一、虛擬機床的建模技術(shù)

　　欲進行程序的仿真，首要問題是構(gòu)建仿真平臺，方便而準確地建立實際機床的仿真模型是實現(xiàn)加工仿真的保證。對于虛擬機床建模，常用的有兩種方法：一種是通過高級語言編程借助OpenGL三維圖形引擎功能實現(xiàn)機床幾何建模和運動仿真。另一種是通過CAD軟件建立虛擬機床幾何建模或直接利用虛擬制造軟件來實現(xiàn)，例如VERICUT等。在虛擬制造軟件中，一般均由廠家配置了常見機床的控制系統(tǒng)，可直接調(diào)用，這樣不僅可以免去編程建立機床幾何模型的麻煩，而且還免去用編程來設(shè)置各數(shù)控指令的含義及運動方式，所以更為方便快捷。運用VERICUT進行虛擬機床建模要將幾何建模和運動學建模結(jié)合起來，其流程如下。

　　(1)準備工作。明確機床CNC系統(tǒng)型號、機床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機床各軸運動方式與行程、機床坐標系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具和夾具等。

　　(2)機床構(gòu)建。軟件中提供了常見的幾種機床模型可供調(diào)用，但一般來說不能滿足需求。此時用戶需自己構(gòu)建機床。1)運動學建模：確定各運動軸的分配關(guān)系;2)幾何建模：機床運動結(jié)構(gòu)模型抽取和各部件坐標系關(guān)系確定、CAD模型的創(chuàng)建及輸出。

　　(3)機床控制系統(tǒng)配置。軟件本身提供了幾十種控制系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)實際使用的機床系統(tǒng)進行選擇，非常方便靈活。如果控制系統(tǒng)不存在，也可自行定制控制系統(tǒng)。 本論文所采用的虛擬銑床原型機是ZXK-32D型數(shù)控銑床，該機床的外形如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表所示。

　　二、建立機床組建樹及幾何模型建立

　　根據(jù)ZXD-32D型銑床的結(jié)構(gòu)，先用Pro/ENGINEER將數(shù)控銑床模型繪制出來。其結(jié)構(gòu)包括床身基體、左右運動部件X 軸、前后運動部件Y 軸、上下運動部件Z 軸和主軸部件等幾個部分，并且將所有完成的模塊零件轉(zhuǎn)存為STL形式的文件。機床在VERICUT的定義具體步驟如下。

　　(1)啟動VERICUT。開啟“文件”→“新項目”→“毫米”，進入到“stock”制件界面。單擊 “組件樹”，彈出如圖2所示的“組件樹”對話框。

　　(2)銑床床身造型的建立。在“組件樹”對話框中，選中Base組件作為機床床身，單擊鼠標右鍵，選擇“組件屬性”，在“造型”對話框中選擇“模型文件”類型，并且導(dǎo)入在Pro/ENGINEER中已完成的床身建模文件，點擊“添加”按鈕，如圖3所示。完成床身Base組件建立，如圖4所示。

　　(3 )銑床Z 軸造型的建立。首先構(gòu)建Z 軸。由于Z 軸和Base之間是直接關(guān)聯(lián)，所以要在“Base”中右鍵，然后選擇“添附”→“Z線性”，如圖5所示生成ZLinear。并依照前面Base的構(gòu)建方法，同樣導(dǎo)入相應(yīng)的建模文件，并且在“造型”對話框中將“位置”里的“移 動”數(shù)值設(shè)定成(0 0 200)，如圖6所示，完成Z 軸組件模型建立。

　　(4)構(gòu)建銑床主軸。主軸和Z軸為直接關(guān)聯(lián)。在“組建樹”中右鍵選擇“Z(0，0，0)”→“添附”→“Spindle”。由于在Pro/ENGINEER 的建模中是將主軸直接畫在Z 軸上，所以 這里不需要在主軸上添加任何組件。如圖7所示。

　　(5)銑床Y 軸造型的建立。同樣先構(gòu)建Y 軸。Y 軸也是和Base直接關(guān)聯(lián)。同理，在“Base(0，0，0)”中右鍵然后選擇“添附”→“Y線性”。如圖8所示。右鍵“Y(0，0，0)”，通過“組件屬性”，在“造型”中的“模型文件”中導(dǎo)入前后運動部件Y 軸模塊的建模文件。模塊之間的空間相對位置已在Pro/ENGINEER建模過程中計算并設(shè)定完成，定位相對于起點的坐標不需要再次改動。點擊“模型”選項中的“添加”，完成Y 軸模型的構(gòu)建。如圖9所示。

　　(6)銑床X軸模型的建立。這里需要注意的是和X軸直接關(guān)聯(lián)的是Y 軸。在“組件樹”中的“Y(0，0，0)”下“添附” 內(nèi)選擇“X線性”。在“組件樹”內(nèi)生成XLinear，如圖10所示。再按前面介紹的步驟將左右運動部件X軸模塊的建模文件導(dǎo)入，完成X軸模型的構(gòu)建。如圖11所示。

　　(7)夾具(Fixture)的建構(gòu)。可以直接用鼠標拖動Fixture組件到X 軸組件下，通過同樣方法把Stock、Design組件拖動到Fixture組件下，這樣就完成了從機床床身到毛坯之間的組件建立。再 將已建成的夾具，毛坯建模文件一一對應(yīng)導(dǎo)入。如圖12所示。

　　(8)刀具組件的構(gòu)建。刀具和主軸之間關(guān)聯(lián)，在主軸下“添附”一個“Tool”。

　　(9)機床外殼的構(gòu)建。在“Base(0，0，0)”中的“組件屬性”中調(diào)入 機床外殼建模文件，完成銑床在VERICUT系 統(tǒng)中的實體結(jié)構(gòu)模型建立。如圖13所示。

　　三、結(jié)論

　　本文以三軸的數(shù)控銑床建模為例，提出了利用VERICUT軟件進行虛擬數(shù)控機床建模的基本方法和關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)控機床的虛擬制造奠定了重要基礎(chǔ)。該方法對于在VERICUT環(huán)境下，建立其他類型的機床模型具有指導(dǎo)性意義。