基于VERICUT的四軸聯動數控機床仿真研究

席鳳征

中國礦業大學,江蘇 徐州 221000

自我國加入WTO以來，我國已成為全球的“制造中心”，數控加工技術在機械制造業中的廣泛應用，迫切需要一大批能夠適應企業要求的數控高技能人才，大批數控機床操作人員的專業培訓的重擔就落在了職業院校和培訓學校。在2005年，我院花費巨資引進了20臺數控車床和20臺數控加工中心，在傳統的操作培訓中，數控機床編程與操作的有效培訓必須在真實的機床上進行，這種培訓不僅浪費各種相關的人力、物力，而且在操作中經常出現一些潛在的危險，比如刀具與機床、工件相撞，存在一定的安全隱患。近幾年隨著學生人數的不斷增加，機床的數量難以保證每位學生有足夠的上機操作時間，在加上企業中也相繼引入高、精、尖的數控機床，而這類機床造價就會更高，一般學校不會花巨資引進很多臺，最大一兩臺。面于這種形勢，我院就轉變了教學方式，采用仿真教學和實際操作相結合的方式來進行教學。目前市場上用于數控仿真的軟件比較多的是斯沃和宇龍，但這一類軟件只能仿真三軸以內的，當三軸以上的就不能仿真了，而vericut更加專業些，支持三軸以上的，比如五軸聯動等等。

1 VERICUT仿真軟件簡介

VERICUT是美國CGTech公司開發的一種運行于WINDOWS和UNIX平臺的計算機上的先進的專業數控加工仿真軟件。它是一款專為制造業設計的CNC數控機床仿真和優化軟件，打破了以前只能通過傳統的切削實驗部件方式，利用VERICUT軟件來檢驗加工程序的準確性和整個機床的加工過程，來幫助用戶改進切削方式和清除編程錯誤。VERICUT軟件可以模擬CNC加工，用來檢測錯誤、潛在的碰撞以及低效的加工區域。在把程序傳入機床之前，VERICUT可以讓數控編程人員發現并糾正錯誤，這樣可以避免工件的試切。VERICUT有6個模塊，分別是：驗證模塊（Verification Module）、機床仿真模塊（Machine Simulation Module）、多軸模塊(Multi-Axis Module)、AUTO-DIFF模塊、優化路徑模塊（OptiPath Module）、接口模塊。

2 構建VMC600四軸機床仿真系統

結合軟件UG的CAD/CAM功能和VERICUT軟件的數控加工過程仿真功能，對我院新2009年新引進的南通科技VMC600四軸機床進行虛擬仿真機床。VMC600主要技術指標如表1。

表1 VMC600技術指標

構建機床模型利用VERICUT有兩種方法。一種方法是利用VERICUT自帶的簡單建模工具建立機床模型,這種方法需要用戶很強的軟件熟練度，建立機床模型比較麻煩；另一種方法是采用CAD軟件，例如UG、CATIA及MasterCAM，先建立好機床模型，然后將機床模型文件導出為VERICUT可以接受的文件格式，最后導入到VERICUT里，利用UG將建立好的機床模型文件導出為.stl格式文件，并導入VERICUT用以構建機床。在這里我們選用第二種方法。

1）利用軟件UG的CAD模塊建立了數控機床模型、被加工零件及毛坯的實體參數模型，并對機床各部件進行了裝配，確定尺寸參數及相對位置的合理性，同時在CAM模塊中完成了數控編程工作，并運用后處理模塊生成了針對具體機床的數控代碼，以此作為仿真工作的基礎。UG將建立好的機床模型文件導出為.stl格式文件。

2）在VERICUT中建立四軸數控機床仿真模型

創建步驟如下：

（1）運行VERICUT7.0應用程序，創建一個新的公制項目文件。選擇“文件”（file）＞“工作目錄”（working directory）菜單命令，設定工作路徑。選擇“文件”＞“新項目”＞“公制”菜單命令；

（2）顯示組件坐標系。在圖形窗口中從系統彈出的快捷菜單選擇“顯示所有軸”＞“組件”菜單命令；

（3）定義部件結構樹。

①將導出的機床模型文件復制到用戶目錄，在圖形區單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇“視圖類型”（view type）＞“機床”（machine）命令，切換到機床視圖；②定義機床床身，在項目樹中，選中base(0,0,0)節點，在“添加模型”下拉列表框中選擇“模型文件”（model file）選項，在shortcut下拉列表框中選取相應的STL格式文件，正確設置位置參數，點擊Add和OK選項后返回部件樹菜單；③定義Z軸線性軸。右擊base(0,0,0)節點,從彈出菜單中選擇“添加”Append--＞選ZLinear,添加Z軸,在“快速速度”文本中添加Z軸快速定位（G00）的進給率（unit/min）為35000，在“加減速”下，“最大進給速度”（uint/min）文本框中輸入進給狀態（G1、G2/G3）的進給率為10000，在“添加模型”下拉列表框中選擇“模型文件”（model file）選項，在“文件”下拉列表框中選取相應Z.STL文件,完成Z軸部件模型添加；按照同樣的方法，添加Y、X、A軸部件和移動附屬（attach）部件添加。完成后如圖1。

圖1 機床運動機構

（4）設置機床

定義機床運動結構后，需要對機床進行初始化社設置，如機床干涉、機床初始化位置、機床行程設置。根據VMC600的機床參數進行合理設置。

3）選配機床的配置的數控系統

在項目樹中雙擊“控制”，彈出“打開控制系統”對話框，在“捷徑”下列表框中選擇“機床庫”（library）選項，選擇FANUC M .CTL，單擊“打開”（open）按鈕，完成控制系統添加。

4）建立機床刀具庫

在項目樹種雙擊“加工刀具”，彈出“刀具管理器”對話框。在菜單中選取添加--＞新刀具--＞銑刀，彈出圖2中1號刀具，按所需建立的銑刀類型(包含平地銑刀、圓鼻銑刀、球頭銑刀、鉆消刀具及用戶自定義等)，設置刀具幾何參數，添加確定后返回刀具管理對話框。依照上述方法，建立一系列常用的刀具，并在“描述”欄中描述刀具的類型和規格等，已備用到哪一把刀根據描述都夠迅速的調入所需刀具。

圖2 刀具管理器

5）機床文件保存

將建立的文件分別保存為用戶文件sizhou.usr,控制系統文件sizhou.ctl,機床文件sizhou.mch和刀具庫文件sizhou.tcl.如圖3所示的是已建立的虛擬機床環境。

圖3 虛擬機床環境

3 仿真實例的應用

下面就把上述建立好的VMC600機床，進行“五星”零件仿真加工。實例中五星零件采用的材料為45#鋼，毛坯尺寸Φ50x100。

具體操作步驟如下：

1）啟動VERICUT，調用上述建立好的VMC600四軸機床；

2）添加毛坯零件。將五星毛坯零件和設計零件的STL模型文件導入部件樹；

3）添加刀具庫。在組件樹中選擇“加工刀具”，在下面的“配置刀具”窗口中單擊“刀具庫文件”按鈕，引入建立好的刀具庫文件；

4）添加數控程序。在組件樹中選擇“數控程序”，在“配置程序”窗口單擊“添加NC程序文件”按鈕。在彈出的窗口中選擇五星數控程序；

5）設置工件原點；

6）仿真零件，檢查數控程序的正確性，設置碰撞、超程、干涉等識別顏色，單擊工具條上的“單步仿真”或“連續仿真”鍵，開始加工仿真；

7）仿真結果分析。采用縮放、移動、旋轉和打剖面等工具，能從不同視點觀察，詳細精確地測量切削模型。選取主菜單上“分析”→“測量”，可以測量工具距離、角度、材料的厚度、孔深；選取菜單上分析→自動比較菜單命令，可以檢查零件有無過切、殘留材料等現象。

4 結論

通過對數控加工仿真的若干關鍵技術進行了研究，建立了數控加工仿真系統，并應用到教學中。本課題建立的數控仿真四軸機床應用在我院的實習教學中，大大解決了我院實習工位不夠的矛盾。學生利用建立的四軸機床，在仿真加工過程中不僅能顯示刀具與零件相接觸進行切削部分，還能夠同時在另一視圖中展現出整個機床及其各軸的運動情況，這樣能夠更好的觀察刀具是否會與機床發生碰撞干涉，對機床整體運動形態的表現就與觀察真實加工時的機床完全一樣，來幫助學生清除編程錯誤和優化切削參數，從而提高加工效率。

[1]楊生群.數控仿真技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2]王德躍，王華僑.VERICUT軟件在五軸高速銑加工中的應用[J].CAD/CAM與制造業信息化，2006，6：86-88.

[3]魏林.基于VERICUT的數控加工仿真系統研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2008.