绘，并按照各部件间一定的逻辑结构关系和运动依附关系组合而成的机床抽象模型。该模型应该能真实反映机床各个坐标轴的逻辑关系和运动关系，并能真实再现机床运动轨迹，在CNC程序、数控控制系统和刀具库等的支撑下可以模拟CNC程序运动轨迹，以此检测CNC程序的正确性、合理性，并能检测机床运动方式，尤其是多轴机床空间运动轨迹的正确性。

　　1.机床部件3D模型的构建

　　要建立VERICUT机床模型拓扑结构，必须先了解机床各轴之间的相互运动关系及相关参数。尤其是5轴机床，各组件之间的相对位置关系相对复杂，转动中心之间的偏置、转动中心轴线到主轴轴线的偏置和转动中心到主轴端面的距离，尤其重要，这些参数的正确是否直接影响仿真结果的真实性。拓扑结构建立好后，相应地增加各机床组件模型，如X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴或A轴、床身和主轴等。由于5轴数控机床的干涉和碰撞主要发生在旋转轴、主轴(或刀套)与零件(或夹具)之间，所以组件模型的尺寸大小、坐标位置关系必须与实际机床结构完全相同，作为干涉和碰撞检查的主要依据。而X、Y、Z轴组件模型则做了简化。由于数控机床模型复杂，所以先在Pro/E、NX、Cimatron或者CAXA等通用软件中建立机床运动部件和固定部件的三维实体模型，并转换成VERICUT软件可以识别的STL格式，使用“模型文件”方式导入到VERICUT环境中进行组装。

　　此种方式不受软件限制，可建立任意复杂的机床模型。此外，在VERICUT软件中绘制模型时，应根据装配关系设定好模型坐标系。在机床建模的时候，一般会按照机床的机械零点位置来建立各个机床运动部件的模型，而机床Z轴的机械原点一般在主轴端面。

　　2.虚拟机床装配

　　装配之前，必须将机床各轴之间的依附及装配关系搞清楚，对于多轴机床而言，两个回转轴的位置关系至关重要。图1中分别给出了BC轴和AC轴5轴机床的原理图。

　　BC轴5轴机床：其刀轴方向不动，两个旋转轴均在工作台上。工件加工时随工作台旋转，须考虑装夹承重，能加工的工件尺寸相对比较小一点。AC轴5轴机床：其两个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件。其特点为：主轴摆动，改变刀轴方向灵活。

　然后根据机床各轴间的依附关系，构建机床结构树。

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　　图1多轴机床原理图

通过“组合”方式进行装配，仅需建立表述各轴依附关系的结构树，装配过程使用1个坐标系，各轴坐标原点与机床的机械原点重合，图2所示为：BC轴机床的建立。

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　　图2BC轴机床的建立原理图

若通过设定各轴偏移距离来装配，可在建立结构树的同时，根据装配关系和模型大小来偏移模型坐标系，如图3中AC轴机床的建立。

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　　图3AC轴机床配置结构树

　　使用“模型文件”对话框依次添加各部分模型。若使用“坐标系偏移结构树”，则直接添加模型即可。若使用“各轴依附结构树”，则添加模型的同时，需通过“模型”选项卡中的“位置”、“旋转”和“组合”选项进行模型位置及旋转角度的定义。

如图4所示为模型装配设置对话框，在偏置输入框设置装配后目标模型和移动模型的间距，设置好后，用鼠标在绘图区选取需移动模型的装配表面，并指明其法线方向，再选择目标模型的装配表面及其法线方向。

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 “转台+摆头”5轴机床，由于采用动柱结构，稳定性好，控制精度高，在实际使用机床中具有一定的代表性。如图5所示机床，机床参数为：X轴(1800mm)、Y轴(2100mm)、C轴(-360°～360°)，B轴(0°～+180°)，控制系统为Heindenhain530i。

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　　图5设置程序原点

　　二、机床初始化设置

　　机床参数设定包括机床行程设置、旋转轴正反向设置和控制系统配置等主要方面。

　　1.机床行程设置

　　为更好地模拟实际加工效果，在“机床设定”对话框中，单击“行程极限”标签，用于设置机床各移动部件的行程范围，以便在仿真加工中发现超程现象时进行提示。

　　2.旋转方向设置

　　旋转轴的旋向可能与实际机床旋向存在差异，可通过系统提供的“MDI”方式检测其旋向，然后通过“建模”选项卡中“组件属性”栏，选择“反向”复选框来实现旋向的改变。

　　3.旋转运动设置

　　对于多轴机床而言，旋转轴的旋转方式需根据使用机床情况进行设置。“转台式刀具控制点(RTCP)”下拉式列表框，用于设置刀具旋转时是否需要控制其旋转中心，有“是”和“否”两个选项。在上述两种机床中，C轴可正反

　　360°旋转，可将“C轴旋转台型”旋转角度的衡量方式设置为“EIA(360绝对)”，而将“绝对坐标旋转的旋转方向”设置为“最短的距离”，可避免在C轴连续回转加工时的过切问题。该设置和后处理也有一定关系，应视具体情况而定。

　　4.控制系统配置

　　设置好数控机床的组成和结构后，机床还不能运动。要实现加工运动，还需要给机床配置数控系统。在VERICUT中自带多种控制系统文件，可直接来选取操作系统。依次选择“Setup”→“Control”→“Open”菜单，在软件安装目录下查找“机床库”文件夹，可以选择“VERICUT”系统中的机床库自带的控制文件，选择相应的ctl文件，单击“打开”按钮即可打开控制系统文件。

　　三、仿真前准备

　　1.毛坯设定与装入

　　毛坯的定义方式与机床装配过程类似。制作好毛坯的数字模型，在组件树中选择，在“配置毛坯”窗口中选择“添加模型文件”。设置其放置位置和方向，若有夹具，在组件树选择，在“配置工装”窗口中选择“添加模型文件”，添加到“Fixture.”节点下即可。

　　2.创建刀具库

　　在VERICUT中利用刀具管理模块，可建立适用于所加工工件的刀具库。在组件树中双击选项，弹出“刀具管理器”对话框，选取菜单命令“添加”→“铣刀向导”，系统弹出“铣刀向导…”对话框，设置刀柄和刀片两部分。刀柄的形状先用Pro/E软件建模，并将其转换成STL格式，便于使用时调入和调整位置。刀片在VERICUT中设置，选择相应刀片型号，输入刀片尺寸即可。应注意刀具号应与程序中保持一致。

　　3.加载加工程序

　　在组件树中单击“数控程序”选项，在“配置NC程序”中单击“添加NC程序文件”按钮，选取文件夹中的加工程序，可一次添加多个需要模拟加工的程序。

　　4.设定加工坐标系(对刀)

　　加工坐标系的设定与实际对刀原理相同，主要是确定主轴端面到编程零点的距离。

　　首先选择“Analysis”，“X-Caliper”和“Distance/Angle”，测量类型选择“ModelOrigin”，依次选择主轴模型和工件模型，将获得XYZ三个方向的偏移值。若主轴部件的坐标系位于主轴端面，且工件原点与程序原点重合，所得数据即为对刀值，若在其他位置，所测值需换算到相对位置才可使用。

　　其次，在项目树中单击“G-代码偏置”选项，在下面的“配置G-代码偏置”选项中，将偏置名由“机床零位”改为“程序零点”，寄存器设置为“1”。单击“添加”按钮，“选择从/到定位”(SelectedFrom/ToLocations)的“从”(From)行，“名字”(Name)下拉列表框选择“Tool”;在“到”(To)行，“名字”(Name)下拉列表框选择“Stock”，定义的程序原点如图5所示。最后可通过MDI方式检测加工零点和机床原点是否重合，来检测对刀的正确与否。

　　四、机床验证

　　添加刀具、工装、毛坯、数控程序以及设置程序零点后，单击按钮，开始仿真，如图6所示为AC轴5轴机床加工侧面槽和斜面的实例，图7为BC轴5轴机床加工风罩12个均布扇形槽的实例。

仿真结果能及时发现碰撞及干涉，优化了刀具路径和切削参数，仿真结果与实际加工效果完全吻合，最终取得了满意加工效果。

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　　五、结束语

　　多轴机床的加工仿真，涵盖机床运动学、CAD/CAM技术、后处理、加工刀具及加工工艺等多方面知识。多轴仿真技术在生产实践中有很强的经济性和实用性，有很好的应用前景。本文基于VERICUT软件构建了五轴加工中心的仿真环境，这种基于完整的数控加工工艺系统环境进行的侧面槽和扇形槽的NC加工仿真，比用CAD/CAM软件单纯的刀位文件仿真更真实，更接近实际加工情况，解决了实际加工过程中的过切、欠切，以及刀具、工件与机床部件和夹具的碰撞问题，降低了生产成本，提高了工作效率。