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江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘 要船用柴油机的制造技术在我国船舶制造业中起着举足轻重的作用，然而，船用柴油机的制造却滞后于整个造船流程，其中最主要的原因是船用柴油机零件一般结构复杂、制造精度要求高、加工难度大，数控加工程序很容易出错。目前，国内大型柴油机厂在柴油机验证加工还是采用传统的“试切”方式，很容易发生事故，严重阻碍了船用柴油机的生产周期。为此，开发出一套实用、高效的柴油机机架零件数控加工仿真系统，已经成为船用柴油机制造业的当务之急。本文应用VERICUT软件，以DK-26柴油机机架零件加工仿真为实例，开发出一套加工仿真系统。研究内容：建立仿真加工工艺系统，包括虚拟加工机床、夹具、刀具库、毛坯；定义控制系统，实现刀具换刀运动、动力头运动以及其他特殊指令的定义；加工仿真，碰撞检查，验证加工程序。该加工仿真系统实现虚拟制造环境的配置，真实再现了实际的加工过程，检查出试加工程序的错误，保证产品试切成功率和加工安全性，具有很强的应用价值。该加工仿真系统在数控加工领域中的 应用潜力很大，将促进柴油机制造技术的进一步提升。关键词：VERICUT；柴油机机架；加工仿真 I江苏科技大学本科毕业设计（论文）AbstractThe technique of manufacture for ship diesel engine is playing the pivotal role in our country ships manufacturing industry. However, the ship diesel engines manufacture actually lags in the entire shipbuilding flow, the main reason is the ship diesel engine is complex with the components general structure, the manufacture accuracy requirement is high, the processing difficulty is big, the numerical control processing program is very easy to make mistakes. At present, the domestic large-scale diesel engine factories use the “ try to cut”traditional way in the diesel engine confirmed processing, its easy to have the accidents, hinders diesel engines production cycle seriously. Therefore,its criticallyneed to develop a set practical, highly effective diesel engine frame components numerical control processing simulation system for the diesel engine manufacturing industry.This article applies the VERICUT software, takes DK-26 diesel engine frame components processing simulation as the example, develops a set of processing simulation system. Research content: Establishment simulation processing craft system, including hypothesized processing engine bed, fixture, cutting tool storehouse, semifinished materials; The definition of control system, to realize the exchange movement for cutting tools, the power head movement as well as other special instruction definition; The processing simulation, the collision inspects, confirmation processing program. This processing simulation system realizes the hypothesized manufacture environment disposition, has reappeared the actual processing process really, inspects the mistakes in the processing program, to guarantee the Efficiency for product and the processing security, its has a very strong applicational value. This processing simulation system is very big in numerical control processing field, will promote the diesel engine technique of manufacture.Keywords: Vericut; Diesel Frame; Processing simulation目 录第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2 课题的研究现状与发展趋势11.2.1 研究现状概述11.2.2国外研究现状21.2.3国内研究现状31.2.4发展趋势41.3课题研究目标及内容41.3.1 研究目标41.3.2 研究内容51.4本章小结5第二章 系统总体方案设计62.1系统开发的目标分析62.1.1系统设计目标62.1.2系统设计原则和特点62.2柴油机机架零件加工仿真系统的关键技术72.3机架零件加工仿真系统方案设计82.3.1系统的总体结构82.3.2系统的主要功能模块82.4 本章小结9第三章 柴油机机架加工仿真系统详细设计103.1柴油机机架加工仿真系统设计流程103.2构建仿真加工工艺系统113.2.1仿真加工工艺系统运动学建模113.2.2机床几何建模143.2.3夹具建模153.2.4刀具库建模153.2.5毛坯建模203.3定制机架仿真加工系统控制系统213.3.1控制系统定制的意义213.3.2刀具库运动定制233.3.3换刀子程序的定制253.3.4动力头运动定制293.3.5动力头运动子程序定制303.4系统的调试和完善323.5 本章小结33第四章 柴油机机架加工仿真系统的应用344.1系统总体框架与操作流程344.2 NC程序外部检查354.3 NC程序仿真检查364.3.1碰撞干涉检测364.3.2过切、欠切检查374.3.3加工精度测量394.4 加工优化404.5 应用效果414.5.1单工位应用效果414.5.2多工位复合应用效果424.6 本章小结44第五章 柴油机机架加工仿真系统使用说明书455.1系统运行环境455.2系统操作指南455.2.1配置虚拟加工工艺系统455.2.2程序文件的调用465.2.3程序零点设置475.2.4加工仿真475.2.5程序修正475.2.6 生成加工报告485.2.7 输出工件模型49小 结50致 谢51参考文献5234江苏科技大学本科毕业设计（论文） 第一章 绪论1.1课题研究的背景近年来，随着国际船舶市场竞争的日益激烈，世界各大造船企业纷纷采用一切可能的先进制造技术和手段，缩短产品开发时间和生产周期，提高产品质量，降低制造成本，提供技术支持与售后服务，从而来赢得市场与用户。但是，作为船舶的心脏，船用柴油机的设计和制造却一直滞后于整个造船流程，其中最主要的原因是一些关键零件的验证加工还是采用传统的“试切”方式，严重阻碍了船用柴油机的生产周期。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，虽然这些企业已经引进了CAM系统，但由于传统CAM系统的局限性，尚未在复杂零件数控加工仿真中发挥重要作用。船用柴油机的一些关键零件由于其结构复杂，精度和质量要求高，一直是数控加工的“瓶颈”，进而影响整个产品的生产周期。本课题的合作单位某船用柴油机制造企业在数控加工仿真方面起步较晚，很长一段时间数控程序验证都是通过试切件加工、程序试划等方法进行的。然而随着高速加工设备的引进，对加工程序的准确性提出了更高的要求，传统的程序验证方法已无法验证程序的正确性。因此急需构建实用性较强、操作简便的船用柴油机虚拟加工仿真系统。本系统的开发必将提升船用柴油机的制造水平，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。 1.2 课题的研究现状与发展趋势1.2.1 研究现状概述随着NC代码的复杂化及异地离线NC编程，NC代码的错误率也越来越多。零件的数控加工程序在投入实际加工之前必须进行试切，传统的试切方式是采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行的，该过程不仅占用了加工设备的工作时间，需要操作人员在整个加工周期内进行监控；而且小批量、多品种、个性化的混合试切加工严重阻碍了系统柔性的提高，在这种背景下，数控加工仿真应运而生。数控加工仿真方法具有许多无可比拟的优点，是一条行之有效的经济的NC程序验证途径。它将计算机仿真技术引入零件的数控加工当中，采用图形可视化技术，将刀具轨迹或加工成型过程进行直观形象的模拟，使编程人员在计算机上模拟整个数控机床的切削环境和加工过程，不仅可以检查数控代码的有效性，提高编程效率，而且最大可能地减少或避免机床、夹具或刀具碰撞损坏等情况的发生，降低制造成本，缩短产品开发周期，保证产品质量，为验证数控程序的可靠性、实现数控加工的智能化控制创造了有利的条件。另外，数控加工仿真软件还在培训和教育领域应用广泛，对于那些受条件限制，暂时无法实际操作机床的编程人员、机床操作人员或学生来说，加工仿真软件是一种极好的模拟操作工具。根据在仿真过程中的数据驱动是采用CL(Cutter Location，即刀位)数据还是采用NC代码，数控加工仿真可分为两类：一类是基于后置处理前的数据(CL数据)所进行的仿真，即基于CL数据的数控加工过程仿真。另一种是基于后置处理所产生的NC程序而进行的仿真，即基于NC程序的数控加工过程仿真。基于CL数据的仿真不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响，只仿真工件刀具的运动，主要目的是检验刀位轨迹的正确性，以保证零件的加工质量。这类仿真方法开展得比较早，到目前为止己有一些比较成熟的思想和商品化软件。基于NC程序仿真的主要用途则可以概括为三方面：NC程序的正确性检验与优化，操作工培训，碰撞检验。由于驱动数控机床运动的是NC指令，所以基于NC程序的加工过程仿真比基于CL数据的加工过程仿真更接近实际，但也由于在仿真过程中考虑了加工环境，从而增加了仿真难度。1.2.2国外研究现状数控加工仿真一直是国外CAD/CAM技术的一个研究热点。Kawabe等人最早利用刀具轨迹，采用边界表示法来获取刀具加工零件的框架图，因为该方法简单，容易实现，所以被早期大多数的CAD/CAM系统所采用。但是，因为工件形状越来越复杂，刀具轨迹包含的信息量也越来越多，导致图形形状混乱不清，于是仿真研究开始向三维实体仿真算法方向发展，如：Anderson研究了三维碰撞检验算法，Chappel给出了利用向量来分析切削过程的算法，K.K.Wang研究了基于布尔运算的 NC 检验系统，J.H.Oliver提出了直接尺寸检验方法等，Sungurtekin等提出了特定造型设备上的数控仿真系统。由于加工仿真具有诱人的应用前景，促使发达国家对其进行深入研究，并已出现许多成功的应用范例。在北美，已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。主要研究机构有：(1)美国国家标准及技术局(NTST)制造工程实验室；(2)美国 Maryland大学系统研究学院 CIM 实验室；(3)美国伊利诺斯大学芝加哥分校机械系工业虚拟现实研究所。美国Missouri-rolla大学提出的CNC车床的图形仿真，通过二维图形显示刀具轨迹及毛坯随刀具轨迹发生的变化，并在屏幕上给出对应的加工状态。美国Deneb公司推出了数控加工过程仿真软件VNC，利用虚拟制造技术提供了一个真正的三维环境来模拟机床和CNC控制器，进行加工过程的仿真，操作人员可以像操作实际机床一样与虚拟设备交互，评价刀具与参数的配置，预测功率，检查干涉与碰撞等。加拿大WATERLOO大学的机械工程系和集成制造系统管理研究中心也有部分与数控仿真相关的研究项目。在欧洲，英国Bath大学机械工程系用Open Inventor2.0软件工具开发出了基于自己的 Svlis几何造型工具的仿真系统。意大利Bologna 大学用B样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示三轴铣床粗铣加工过程。德国提出的采用Cosima图形仿真系统，能够识别程序中的大部分几种图形错误，从而改善NC编程质量，大大缩短机床上的装机调试时间，并以DECKELDOD加工中心的实体模型模拟加工中心的NC加工过程，既适用于通常的NC加工，也适于柔性制造系统的仿真。在亚洲，也有许多高等院校和企业进行了数控仿真方面的研究。日本SONY公司研制的FREDAM系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查。轴铣床粗铣加工过程。韩国Turbo-TEK公司开发出面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真，并配有声音信息。国外研究起步较早，其研究成果较多，已经掌握核心技术。目前，国外的数控代码检验系统已经发展到了实用化、商品化的阶段，有单独的数控加工仿真软件包，例如：GGTech公司的VERICUT软件包，Cimplex公司的NCV软件包，NCCS公司的IPV软件，SILMA公司的Cimstation软件等等。1.2.3国内研究现状国内近年来也有许多研究者在数控加工仿真领域进行了有益的探索。清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、东北大学、南京航空航天大学等高校的研究团队都在此领域进行了一系列深入的研究。清华大学的肖田元、韩向利等人对数控仿真中的关键问题直线与刀具扫掠体的求交算法进行了研究，并设计与实现了材料去除过程三维动画软件GNCV。西北工业大学的汤幼宁、魏生民等人在独立的Dexel坐标系中构造物体的Dexel模型，通过坐标变换支持观察定义的动态变化，另外采用“移动实例”来近似刀具扫掠体，支持五轴NC加工仿真和验证。哈尔滨工业大学的刘华明教授带领的课题组在复杂曲面离散技术的基础上，开发了一套基于微机的复杂曲面数控加工仿真验证软件包。同时，他们还对刀具扫掠体的生成技术、曲面法矢与刀具扫掠体求交算法、数控加工碰撞检测的高效算法等各仿真关键技术进行了深入的研究。在哈尔滨工业大学袁哲俊等人研制的三轴数控铣削仿真系统中，工件以一种扩充Z-Map数据结构表示，并以等轴投影的方式显示在屏幕上。另外，还提出了一种基于B-rep表示的碰撞干涉检验算法，解决加工仿真中刀具与工作台、夹具的碰撞，刀具过切及碰伤工件加工表面等关键问题。南京航空航天大学在数控加工仿真领域进行了大量的研究和探索。伍铁军等提出了一种数控铣削仿真的切削过程几何表示及真实感图形显示算法，显示效果接近于光线跟踪算法，并在精度验证方面提出了一种局部细分求解的编程精度验证算法，能在不增加细分密度的情况下提高验证精度。1.2.4发展趋势随着计算机图形技术的迅速发展，数控加工仿真技术的研究也正朝着直观化、信息化、智能化的方向发展。 1.直观化：利用计算机软件技术提供的直观可视化的建模方法，使复杂的建模过程得到简化，建立的仿真模型更加直观和逼真。 2.信息化：分布交互式仿真已成为计算机仿真技术的一个重要发展方向，它以计算机网络技术作为支撑，使处在不同地理位置的各个部门利用网络连接起来，实现资源共享，达到节省人力、物力和财力的目的。 3.智能化：人工智能技术在仿真中的应用已经引起仿真领域的普遍关注。人工智能与计算机仿真在学科上的交叉涉及到三个方面：知识库用于建模与仿真，包括利用知识库和专家系统为仿真模型的建立和综合提供咨询服务及用于仿真结果的检验和可信度分析；仿真技术与人工智能技术的结合，即所谓的智能化仿真；仿真模型中知识的表达。1.3课题研究目标及内容1.3.1 研究目标本课题的研究工作旨在实现船用柴油机关键零件数控加工的虚拟建摸与仿真，缩短船用柴油机产品的制造周期。其创新之处就在于研究和建立适用于船用柴油机关键零件的虚拟制造环境，这将为检验数控加工和验证数控程序的正确性提供一种简便可行的方法，避免实际加工过程中的各种异常现象，简化实际加工过程中的监测与诊断设备，提高加工安全性与经济效益，同时可以在短时间内反复比较多种加工方法（应用各种三轴、四轴、五轴机床，各种走刀路径等）的优劣，优化出一个适合企业目前生产要素的最佳加工方案。该课题的研究必将对船用柴油机的设计、制造质量起到极大的保证作用，大大地提升企业在国内外船舶市场的竞争能力。1.3.2 研究内容 某柴油机厂和我校共同承接了柴油机复杂零件虚拟加工系统开发的项目，其中包括建立HMP25L数控龙门镗铣床虚拟加工中心对DK-26机架的加工仿真。在VERICUT中建立虚拟机床的运动学模型和几何模型，按照加工编程的工艺流程建立刀具库，定制控制系统，对数控程序进行模拟，实现刀具对工件的虚拟切削，通过逼真的三维动画实现零件加工过程的可视化仿真，仿真过程中能任意变换视角来观察和检测及早发现加工中存在的问题，进一步完善仿真系统，保证零件加工质量。1.4本章小结本章阐述了关于柴油机机架零件数控加工仿真系统开发这一课题的研究背景、研究现状、研究价值、和发展趋势，本章的内容是开展本课题研究的基础工作，对后续工作的开展具有重要的意义。第二章 系统总体方案设计2.1系统开发的目标分析2.1.1系统设计目标本文从虚拟产品的可加工性角度出发，研究和实现船用柴油机关键零件三维加工仿真系统，最终通过虚拟加工，能够高效、准确地验证数控程序，分析零件的加工质量，保证零件生产的按期完成。具体目标包括：(1)降低生产成本，减少试切材料的浪费，提高机床及刀具寿命。(2)降低时耗，缩短生产周期，提高生产效率。(3)及时反馈错误信息，提高预测数控加工程序和切削过程的可靠性及高效性。2.1.2系统设计原则和特点（1）先进的设计思想：船用柴油机关键零件加工仿真系统以虚拟制造技术为基础，建立计算机模拟产品的综合性开发环境，通过该环境使得设计者在真正加工之前就能模拟地制造出产品，从而达到并增强在产品生产全过程中的及时控制与决策。其意义在于将工业产品制造从过去的依赖于经验的保守方法跃入到全过程预测的崭新方法，填补了CAD/CAM技术与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟。 （2）应用系统的完整性：由于加工仿真系统为UG、Pro/E、MasterCam、CAPP等构件化设计方法，因此可将该系统集成到企业内其他已有的设计、制造一体化信息系统中，构成一个完整的集成体系。（3）高度的模拟预测性：该加工仿真系统具有模拟功能，能根据不同的加工方案，模拟出各种将会发生的结果，因此它可以在短时间内反复比较多种加工方法（应用各种三轴、四轴、五轴机床，各种走刀路径等）的优劣，优化出一个适合企业目前生产要素的最佳加工方案。以上这些特点表明，本章提出的船用柴油机关键零件加工仿真系统是一个完整的体系，是提高船用柴油机制造企业生产效益的有效途径。2.2柴油机机架零件加工仿真系统的关键技术加工过程的动态仿真是整个三维数控仿真的核心，一直是研究的热点。本系统的基本思想是：采用实体造型技术建立加工零件毛坯、机床、夹具及刀具在加工过程中的实体几何模型，然后基于输入的NC程序，将加工零件毛坯与刀具的几何模型进行快速布尔运算，最后采用真实感图形显示技术，把加工过程中的零件模型、机床模型、夹具模型及刀具模型动态地显示出来，模拟零件的实际加工过程。由于本系统是基于数控代码的模拟仿真，所以不仅能检查刀具运动轨迹正确与否，还能判断加工参数选择是否合适，其特点是仿真过程的真实感强，具备与实际试切加工相同的验证效果，而且可以全方位地实时地观察整个加工过程。加工过程仿真的流程如图2.1所示。图2.1 关键零件加工过程仿真流程图利用VERICUT强大的三维动态仿真能力，在NC代码或刀位文件的驱动下，用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，同时显示出刀柄、夹具、机床的运行过程和虚拟的工厂环境。在加工仿真过程中，可连续不断地改变视角，以观察加工过程中加工中心的部件运动、零件和型腔的成型过程，同时检测如下错误：编程不精确 、快速移动时接触工件、错误的走刀路径、与机床工夹具发生碰撞与干涉、超行程等，仿真结果以声、图、表形式多维输出，并将此结果作为零件建模与数控加工工艺设计修改的依据。加工过程仿真模块具体完成的功能如下：(1)机床、刀具、工件、夹具等工艺系统的三维显示；(2)由NC代码驱动刀具和工件，进行加工过程动态仿真；(3)实时反映加工过程和各部件的运动状态；(4)碰撞干涉的检测。2.3机架零件加工仿真系统方案设计2.3.1系统的总体结构根据零件加工仿真系统的目标，确定其总体结构由五大模块构成：工艺系统建模模块、数控加工仿真模块、加工优化模块、系统维护模块、帮助模块。如图2.2所示。图2.2 船用柴油机机架零件加工仿真系统总体逻辑框图2.3.2系统的主要功能模块1. 工艺系统建模模块该模块主要完成某型号柴油机的三维建模与装配，实现柴油机产品设计、装配的三维数字化，除此之外在该模块中完成数字化仿真的模型库，包括CNC机床、加工中心、刀具、毛坯、夹具和数控系统等。2. 数控加工仿真模块该模块在对NC程序进行验证的同时观察虚拟机床的运动，从而进行碰撞干涉检测，过切、欠切检查和加工精度校验。3. 加工优化模块该模块主要用于优化NC程序和切削参数。4. 系统维护该模块主要完成系统备份等操作。包括系统初始化、数据备份、数据导入、数据导出等功能。5. 帮助系统的使用文档。2.4 本章小结根据船用柴油机机架生产特点和企业实际需求，本章提出了船用柴油机机架零件加工仿真系统的设计目标和设计原则，设计了零件加工仿真的原型系统，分析了其中的关键技术，最后论述了该系统的总体结构和主要功能模块。江苏科技大学本科毕业设计（论文） 第三章 柴油机机架加工仿真系统详细设计基于VERICUT的柴油机机架仿真加工系统设计主要包括以下内容：虚拟加工工艺系统的建模，主要包括运动学建模和几何建模；控制系统定制；主要包括刀具库运动的定义和动力头运动的定义；系统的检测和修改完善。下面以HPM25L数控落地镗铣加工中心为例介绍柴油机机架仿真加工系统的详细设计过程。3.1柴油机机架加工仿真系统设计流程要进行NC程序仿真，需要预先构建整个工艺系统的仿真环境，一般过程如下： （1）工艺系统分析，明确机床CNC系统型号、机床结构形式和尺寸、机床运动原理、机床坐标系以及所用到的毛坯、刀具和夹具等； （2）在VERICUT软件中新建用户文件，设置所用CNC系统建立机床运动学模型，即部件树；（3）建立机床几何模型，用VERICUT自带的建模功能建立机床各部件、夹具和刀具实体几何模型；或用三维CAD软件，建立几何模型，并转换成VERICUT软件可用的STL格式；（4）建立刀具库；（5）在部件树中添加机床各部件、夹具和刀具的几何模型，并准确定位；（6）控制系统定制，刀具库运动定义，动力头运动定义； （7）编写、调用调试程序；（8）系统运行检测；（9）修改完善系统；（10）保存系统文件包机架加工仿真系统设计流程图如图3.1所示：图3.1 机架加工仿真系统设计流程图3.2构建仿真加工工艺系统3.2.1仿真加工工艺系统运动学建模数控加工中心各轴的运动是由数控代码或刀位文件驱动相应的伺服系统来实现的，其运动的零部件之间存在明显的主从关系。通过对数控机床运动过程的分析，可知其有以下特点：1）虚拟机床的各运动部件具有一定的运动范围，且运动坐标系符合右手的笛卡儿坐标系；2）每个运动部件只有一种运动类型，多轴数控加工是几个运动部件同时运动的加工过程；3）数控机床的运动轴具有层次的相对运动关系，某一组件运动时会带动其它部件运动；4）由同一段数控程序控制的数控机床各部件的运动同时开始，同时结束，即在相同的时间段内完成。根据虚拟机床的运动特性，我们可以用组件结构关系树来描述其运动学模型。所谓的组件树就是通过定义毛坯、夹具和切削刀具等组件模型，然后像真实加工时实体间的相对连接关系一样，连接各组件、模型到数控机床正确的位置。组件树模型建立的关键是找出目标机床的两条运动链：“工件机架”运动链和“刀具机架”运动链，如图3.2所示。 图 3.2本文按照以下的步骤来建立数控机床的运动模型：(1)定义坐标系处在车间中的机床由部件装配而成，部件由零件组成，可以根据这四层关系建立不同的坐标系：1)部件坐标系(XC YC ZC)：机床上每一个部件有它自己的坐标系，作为该部件的定位和尺寸定量显示。可以通过Model菜单来定义部件或将部件与其他部件相连接。2)模型坐标系(XM YM ZM)：机床上每一个模型有它自己的坐标系，模型之间的连接形成部件，用以表达三维属性。3)机床坐标系(XMC YMC ZMC)：VERICUT的基坐标系或世界坐标系，用于在虚拟环境中定位机床。 4)工件坐标系(XWP YWP ZWP)：该坐标系用于Stock，Fixture和Design部件的连接。它只在工件视图下显示，并且根据仿真环境中机床的不同定义有所区别。(2)建立运动关系树 根据机床装配体中的各个部件的相对运动关系建立运动关系树，相对于机床坐标系不发生位移的零部件定义为静止零部件，反之定义为运动部件。(3)定义运动节点和运动轴 分析机床的运动关系可知，机床加工过程的实现是两条运动链的相互运动形成：“机架刀具”运动链，“机架工件”运动链，它们均由若干个运动副(移动副或转动副)串联而成，每一个发生位移的运动副终点即可定义为运动节点，节点发生运动的直接驱动来源即可定义为运动轴。(4)建立运动轴和运动节点的关系，定义运动节点在运动轴上的极限行程。根据实际机床加工中的性能要求定义运动节点的最大行程，防止在仿真过程中发生运动失效。机床部件树反映的是机床运动关系的组成，是工艺系统仿真的重要环节，正确建立机床部件树必须首先分析机床运动件组成及各运动件间的相互关系，包括并列和附属两种；并列是指两运动件之间运动是相互独立的，附属是指两运动件间存在依附关系，如HMP25L加工中心中Y轴和Z轴之间的关系，Y轴运动则Z轴移动，而Z轴坐标值不发生变化，则称Z轴附属于Y轴。通过阅读HPM25L机床说明书，建立图3.3所示的HPM25L加工中心部件树。图3.3 HPM25L加工中心部件树3.2.2机床几何建模按照功能的分类，数控机床可以分为很多种，外形结构的不同、加工工具的区别使得机床在结构上形态各异、布局多样，所以一般的虚拟机床都是根据不同的类型对机床整体进行变换，这种方式无疑增加了操作人员的工作量，而且不具有通用性。因此，要得出面向不同类型机床的通用建模方法，首先需要分析机床的结构特点，综合机床的共同特性。数控机床在结构上主要有床身、立柱、运动轴和工作台等部件，再配合刀具、夹具和一些辅助部件共同组成。其中床身起到支撑和承载机床部件的作用；立柱在结构上起到了拉开加工刀具和被加工件的空间距离，实现运动轴布局的作用；运动轴分为刀具运动轴和工件运动轴，具体的描述见机床运动链的分解；工作台承载了被加工件，通过夹具等辅助工具的配合，实现工件的定位。结构简单的机床部件可以使用VERICUT自身的建模模块进行建模，而结构复杂的机床部件可以使用其他三维建模软件建模，导成VERICUT最常用的模型文件格式STL类型。在所有部件几何建模完成后，只需将这些部件变换到相应的位置，并实施装配就建立了虚拟机床的几何模型。其中应注意可简化的模型可以简化处理，保证系统运行速度，特别是加工机架这样的特大模型时速度尤为重要。模型添加完后可得到图3.4所示的HPM25L加工中心虚拟加工机床模型：3.2.3夹具建模应用其他三维造型软件的强大造型功能，建立夹具体的各个零件，经过装配将各个零件组装成夹具体部件，并将其保存起来，形成夹具模型库。仿真时，直接从夹具库中调入所需的夹具体，再经平移、旋转等图形变换加载到仿真环境中。如图3.5所示为添加的夹具模型：3.2.4刀具库建模为了能够精确模拟材料移除的过程，VERICUT要求有对切削刀具的描述。VERICUT能够处理所有标准的APT格式的刀具记录，以获得切削刀具的描述。通过VERICUT的刀具管理器(Tool Manager)可以定义刀具，然后保存在刀具库文件中。当非切削的刀柄被定义并且在仿真中被应用，VERICUT就会自动检测刀柄和工件或夹具之间的碰撞。在仿真中用到的切削刀具的概要描述以及每个刀具的加工时间都被写入日志文件(Log file)。当刀具轨迹处理开始时，VERICUT若没有所需要的切削刀具的描述，前一个刀具将被使用。如果一个刀具也没有定义，则VERICUT将自动出现错误提示。根据加工的类型，VERICUT使用两种切削刀具，铣刀(Milling tools)和车刀(Turning tools)，特殊形状的刀具可在UG、PRO/E中建模，然后再导入仿真系统刀具库中。刀具库定制是虚拟加工机床必不可少的一环，难度不大，但工作量大，且比较繁琐，必须建立每把刀的三维形状。通过对工艺文件的分析，整理出表3.6的HPM25L刀具库刀具列表：表3.6 HPM25L数控镗铣床刀具刀号刀长半径名称(或主柄)刃具(接柄)T002345.6409.600BT50-ER32-200弹夹14.7直柄麻花钻T003472.122BT50-ER32-200弹夹8直柄麻花钻T005203.988BT50-ER25-200弹夹Rc3/8丝锥T007249.318BT50-ER32-200弹夹G3/8丝锥T008328.278BT50-ER32-200弹夹15.2直柄麻花钻T009119.177BT50-ER32-80弹夹刻线刀T011305.646BT50-ER32-200弹夹11.7直柄麻花钻T012225.640BT50-TZC90x210单刃小方刀30T013290.072BT50-ER32-200弹夹8H7高速钢铰刀T014253.490BT50-ER32-200弹夹8合金钻头T015257.506BT50-ER32-200弹夹G1/4丝锥T017365.832BT50-ER40-280弹夹G3/4丝锥T018279.661BT50-ER32-200弹夹G1/2丝锥T020170.161SANDVIK120精镗刀T021199.948ISCAR119.5双刃粗镗刀T027200.000SANDVIK275精镗刀T029194.900SANDVIK247.5双刃粗镗刀T031197.988SANDVIK241.6双刃粗镗刀T034389.201BT50-ER16-150弹夹4直柄超长麻花钻T035121.79825精镗刀T036333.784BT50-MTA2-150莫氏刀柄24.5锥柄麻花钻T039175.66920精镗刀T040290.600BT50-ER40-200弹夹19.5直柄硬质合金钻头T041155.526BT50-C32-90强力夹头45倒角刀2040T042174.024侧压刀柄20SANDVIK 14880钻头T043462.124BT50-MTA2-150莫氏刀柄18.9锥柄加长麻花钻T045133.334125.100250*R20成形铣刀T046227.776T048143.260SANDVIK250R245面铣刀T050143.130WALTER200F4033面铣刀T052262.808BT50-ER32-200弹夹M16丝锥T053366.094BT50-ER40-200弹夹ER25-150接加弹夹T054588.130SANDVIK加长侧压式刀柄40x315住友42KDS钻头T055470.330BT50-MAT5-200MTA5-MTA4T056269.495BT50-ER40-200弹夹18直柄硬质合金立铣刀T057621.850BT50 20x120侧压刀柄18枪钻T058230.430150大昭和精镗刀T060210.330205大昭和精镗刀T061256.5907.500BT50-ER32-200弹夹15直柄硬质合金立铣刀T062473.920T063209.4959.962T064273.391T065272.400BT50-ER32-200弹夹Rc1/2丝锥T066452.634T067282.211专用30复合倒角刀T068278.914BT50-ER32-200弹夹14直柄硬质合金钻头T070145.700气缸孔275*15倒角刀T071T072270.412BT50-ER25-200弹夹10.2直柄硬质合金钻头T073303.328BT50-ER32-200弹夹15直柄硬质合金立铣刀T074213.000T075192.000T076280.200BT50-ER32-200弹夹16直柄硬质合金钻头T077298.630BT50-MTA2-150莫氏刀柄T078207.854BT50-ER16-150弹夹4直柄硬质合金钻头T079540.861T080439.000自制刀倒角刀40T081359.850BT50-MTA2-200莫氏刀柄T083223.527T085189.000伊斯卡242精镗刀T087163.10462.500125x15倒角铣刀T090283.963T091282.428BT50-ER32-200弹夹15硬质合金钻头T092314.883山特维克99.5双刃粗镗刀T093206.730T095195.070山特维克204.6双刃粗镗刀T096220.050山特维克118双刃粗镗刀T097169.922山特维克149.5双刃粗镗刀T098254.921山特维克63R390加长柄面铣刀T099351.111T100100.231T102185.280伊斯卡274.5双刃粗镗刀T106223.87880.000T108314.870山特维克89.5双刃粗镗刀T109T110145.400订制倒角刀242*30T111227.640T112T113148.100订制倒角刀248*45T115319.700T116250.520T117310.061山特维克100精镗刀T118485.724T119216.928雷尼绍探头T120附件头专用工具T122690.50014枪钻T130123.826山特维克200R331单面铣刀T133137.652山特维克200R331单面铣刀T134105.350100.000山特维克200N331三面刃铣刀(内侧)与T139是同一把刀T13584.823专用单刃精镗刀210T136T13754.658专用单刃粗镗刀164.5T13856.966专用单刃精镗刀165T139122.940100.030山特维克200N331三面刃铣刀(外侧)与T134是同一把刀T14081.020专用单刃粗镗刀209.5T14180.036山特维克160*10N331三面刃铣刀T142195.000伊斯卡207双刃粗镗刀T150185.080双刃粗镗刀249T15173.797三面刃铣刀200*12T152120.951专用单刃粗镗刀251.5T153120.670专用单刃精镗刀252T154137.752专用单刃粗镗刀199.5T155137.900专用单刃精镗刀200T15642.757三面刃铣刀250*20T157161.841山特维克200三面刃铣刀(外侧)与T157是同一把刀T158146.866山特维克200三面刃铣刀(内侧)与T158是同一把刀如图3.7为用VERICUT创建的虚拟加工中心的刀具库，包上述列表中的所有刀具。图3.7 HPM25L刀具库（部分）3.2.5毛坯建模应用其他三维造型软件的强大造型功能，建立需要加工的毛坯模型，再导入VERICUT中。如图3.8所示为添加的机架毛坯模型由于该机架模型复杂，为了减少电脑的数据计算量，保证后续的加工仿真能顺实现，以及保持模型的基本特征，需要对模型的尺寸精度和切削公差进行合理的设置。设置方法：FilePropertiesTolerance。如图3.9所示为设置毛坯公差的对话框：添加工艺系统各个部分的模型后，完整的机架仿真加工工艺系统的运动学模型和集合模型就建立起来了，如图3.10所示为仿真加工工艺系统的部件树与外观模型：3.3定制机架仿真加工系统控制系统3.3.1控制系统定制的意义随着仿真技术的发展，先进的数控系统不仅向用户编程提供了一般的准备功能和辅助功能，而且为编程提供了扩展数控功能的手段。VERICUT仿真系统的参数编程，应用灵活，形式自由，具备计算机高级语言的表达式、逻辑运算及类似的程序流程，使加工程序简练易懂，实现其他仿真软件难以实现的功能。宏程序还提供了循环语句、分支语句和子程序调用语句，利于编制各种复杂的零件加工程序，减少乃至免除手工编程时进行繁琐的数值计算，以及精简程序量。VERICUT提供了大部分数控厂家的数控系统，可以在这些系统上进行适当开发、定制，使之成为适合实际机床的控制系统，如HPM25L加工中心的FAN16IM系统在VERICUT里没有换刀和换头指令，这些指令都必须由用户自己定制，这也是VERICUT使用的难点内容。目前，大部分数控系统除了具有基本的数控指令功能之外，还为用户提供了便于自己扩展功能的用户宏程序功能。实际数控加工编程中，充分利用CAM软件的功能，配合手工编程如宏程序的应用、代码段及子程序的调用，可以充分提高数控编程的效率，发挥普通数控机床的加工效率和数控系统固有的功能在宏程序中，除通常的NC指令外，还可以使用变量，并可对变量进行数学运算、逻辑运算。由于宏程序利用了变量作为数据进行编程，并且能对变量进行运算，所以利用宏程序能够完善和扩展数控机床的功能，解决一些用常规编程方法无法解决的问题，提高我们的编程效率；同时，在宏程序中也可以使用系统支持的程序分支结构、循环结构，因此，宏程序为扩展和完善数控系统的功能提供了十分灵活有效的处理方法。现代数控系统提供了常用指令、循环功能、子程序调用等强大的编程功能。数控编程是数控加工的关键技术之一。合理地运用数控系统的编程功能编制理想的加工程序，不仅能提高零件的加工质量，还能充分发挥数控机床的功能。在数控加工编程