基于Vericut的數控鋼軌精磨機的仿真分析

唐茂盛

摘 要：在數控機床研發階段引入加工仿真可以檢驗機床的結構設計、驗證加工程序、縮短開發周期、減少開發成本。通過分析數控鋼軌精磨機的結構和運動，基于仿形磨削原理，依靠Vericut軟件平臺，建立了鋼軌精磨機的仿真模型，進行了相關參數的設置，編制了具體的仿真程序，并進行了仿真加工。結果表明該鋼軌精磨機結構設計合理，滿足功能要求。

關鍵詞：鋼軌精磨 仿真加工 Vericut

中圖分類號：TG580.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（c）-0044-02

隨著中國鐵路事業的不斷發展，鐵路運營對鋼軌提出了更高的要求，尤其是對焊縫處的平直度要求更加嚴格。一直以來國內大多采用國外直接進口打磨設備進行生產加工，但始終存在成本高、培訓周期長等缺陷。然而，目前許多科研機構提出了一種基于數控插補原理進行仿形磨削的加工方案，并逐漸開始運用于生產實踐。為了驗證這種方法的正確性，本文提出了利用Vericut軟件在計算機虛擬環境中對機床的加工過程進行仿真，并對相關關鍵技術進行介紹。

1 構建機床仿真模型

根據機床的工作要求，抽象出各組件之間的運動關系，并由此完成機床各運動組件的定義，接下來就是對各組件進行建模。結合實際情況，我們選擇在Vericut軟件中直接建模的方式完成對機床各運動組件模型的搭建。

1.1 構建機床模型

機床模型的建立包括床身，X、Y、Z、W線性模型及主軸的創建。分別單擊項目樹的床身、X線性、Y線性、Z線性、W線性及主軸完成添加，并選擇移動選項進行空間位置移動，完整的機床模型如圖1所示。

1.2 構建機床毛坯模型

選擇毛坯項，在彈出的對話框中選擇添加模型，再點擊創建掃描，然后在添加坐標中輸入模型坐標，并保存，毛坯的掃描建模過程如圖2所示。移動其空間位置，將毛坯移動到我們所設計好的位置上，移動坐標為（0，-30，0）如圖2所示。

1.3 構建機床夾具模型

對于夾具，我們也采取易于建模的方法。選擇夾具項，選擇添加模型，再點擊創建掃描，點擊添加輸入夾具模型第一部分的平面坐標再通過移動其空間位置，將夾具移動到我們所設計的機床位置上，移動坐標為（-30，-160，0）。同理，構建夾具的第二部分模型，再移動其空間坐標，移動坐標為（30，-160，0）。

1.4 構建機床刀具模型

Vericut軟件擁有功能十分強大的刀具設計模塊。在刀具管理器中，我們可以根據不同的需要添加不同類型的刀具，也可使用“Import DXF”功能將刀具圖導入來使用。這里我們選擇在銑削刀具模式下自定義生成所需要的磨削刀具，具體的參數定義見圖3。

最后確定刀具的裝夾點，為了更為方便的裝夾，我們這里選擇其中一端的刀柄末端作為裝夾點，其坐標為（0，0，12），這時機床仿真模型的實體添加完畢，如圖4所示。

2 VERICUT的設置

機床的設置包括機干涉檢查、初始位置設置、行程設置等。

2.1 干涉檢查

機床設計完成后，必須對運動部件進行干涉檢查，否則，一旦發生事故，輕則機床毀壞，重則造成安全事故。在機床設置的碰撞檢測中，需要將忽略干涉的值修改為1.0。需要檢測的項目有床身與X線性、Y線性，Y線性與夾具、毛坯，X線性與夾具、毛坯，還有主軸與夾具、毛坯。完成這些定義后，如果運動部件發生超過1.0 mm的干涉現象，機床就會有報警提示。

2.2 初始化位置設置

機床在建模的過程中，各運動部件的位置都是對于機床坐標來說的，具有很強的隨機性。因此，我們需要對機床的初始位置進行設置，點擊工具欄，選擇設置中的位置設置選項，選擇機床臺面作為初始機床位置，并進行添加，輸入機床的初始化位置坐標（-100，-35，-75）。

2.3 機床行程設置

行程設置是定義機床各個運動軸的行程極限。在機床運行過程中，如果編程不當或是其他原因導致機床超行程運動時，機床就會自動報警顯示。因此需要確定機床的有效加工范圍，避免加工中的“超程”。 設定Z組件行程為（400，-400），設定X組件行程為（400，-400），設定Y組件行程為（210，-210）。

2.4 操作系統設置

Vericut數據庫中自帶有大量世界主流的數控機床控制系統，比如西門子數控系統、FANUC數控系統、三菱數控系統等，用戶可以根據需要直接調用。結合本次仿真具體情況，這里選擇軟件自帶的FANUC 0控制系統—— fan0m.ctl。

2.5 工件坐標系的設置

所謂的工件坐標系，即固定于工件上的笛卡爾坐標系，是編程人員在編制程序時用來確定刀具和程序起點的，該坐標系的原點可由使用人員根據具體情況確定。這里我們選擇G54工件坐標系，為了方便編程，將工件坐標系原點置于毛坯上，具體位置即毛坯軌頂左下部分邊緣線上的中點。

3 機床程序的編制

數控編程編寫的主要內容包括：分析零件圖樣，制定工藝方案，數值計算，編寫零件加工程序等。

4 機床驗證

檢查完數控程序的正確性，設置好干涉、超程、碰撞等識別顏色，即可仿真加工。本文中，仿真結果是通過動畫表現出來的，通過截圖可以看到仿真加工后的模型，如圖5所示。通過測量及比較等工具，顯示加工模型不存在過切、殘余材料等現象，仿真結果與實際加工結果完全吻合。

5 結語

鋼軌數控精磨機的加工仿真涵蓋了機床運動學、加工刀具及加工工藝等多方面的知識。鋼軌數控精磨機在生產實踐中有很強的實用性和經濟性，有很好的應有前景。Vericut是一種基于機床的幾何仿真，但無法根據刀具及加工材料對加工過程中的切削力、溫度、熱流、殘余應力等進行分析，隨著仿真技術的不斷發展，切削過程的微觀仿真技術也會越來越成熟。

參考文獻

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