五轴机床的三维建模和运动仿真

李庆婷++王宽

摘 要：为改变加工模式，提高零件加工精度，完成复杂型面加工，加工中心由传统的三轴加工向五轴加工转变。使用五轴机床加工，要了解五轴机床各部件的三维建模过程和特点。为完成零件的形状加工，运动的仿真尤为重要。

关键词：五轴机床；三维建模；运动仿真

0 引言

五轴加工的建模和运动仿真一般应用在较复杂的曲面加工技术上，如大型船用螺旋桨。五轴机床加工中心采用了直流电动机、高速旋转电主轴，结合了机电、通信的优势。一台机器就可以对付各类加工模式，这是未来“加工中心”全能设备的体现，将能成为真正实用意义上的加工中心。

1 五轴机床的概述和优势

1.1 五轴机床

五轴联动机床是在传统三个线性坐标（X，Y，Z）轴的基础上增加两个可旋转坐标轴，工件一次夹装即可以对五个面的同时加工，也可以完成复杂空间曲面的高精度加工[1]。五轴机床通常有三种结构：（1）单转台单摆头五轴联动机床；（2）双转台结构五轴联动机床；（3）双摆头五轴联动机床。

1.2 五轴机床的优势

（1）适应范围广 程序是可编写式的，因此当加工不同零件时，只需改变程序，不改动其他设备。（2）加工效率高 数控设备加工时可采用较大的切削量，能缩短零件加工所需要的时间。（3）产品有稳定的加工精度，提高了加工质量。（4）劳动强度较低 数控设备的自动化程度高，无需工人进行繁重的作业操作。

2 五轴机床的三维建模

对于vericut软件，由于软件本身带有三维建模的功能，能创建方块、圆柱、旋转面轮廓等模型，但是这些只能创建一些简单的机床，对于五轴机床，由于结构形式的复杂性，采用vericut创建不能实现，需要在Proe中创建机床模型，然后在导入到vericut中。在vericut中机床部件一般都是相对于机床坐标系创建的。在Proe的机床模型上创建合适的坐标系，将会降低导入过程可能出现的仿真模型的错误。还应该注意在Proe中创建完模型之后，保存文件的格式，应该是vericut能够识别的格式。

2.1 新建一个项目文件

选择“文件”-“新项目”-“毫米”，写入你要建立的文件的名字。根据加工的仿真要求，在项目树文件中对项目树写的各项，如数控系统、坐标系统、加工刀具等进行相应的设置。

2.2 定义机床运动构件

（1）定义Base部件。由于底座已经在Proe中画好了，只需要导入到VERICUT软件就可以了。首先在菜单栏中点击显示机床组件按钮，则所有的节点就显示在项目树中了。然后在Base（0，0，0）节点，点击鼠标右键，选择“添加模型”，选择“模型文件”，然后导出已画底座模型。（2）右击Base，点击添加X线性轴-在“位置”文本中定义X轴零点。在X轴上，右击添加Y线性轴-在“位置”文本中定义Y轴零点。（3）跟 X线性轴并行的位置，定义线性Z轴-在“位置”文本中定义Z轴零点。（4）定义B旋转轴。在Y轴下，右击添加B旋转轴（Spindle），在“快速速度”中定义B速度。然后添加模型。右击B旋转轴，点击主轴，定义模型，完成操作。定义C旋转轴。在Z轴节点下添加C轴，（5）定义Tool轴。在Spindle轴节点下添加Tool轴。（6）移动“附属”组件。在“附属”右击选择剪切，粘贴在C轴下。按照上述步骤定义完成主要机床部件。调入各轴组件之前，为使装配位置不变，在添加轴组件模型时让其向方向移动相同的距离。

2.3 机床配置

在机床运动结构定义完成后，需要进行机床初始化设置。打开“配置”-“机床设定”命令，弹出机床设定对话框。

（1）加载机床文件：选择配置--机床--打开机床文件命令，选择在Proe中画好的模型的存储位置，就可以把画好的机床模型导入vericut里面了。（2）控制系统的导入：配置-控制--打开控制文件，也可以在项目树中“控制”节点下打开“机床库”，在文件列表框中选择“hei530.ctl”便将此系统加载到机床文件中（3）安装圆形毛坯：在组件树中选stock（0，0，0），在添加模型中，选择圆柱。然后在“配置模型”对话框中，选择“模型”，进而输入圆柱的高、半径。（4）新建刀具：在项目树中双击“加工刀具”选项，弹出“刀具管理器”对话框，然后选取“添加”--“铣刀向导”对话框。由于一把完整的铣刀是由刀夹、引伸、切刀三部分组成，设置完刀具之后，要进行刀夹的设置，根据提示，完成一系列的刀具设置。（5）加工程序导入：在项目树中，双击”数控程序”，在“配置NC程序”添加“NC程序文件”按钮，然后根据提示选择，根据编写的加工工艺过程添加的相应加工程序。（6）G代码偏置：在项目树中双击“G代码偏置”，将偏置名由“机床零点”改为“工作偏置”，将寄存器中的值由“1”改为“54”，单击“添加”按钮，完成 G代码的添加。

2.4 碰撞干涉检查的设定

（1）确定已选中的“开机床仿真”复选框。在碰撞检测标签中，选中“碰撞检测”复选框。在“忽略在切刀和毛料间的碰撞”下拉列表框中选择否。在“碰撞间隙文本框”中输入2.0。（2）在机床设定对话框中，单击“表”标签，单击“添加”按钮。在“位置名”下拉列表框中选择初始机床位置。在“子系统”名下拉列表框中选择1。在“值”文本框（3）在机床设定对话框中，单击行程极限标签，选中超程错误复选框。

2.5 加工仿真

利用Vericut对叶轮零件进行加工仿真。在仿真之前，通过面板设定碰撞检查和行程检查值，结合信息栏对仿真进行分析和检测[2]。

3 结束语

本文对五轴机床的发展做了简单阐述，提出了五轴机床的概念，对比出了五轴机床的独特地位和优势。另外，还整理出五轴机床建模和仿真的开发思路和研发成果。该五轴机床以其方便快捷和强大的功能获得了一致好评。

参考文献：

[1]何志伟.数控加工过程建模和仿真的研究与应用[J].组合机床与自动加工技术，2004（03）：5-7.

[2]张健，唐清春，马仲亮等.某离心式压气机叶轮加工工艺的分析[J].汽轮机技术.2013，55（03）：238-240.

作者简介：李庆婷（1989-），女，山东滕州人，研究生在读，研究方向：五轴后置处理。endprint