基于VERICUT的虚拟机床建模技术研究

　　一、虚拟机床的建模技术

　　欲进行程序的仿真，首要问题是构建仿真平台，方便而准确地建立实际机床的仿真模型是实现加工仿真的保证。对于虚拟机床建模，常用的有两种方法：一种是通过高级语言编程借助OpenGL三维图形引擎功能实现机床几何建模和运动仿真。另一种是通过CAD软件建立虚拟机床几何建模或直接利用虚拟制造软件来实现，例如VERICUT等。在虚拟制造软件中，一般均由厂家配置了常见机床的控制系统，可直接调用，这样不仅可以免去编程建立机床几何模型的麻烦，而且还免去用编程来设置各数控指令的含义及运动方式，所以更为方便快捷。运用VERICUT进行虚拟机床建模要将几何建模和运动学建模结合起来，其流程如下。

　　(1)准备工作。明确机床CNC系统型号、机床结构形式和尺寸、机床各轴运动方式与行程、机床坐标系统以及所用到的毛坯、刀具和夹具等。

　　(2)机床构建。软件中提供了常见的几种机床模型可供调用，但一般来说不能满足需求。此时用户需自己构建机床。1)运动学建模：确定各运动轴的分配关系;2)几何建模：机床运动结构模型抽取和各部件坐标系关系确定、CAD模型的创建及输出。

　　(3)机床控制系统配置。软件本身提供了几十种控制系统，用户可以根据实际使用的机床系统进行选择，非常方便灵活。如果控制系统不存在，也可自行定制控制系统。 本论文所采用的虚拟铣床原型机是ZXK-32D型数控铣床，该机床的外形如图1所示。其主要结构参数如表所示。

　　二、建立机床组建树及几何模型建立

　　根据ZXD-32D型铣床的结构，先用Pro/ENGINEER将数控铣床模型绘制出来。其结构包括床身基体、左右运动部件X 轴、前后运动部件Y 轴、上下运动部件Z 轴和主轴部件等几个部分，并且将所有完成的模块零件转存为STL形式的文件。机床在VERICUT的定义具体步骤如下。

　　(1)启动VERICUT。开启“文件”→“新项目”→“毫米”，进入到“stock”制件界面。单击 “组件树”，弹出如图2所示的“组件树”对话框。

　　(2)铣床床身造型的建立。在“组件树”对话框中，选中Base组件作为机床床身，单击鼠标右键，选择“组件属性”，在“造型”对话框中选择“模型文件”类型，并且导入在Pro/ENGINEER中已完成的床身建模文件，点击“添加”按钮，如图3所示。完成床身Base组件建立，如图4所示。

　　(3 )铣床Z 轴造型的建立。首先构建Z 轴。由于Z 轴和Base之间是直接关联，所以要在“Base”中右键，然后选择“添附”→“Z线性”，如图5所示生成ZLinear。并依照前面Base的构建方法，同样导入相应的建模文件，并且在“造型”对话框中将“位置”里的“移 动”数值设定成(0 0 200)，如图6所示，完成Z 轴组件模型建立。

　　(4)构建铣床主轴。主轴和Z轴为直接关联。在“组建树”中右键选择“Z(0，0，0)”→“添附”→“Spindle”。由于在Pro/ENGINEER 的建模中是将主轴直接画在Z 轴上，所以 这里不需要在主轴上添加任何组件。如图7所示。

　　(5)铣床Y 轴造型的建立。同样先构建Y 轴。Y 轴也是和Base直接关联。同理，在“Base(0，0，0)”中右键然后选择“添附”→“Y线性”。如图8所示。右键“Y(0，0，0)”，通过“组件属性”，在“造型”中的“模型文件”中导入前后运动部件Y 轴模块的建模文件。模块之间的空间相对位置已在Pro/ENGINEER建模过程中计算并设定完成，定位相对于起点的坐标不需要再次改动。点击“模型”选项中的“添加”，完成Y 轴模型的构建。如图9所示。

　　(6)铣床X轴模型的建立。这里需要注意的是和X轴直接关联的是Y 轴。在“组件树”中的“Y(0，0，0)”下“添附” 内选择“X线性”。在“组件树”内生成XLinear，如图10所示。再按前面介绍的步骤将左右运动部件X轴模块的建模文件导入，完成X轴模型的构建。如图11所示。

　　(7)夹具(Fixture)的建构。可以直接用鼠标拖动Fixture组件到X 轴组件下，通过同样方法把Stock、Design组件拖动到Fixture组件下，这样就完成了从机床床身到毛坯之间的组件建立。再 将已建成的夹具，毛坯建模文件一一对应导入。如图12所示。

　　(8)刀具组件的构建。刀具和主轴之间关联，在主轴下“添附”一个“Tool”。

　　(9)机床外壳的构建。在“Base(0，0，0)”中的“组件属性”中调入 机床外壳建模文件，完成铣床在VERICUT系 统中的实体结构模型建立。如图13所示。

　　三、结论

　　本文以三轴的数控铣床建模为例，提出了利用VERICUT软件进行虚拟数控机床建模的基本方法和关键技术，为数控机床的虚拟制造奠定了重要基础。该方法对于在VERICUT环境下，建立其他类型的机床模型具有指导性意义。