集成仿真驗證技術的數控虛擬仿真環境構建

王 衛 兵

(臺州職業技術學院， 浙江 臺州 318000)

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集成仿真驗證技術的數控虛擬仿真環境構建

王 衛 兵

(臺州職業技術學院， 浙江 臺州 318000)

利用NX ISV模塊構建了YHC850A四軸立式數控銑床的虛擬仿真環境，實現CAD/CAM/NC編程的一體化實踐教學。介紹了機床及其運動模型的構建過程；應用所建的仿真環境在實踐教學環節指導實訓教學，可以提高學生的學習興趣，增強實訓的安全性。針對某零件的數控加工案例，驗證了該仿真環境的可行性。

集成仿真驗證； 虛擬機床； 數控編程； 實踐教學

0 引 言

隨著數控技術與計算機輔助制造技術的普及，在高職院校的數控技術與模具等專業普遍開設了CAD/CAM軟件應用與多軸數控加工的實訓課程，由于學生經驗不足，編制的NX程序不可避免地出現錯誤，因而必須先通過仿真軟件進行加工前的校驗，而仿真軟件的應用也可解決實習工位短缺的問題[1-2]。當前，應用VERICUT軟件進行機床的建模與仿真較為普及[3-5]，但由于VERICUT只是一個仿真軟件，在該軟件中進行機床、刀具與夾具的建模較為不便；對于校驗中有問題的程序，由CAM重新編程，需要再次輸入進行檢驗，切換中容易產生問題；而VERICUT軟件的安裝與學習也將增加學校與學生的負擔。

SIEMENS NX(舊稱UG)是當前普遍使用的CAD/CAM軟件之一，該軟件具備強大數控編程能力，能完成2～5軸的數控銑、數控車、車銑復合、線切割的各種加工數控程序的創建[6]，該軟件提供了ISV集成仿真驗證模塊，可以實現在NX環境下的機床模型創建，并以逼真的畫面對CAM生成的刀具軌跡程序進行模擬和校驗，可以監控機床、工件、夾具和刀具之間的碰撞干涉情況[7-8]。應用ISV集成仿真驗證模塊，將數控加工程序編制與仿真驗證在同一軟件系統中運行，保證了仿真的實用性，減少了數據轉換，提高編程效率[9]。

本文利用NX ISV模塊構建了YHC850A-4軸立式數控銑床的虛擬仿真環境，詳細介紹了機床及其運動模型的構建過程；應用所建的仿真環境，針對某零件的數控加工實例，驗證了該仿真環境的可行性。將其應用于實踐教學環節指導實訓教學，可以提高學生的學習興趣，增強了實訓的安全性。

1 數控虛擬仿真環境的建立

1.1 機床模型的建立

在進行機床仿真之前，首先要建立一臺機床的幾何裝配模型。可根據機床的具體結構，利用NX軟件的三維建模和裝配功能完成。在創建機床三維模型時，只是需要創建出關鍵的形狀，而不需要完成非常細節的部位，否則既浪費時間，又會在進行加工模擬時影響模擬效率。如圖1所示為YHC850A四軸數控銑床主要部件所組成的機床仿真模型，由床身、Z主軸頭、Y工作臺、X工作臺、旋轉工作臺等部件裝配而成。

圖1 XK-4機床裝配模型

1.2 機床運動組件的構建

只有在機床的仿真模型上定義了運動，機床驅動器(Machine Tool Driver, MTD才能通過后處理文件驅動機床進行運動。應用機床構建器(Machine Tool Builder，MTB)來定義機床床身和各運動部件、主軸頭及其運動，定義的運動要完全參照實際機床的運動，這樣進行的仿真才會生成可靠的結構[8]。 在機床組件定義時，需要抓住兩個主傳動鏈，一個是“床身-刀具”傳動鏈，另一個是“床身-工件”傳動鏈，這兩個主傳動鏈構成了機床的基本模型，每一傳運鏈就成為一個“組件樹”。

機床運動組件定義的主要步驟如下：

(1) 指定機床的床身部件。進入MTD模塊，在機床配置器的名稱欄單擊右鍵插入機床組件，指定名稱為“MACHINE_BASE”，選擇床身創建父節點，并指定其分類聯接為“機床零點”。

(2) 插入運動組件。在床身(MACHINE_BASE)插入機床組件，指定名稱為“Z_SLIDE”，選擇主軸頭部件為Z軸運動部件；在Z_SLIDE下再插入主軸SPINDLE組件；在床身(MACHINE_BASE)下插入X軸的運動組件(X_SLIDE)，選擇X軸向工作臺；在X_SLIDE下再插入Y_SLIDE組件，選擇工作臺為Y軸運動組件；在Y_SLIDE下再插入A_BASE組件，選擇旋轉工作臺的基座，并指定聯接點“A-ROT”；在A_BASE下再插入機床組件，選擇旋轉工作臺為A軸的運動組件。

(3) 插入加工相關組件SET_UP，PART，BLANK，FIXTURE，并且指定SET_UP、PART、BLANK、FIXTURE的分類組件分別為_SETUP _ ELEMENT、_PART、_WORKPIECE、_SETUP _ ELEMENT。這4個組件并不包含任何幾何模型，它們是為以后模擬仿真的應用準備的，其中PART針對放置具體的加工零件，BLANK放置零件毛坯模型，FIXTURE放置工裝夾具模型。

(4) 在機床運動組件上創建連接坐標系并分類。先設定機床的原點與坐標軸方位；再在機床導航器中，選取SPINDLE節點，指定軸為“S”，分類組別為“_DEVICE”，分類聯接為刀具安裝。

(5) 定義加工零件的裝夾位置。編輯SET_UP組件，指定聯接點為“PART_MOUNT_JCT”，并選擇建立在旋轉工作臺中心的WCS為工件安裝時的坐標系，在模擬加工時，加工零件將安裝在該處。

(6) 在機床運動組件上創建NC軸。分別選擇X_SLIDE、Y_SLIDE、Z_SLIDE創建線性軸X、Y、Z，并可以指定每一軸的初始位置、極限位置與移動速度；選擇A_SLIDE創建旋轉軸A。

在創建虛擬機床時，參考兩條運動鏈的順序添加子節點部件，逐步建立機床運動模型。本文建立的該4軸數控加工中心的運動模型結構圖如圖2 所示。

圖2 4軸數控加工中心的運動模型結構圖

1.3 創建機床后置處理器

應用后處理構造器(Post Builder，PB)創建指定機床控制器對應的后置處理器[10-11]，可參考系統已有的類似的后處理器，通過編輯設置與運動定義中匹配的參數，如運動方向的限制值、小數位數、后處理輸出的程序頭信息等。保存得到的后處理文件以及虛擬NC控制器，就可以自動生成一些MTD所需要的文件。

1.4 注冊虛擬機床

在NX的機床庫記錄文件Machine-Data.dat中添加一條新機床的記錄，以使IS&V能夠找到該機床。還要在NX的Post Process文件夾中新建立一個專門用于該銑床的后處理設置文件(DAT文件)用于指定MTD所需要的后處理文件的保存位置。

至此，在NX環境中的數控銑床仿真環境已經完全建立。

2 數控虛擬仿真環境的應用

2.1 虛擬機床的裝載

在加工模塊中激活工序導航器，并將其顯示切換到機床刀具視圖，將通用機床改為調用自定義的機床運動模型“YHC_4X_MILL”，并指定“使用部件安裝聯接”(Part Mounting Junction)選項，系統將自動將定義的零件安裝坐標系與虛擬機床中的零件安裝坐標系對齊，從而將零件正確地安裝在機床上。

2.2 工件、毛坯與夾具的定義

在機床導航器中展開PART組件進行編輯，選擇零件為PART組件。同樣方法添加毛坯BLANK組件與夾具FIXTURE組件。

2.3 可視化仿真

NX可視化仿真是基于加工刀具路徑進行加工模擬，用坯料的切削變化來表示刀具模型相對于零件模型的切削過程。在這個過程中，工件固定，而刀具相對于工件移動和旋轉。NX可視化仿真可以采用刀軌重播、2D動態和3D動態模擬的方式，可以簡便地進行刀具路徑的確認。刀軌可視化仿真在加工刀軌創建完成后進行，僅限于對刀具與工件間是否發生碰撞，以及所設定的路徑是否能夠準確完全的加工進行檢驗。如圖3所示為刀軌可視化的模擬過程。

圖3 刀軌可視化仿真

2.4 機床仿真

應用NX ISV集成仿真驗證模塊建立虛擬機床仿真環境之后，通過對數控機床的運動組件、數控系統、刀具以及夾具、毛坯等虛擬建模，將機床的實際狀況考慮進去，實現數控程序的整個加工過程的真實模擬，真正實現了“所見即所得”。通過機床仿真，可以更加全面地檢驗機床運動是否會超過運動極限、是否會發生刀具與夾具的干涉。

選擇程序組或者工序后進行點擊“機床仿真”命令，就可以實現機床完整的運動仿真，如圖4所示。

圖4 機床仿真

在機床仿真過程中，機床工作臺與刀具將以實際的運動方式進行移動和旋轉，同時實時顯示當前運行的程序行，并顯示當前的坐標值、主軸轉速，切削進給與加工時間等信息，與實際機床控制器上顯示的信息相符。

2.5 結果確認

在機床仿真后，還可以對加工結果進行檢查確認，選擇“通過顏色表示厚度”選項，以用不同顏色顯示加工表面的余量，并可以測量指定點位置與理想表面的距離，來驗證每一部位的殘余量或者是過切量，從而可以預測加工精度與表面質量，如圖5所示。

圖5 通過顏色表示厚度

3 結 語

應用NX ISV集成仿真驗證模塊創建的仿真環境進行數控編程的CAD/CAM/NC編程的一體化實踐教學，學生可以在NX環境下進行三維造型、數控編程和加工仿真，通過仿真可以檢驗程序的正確性，并預測零件的加工精度。對于仿真中發現問題的程序，及時進行參數的調整，再次編程并仿真，直至通過仿真驗證。由于三維圖形化的仿真過程高效直觀，在實際的教學實踐環節中更能夠調動學生的學習興趣，有效地提升了教學效果。應用該仿真環境后，數控實驗環節可以避免撞刀、過切等現象，改善教學效果的同時，也大大提高了實驗的安全性，并且大幅度提高機床的利用率。

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Creating NC Simulation Environment Based on Integrated Simulation Varification Technology

WANGWei-bing

(Taizhou Vocational and Technical College, Taizhou 318000, China)

This paper constructs a virtual simulation environment of YHC850A 4 axis vertical NC milling machine by using the NX ISV module. It realizes the integration of the practice teaching of CAD/CAM/NC programming. The construction process of the machine and motion model is introduced; Practical teaching with the simulation environment can improve the students’ interest in learning, and enhance safety for training. Taking a CNC machining part as example, it verifies the feasibility of the simulation environment.

integrated simulation verification technology; virtual machine; NC programming; practice teaching

2015-01-01

王衛兵(1974-)，男，浙江溫嶺人，碩士，副教授，主要從事數控與CAD/CAM/CAE等技術的教學與研究。

Tel.：0576-88665140；E-mail:wbcax@sina.com

TH 164

A

1006-7167(2015)08-0090-03