基于Solidworks和VERICUT的虛擬數控系統研究

劉錫勝

(山東勝利職業學院 機電工程系，東營 257097)

0 引言

隨著計算機技術、通訊技術、多媒體技術、圖形圖像技術和可視化技術的迅速發展，以虛擬現實技術為基礎的虛擬原型、虛擬設計、虛擬制造已廣泛地應用到實際生產中。虛擬制造系統是實際制造系統在不消耗能源和資源的信息世界里的完全映射。它利用信息技術、仿真技術和計算機技術對現實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發現制造中可能出現的問題，在產品實際生產前就采取預防措施，從而實現產品一次性制造成功，來達到降低成本、縮短產品開發周期、增強產品競爭力的目的。 虛擬數控機床是虛擬制造系統的重要組成之一，利用虛擬數控機床可以在計算機中實現仿真加工，檢驗加工工藝方案，甚至還可以優化數控程序，達到提升加工質量、提高效率、降低成本的目的。同時，由于仿真加工的安全性、經濟性和可分析性，使得虛擬數控機床成為可應用于教學的虛擬教學設備[1,2]。

VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發的數控加工仿真系統，可仿真數控車床、銑床、加工中心、線切割機床和多軸機床等多種加工設備的數控加工過程，也能進行NC程序優化，縮短加工時間、延長刀具壽命、改進表面質量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤；具有真實的三維實體顯示效果，可以對切削模型進行尺寸測量，并能保存切削模型供檢驗、后續工序切削加工[3]。

1 虛擬數控系統的建立

虛擬數控系統的體系結構如圖1所示：它包括虛擬加工環境（也就是虛擬數控機床及其夾具、刀具、零件和毛坯組成）和虛擬加工過程，包括數控程序編制、三維動畫仿真和加工精度檢查。

圖1 虛擬加工系統結構

欲進行程序的仿真，首要問題是構建仿真平臺， 方便而準確的建立實際機床的仿真模型是實現加工仿真的保證。

現以一個三軸立式銑床XK716為例（如圖2所示），使用Solidworks創建VERICUT仿真加工用數控機床結構模型，使用VERICUT進行仿真加工。XK716銑床XYZ軸的行程分別為1000、600、500mm，工作臺尺寸為1300×600，主軸鼻端至工作臺面距離為150-650mm，主軸中心至立柱導軌面距離為655mm。我們將虛擬機床的結構部分按照功能分解為床身、Z工作臺及其主軸刀具、Y工作臺、X工作臺及其夾具、工件等。由于VERICUT軟件建模提供的模型僅有長方形、圓柱形和圓錐形等幾種，方法較單一，難于開發創建新機床結構模型，借助于Solidworks軟件強大的建模能力，現在Solidworks里建立虛擬機床的結構模型，然后通過Solidworks的裝配建模建立機床各結構部件的相對位置關系，然后保存成VERICUT能夠調用的stl格式文件。

圖2 XK716數控銑床

首先進行運動學建模，確定各運動軸的分配關系[6]。仿真機床是將實際機床進行一定形狀的抽象，按照各部件間一定的邏輯結構關系和運動依附關系組合而成的機床抽象模型，該模型能真實反映機床各個坐標軸的邏輯關系和運動關系，并能真實再現機床運動軌跡。如圖3為虛擬機床的邏輯關系。

圖3 構建VERICUT機床邏輯關系

使用VERICUT軟件進行數控加工仿真時，常需要構建數控機床的結構模型，軟件提供的創建方式僅有長方形、圓柱形和圓錐形等幾種，方法較單一，難于開發創建新機床結構模型。借助Solidworks系統的強大建模及數據交換功能，用戶可以定制符合自身需要、更為細致逼真的機床結構模型，以期對數控加工過程的模擬達到更真實、貼近現實的程度。

用Solidworks建立三軸立式銑床XK716的床身立柱、X工作臺、Y工作臺、Z工作臺如圖4所示。在Solidworks中完成裝配，然后保存成各部件的stl格式文件，再建立好的VERICUT機床組件樹中導入機床幾何模型，就完成了虛擬數控銑床XK716，結果如圖5所示。

圖4 XK716裝配圖

圖5 虛擬數控銑床結構

設置好數控機床的組成和結構及初始化參數后，機床仍不能運動，要實現加工運動，還需要給機床配置數字控制系統，使機床具有解讀數控代碼、插補運算、仿真顯示等基本功能，本文選用Funuc0M數控系統，給數控系統選擇fan0m.ctl。根據圖1所示的虛擬數控系統的體系結構，完成了虛擬機床建模后，給虛擬機床配置上一個夾具，這里選用電磁式夾具，夾具尺寸長為400mm，寬為200mm，高為100mm，放置在X工作臺中心，零件圖及毛坯如圖6所示的結構，虛線為毛坯圖，毛坯尺寸長為200mm，寬為100mm，高為40mm。實線為零件圖，其深度為30mm。

然后進行編程零點的設置，通過VERICUT的Work offset可以設置編程零點，這里編程零點設置在毛坯上表面中心位置。以上設置好后，就可以編制數控程序進行仿真加工了，仿真加工如圖7所示：圖左為制件圖，圖右為機床切削模型圖。由圖可以看出，在虛擬數控銑床上完成了零件圖的加工，加工結果完全設計的零件圖吻合。

圖6 毛坯圖與零件圖

圖7 虛擬加工仿真

2 結束語

1）以數控銑床XK716為原型，采用VERICUT和Solidworks構建了虛擬數控機床，將夾具和毛坯安裝在虛擬機床上，將零件圖的數控程序導入虛擬機床模型進行了虛擬加工，加工結果與實際結果完全相符，表明該虛擬機床具有虛擬現實特征。

2）由于虛擬機床具有對代碼進行驗證與優化的過程，仿真系統能夠極大地避免實際加工過程中可能產生的各種異常現象，簡化了實際加工過程中檢測與診斷步驟，提高了加工安全性和經濟效益。同時仿真系統還能逼真地模擬加工過程，可作為數控機床加工的培訓用軟件和實驗教學。

[1] 朱瑤綺,賀其方,羅豐.銑床虛擬數控系統實現方法的研究[J].機電產品開發與創新,2009,(4).169-170.

[2] 周祖德,陳幼平,邱智明.虛擬數控系統體系結構研究[J].中國機械工程,1999,(10):1139-1142.

[3] CGTech.Optimize NC programs.http://www.cgtech.com.

[4] 李軍鋒,李劍.數控機床加工仿真技術及應用[J].計算機仿真,2003,20(4).

[5] 張燁,桂貴生.基于VERICUT的機床建模和數控車削加工仿真技術[J].組合機床與自動化加工技術,2010,(10):70-74.

[6] 陳杰,遲永剛,劉梅,等.基于VERICUT的數控加工運動學仿真[J].機械設計與制造,2009,(07):192-194.

[7] 王亞平,劉衛,等.基于VERICUT數控加工仿真及優化的實現[J].制造技術與機床,2004,(9):91-96.

[8] 唐秀梅,李克安,牛昌安.VERICUT數控加工仿真技術[M].北京:清華大學出版社,2010:1-118.

[9] 鄭堤編.數控機床與編程[M].北京:機械工業出版社,2005.176-185.

[10] 李云龍,曹巖.數控機床加工仿真系統VERICUT.西安交通大學,2005:1-194.