徐 敏 趙燕偉

（浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310014）

1 引言

隨著先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控設(shè)備的大量使用，企業(yè)急需大量的數(shù)控應(yīng)用型人才，職業(yè)學(xué)校擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)數(shù)控應(yīng)用型人才的重任。但由于受資源和資金的限制，數(shù)控設(shè)備的數(shù)量有限，已經(jīng)滿足不了日益增長的數(shù)控人才培養(yǎng)需要。而在傳統(tǒng)的數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，常因?yàn)樵O(shè)備少，學(xué)生多而使得學(xué)生實(shí)際的上機(jī)操作時間大為減少，實(shí)習(xí)效果不理想。在實(shí)習(xí)過程中會因?yàn)橐恍┎僮魇韬鰧?dǎo)致安全事故，數(shù)控實(shí)習(xí)一般屬于純消耗型的加工，消耗大量的刀具和材料。為解決這些矛盾，數(shù)控仿真技術(shù)被應(yīng)用到數(shù)控專業(yè)的教學(xué)，成為數(shù)控教學(xué)的一種重要手段。由美國GGTECH公司開發(fā)的VERICUT軟件是目前較為先進(jìn)的數(shù)控加工仿真軟件，在企業(yè)院校廣泛應(yīng)用。就我校數(shù)控設(shè)備少，場地有限這一教學(xué)條件現(xiàn)狀，我們嘗試?yán)肰ERICUT軟件進(jìn)行數(shù)控仿真教學(xué)，提高學(xué)生的數(shù)控設(shè)備應(yīng)用能力。

2 VERICUT數(shù)控加工仿真軟件

2.1 VERICUT軟件簡介

VERICUT由數(shù)控程序驗(yàn)證模塊，優(yōu)化切削模塊，機(jī)床運(yùn)動仿真模塊，AUTO-DIFF實(shí)體比較模塊，多軸模塊和CAD/CAM接口等模塊組成?？蛇M(jìn)行數(shù)控車床，數(shù)控銑床，加工中心，電加工機(jī)床等多種數(shù)控設(shè)備的仿真過程。目前國內(nèi)的宇龍和斯沃等數(shù)控仿真教學(xué)軟件，主要的功能是基于機(jī)床面板操作的仿真，學(xué)生可以通過這些軟件掌握數(shù)控機(jī)床基本的操作方法。而VERICUT是基于工藝過程的仿真軟件，可以還原真實(shí)的機(jī)床實(shí)際加工過程，不但能驗(yàn)證數(shù)控加工程序，優(yōu)化切削，分析檢測加工結(jié)果，還能及時發(fā)現(xiàn)加工過程中出現(xiàn)的工藝問題。適合學(xué)生進(jìn)行數(shù)控工藝知識和綜合性數(shù)控加工訓(xùn)練。

2.2 VERICUT軟件的主要功能模塊

2.2.1 驗(yàn)證模塊。驗(yàn)證模塊是運(yùn)行其他功能模塊的前提，軟件提供1-3軸驗(yàn)證功能，可檢測出碰撞、快進(jìn)、后置處理、超行程等錯誤，并將出錯的程序序號全部記入日志文件。

2.2.2 機(jī)床仿真模塊。該模塊可以使VERICUT能夠模擬由控制系統(tǒng)驅(qū)動的三維數(shù)控機(jī)床實(shí)時動畫，使虛擬機(jī)床按照G代碼或其他可識別的數(shù)控代碼來模擬實(shí)際機(jī)床的加工運(yùn)動和虛擬的工廠環(huán)境。

2.2.3 優(yōu)化模塊。可根據(jù)金屬切除率及用戶設(shè)定的優(yōu)化參數(shù)重新計(jì)算并修正不同加工階段的進(jìn)給速度，從而獲得高效率和高質(zhì)量的數(shù)控加工工藝方案，而這一優(yōu)化過程并不會改變原來的加工軌跡。

2.2.4 接口模塊。可以從UG、CATIA、Pro/E等CAM軟件的加工模塊里直接調(diào)用VERICUT進(jìn)行仿真和優(yōu)化，減少操作步驟和中間格式的圖形數(shù)據(jù)。并且此模塊支持手工編制的程序。

3 VERICUT進(jìn)行數(shù)控加工工藝系統(tǒng)的教學(xué)仿真環(huán)境構(gòu)建

3.1 VERICUT數(shù)控加工仿真的基本過程

要進(jìn)行NC程序仿真教學(xué)，需要預(yù)先構(gòu)建整個工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，一般過程如下：（1）工藝系統(tǒng)分析，明確機(jī)床CNC系統(tǒng)型號、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機(jī)床運(yùn)動原理、機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具和夾具等；（2）建立機(jī)床幾何模型，用三維CAD軟件建立機(jī)床運(yùn)動部件和固定部件的實(shí)體幾何模型，并轉(zhuǎn)換成VERICUT軟件可用的STL格式；（3）建立刀具庫；（4）在軟件中新建用戶文件，設(shè)置所用CNC系統(tǒng)，并建立機(jī)床運(yùn)動模型，即部件樹；（5）添加各部件的幾何模型，并準(zhǔn)確定位；（6）設(shè)置機(jī)床參數(shù)；（7）保存所有文件。

3.2 數(shù)控加工仿真工藝系統(tǒng)的仿真教學(xué)環(huán)境建模實(shí)例

下面以CAK6132機(jī)床為例進(jìn)行說明

（1）機(jī)床概述。此車床為臥式、平床身、前刀座、四工位電動刀架、伺服電機(jī)驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)型車床。所用數(shù)控系統(tǒng)為FANUC-0T，X、Z兩軸二聯(lián)動控制，分別控制縱向、橫向滑板。X軸部件上裝四工位電動方刀架（轉(zhuǎn)動軸線垂直）、主軸箱為固定部件，夾具為三爪卡盤。機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)為卡盤右端面中心。（2）部件分類。依VERICUT軟件部件分類規(guī)則，部件分類如表1所示。

表1 機(jī)床部件分類

（3）建立部件的3D模型。在完成機(jī)床各個部件的二維測繪后，用proe軟件進(jìn)行三維實(shí)體造型，以運(yùn)動單元建模，之后在VERICUT中裝配。主軸箱建模不考慮內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)，只建外形模型。X、Z軸傳動鏈可簡化不建，建立幾何模型后，另存為STL格式。（4）建立部件樹，完成機(jī)床的運(yùn)動建模。先設(shè)系統(tǒng)控制為“FANUC-0T”：選菜單“配置→控制→打開”，在 機(jī)床庫“中選”fan0t.ctl“。點(diǎn)擊部件樹按鈕，彈出部件樹對話框，單擊”BASE→右鍵單擊→在光標(biāo)菜單選“添加”→選Z線性，添加Z軸，單擊Z線性→右鍵單擊→在光標(biāo)菜單選添加“→選X線性”，添加X軸。同樣方法，添加其他部件，得到部件樹如圖1所示。 因?yàn)闄C(jī)床坐標(biāo)系的X軸正方向指向操作者方向，則在添加Z軸部件時，由于默認(rèn)Z軸部件的X軸正方向?yàn)檫h(yuǎn)離操作者方向，因此應(yīng)繞Z軸正方向轉(zhuǎn)動180°，這樣，Z軸部件的X軸正方向才指向操作者。添加四把刀具時，刀架控制點(diǎn)為刀架轉(zhuǎn)動中心，它應(yīng)使后一把刀具比前一把刀具繞Y軸同一方向多轉(zhuǎn)90°，并從每把刀的“刀具屬性”中改“刀具索引”分別為 1、2、3、4，即指定刀具號。

圖1 所得到的目錄樹

（5）在刀具管理器中建立刀具庫。以常用的外圓粗車刀、精車刀、螺紋刀、切斷切槽刀為例，分別記為1、2、3、4號刀。刀柄先用proe軟件建模，并將其轉(zhuǎn)換成STL格式，便于使用時調(diào)入和調(diào)整位置。（6）添加機(jī)床幾何模型：a.先添加工件、卡盤、主軸、四把刀具、刀架轉(zhuǎn)動部分，按“瀏覽”找到相應(yīng)STL格式文件，工件STOCK可用VERICUT的圓柱體建模，設(shè)置工件的半徑、長度。b.調(diào)節(jié)刀架轉(zhuǎn)動部分部件，應(yīng)定位X、Z向位置使轉(zhuǎn)動中心在坐標(biāo)系原點(diǎn)，并調(diào)整Y方向位置使裝刀位置與刀柄底部接觸。c.其他部件可調(diào)入后用配合方式定位。（7）設(shè)置參數(shù)。選菜單“項(xiàng)目→G-代碼→設(shè)定”，在彈出對話框中選“表”選項(xiàng)，在“機(jī)床臺面”列表框中選擇如下參數(shù)進(jìn)行添加：機(jī)床初始位置：300 0 750（X Y Z坐標(biāo)用空格間隔）

機(jī)床參考點(diǎn)：300 0 750

工件編程原點(diǎn)：0 0 200（200為Z方向工件原點(diǎn)距機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)距離）

還有一些參數(shù)，如刀具表、機(jī)床行程、換刀方式、NC程序類型和碰撞設(shè)置等，可進(jìn)行相應(yīng)操作，這里不再重復(fù)。

（8）保存文件

分別保存用戶文件USR、控制系統(tǒng)文件CTL、機(jī)床文件MCH。為便于使VERICUT軟件開始運(yùn)行即進(jìn)入自己的用戶文件，可編輯VERICUT.BAT文件，將其中VERICUT.USR改為所需的用戶文件名。另外，為了開始運(yùn)行VERICUT即進(jìn)入所需工作目錄，可將VERICUT.BAT復(fù)制到所需工作目錄中運(yùn)行，并在桌面建立快捷方式。圖2是我們所建立的虛擬機(jī)床環(huán)境。

圖2 虛擬機(jī)床環(huán)境

3.3 數(shù)控仿真教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)

利用以上建立的虛擬數(shù)控車床為平臺，可開發(fā)若干個數(shù)控車仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目。應(yīng)用在實(shí)際教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果，部分實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目列表如下。

結(jié)語

本文基于VERICUT軟件構(gòu)建了數(shù)控車床加工的仿真教學(xué)環(huán)境，用同樣方法可構(gòu)建數(shù)控銑床、加工中心的教學(xué)仿真環(huán)境。教學(xué)實(shí)踐證明，VERICUT的應(yīng)用極大地提高了教學(xué)效果。在虛擬環(huán)境下，解決了教學(xué)用數(shù)控設(shè)備種類少，加工條件差的難題，對提高學(xué)生的工藝能力起到了不可替代的作用。我們在此基礎(chǔ)上還將進(jìn)一步拓展教學(xué)思路，使數(shù)控仿真軟件更好的為我國的數(shù)控技術(shù)教育服務(wù)。

表2 數(shù)控仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目表

[1]楊圣群.VERICUT7.0數(shù)控加工仿真技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]李云龍等.數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)VERICUT[M].西安交通大學(xué)出版社，2005.

[3]韓俊平.虛擬數(shù)控加工在教學(xué)中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2007，（6）：23-24.

[4]張喜江.仿真軟件VERICUT在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制作業(yè)信息化，2007，12:86-89.