席鳳征

中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221000

自我國(guó)加入WTO以來(lái)，我國(guó)已成為全球的“制造中心”，數(shù)控加工技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，迫切需要一大批能夠適應(yīng)企業(yè)要求的數(shù)控高技能人才，大批數(shù)控機(jī)床操作人員的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的重?fù)?dān)就落在了職業(yè)院校和培訓(xùn)學(xué)校。在2005年，我院花費(fèi)巨資引進(jìn)了20臺(tái)數(shù)控車(chē)床和20臺(tái)數(shù)控加工中心，在傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)中，數(shù)控機(jī)床編程與操作的有效培訓(xùn)必須在真實(shí)的機(jī)床上進(jìn)行，這種培訓(xùn)不僅浪費(fèi)各種相關(guān)的人力、物力，而且在操作中經(jīng)常出現(xiàn)一些潛在的危險(xiǎn)，比如刀具與機(jī)床、工件相撞，存在一定的安全隱患。近幾年隨著學(xué)生人數(shù)的不斷增加，機(jī)床的數(shù)量難以保證每位學(xué)生有足夠的上機(jī)操作時(shí)間，在加上企業(yè)中也相繼引入高、精、尖的數(shù)控機(jī)床，而這類(lèi)機(jī)床造價(jià)就會(huì)更高，一般學(xué)校不會(huì)花巨資引進(jìn)很多臺(tái)，最大一兩臺(tái)。面于這種形勢(shì)，我院就轉(zhuǎn)變了教學(xué)方式，采用仿真教學(xué)和實(shí)際操作相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行教學(xué)。目前市場(chǎng)上用于數(shù)控仿真的軟件比較多的是斯沃和宇龍，但這一類(lèi)軟件只能仿真三軸以?xún)?nèi)的，當(dāng)三軸以上的就不能仿真了，而vericut更加專(zhuān)業(yè)些，支持三軸以上的，比如五軸聯(lián)動(dòng)等等。

1 VERICUT仿真軟件簡(jiǎn)介

VERICUT是美國(guó)CGTech公司開(kāi)發(fā)的一種運(yùn)行于WINDOWS和UNIX平臺(tái)的計(jì)算機(jī)上的先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)數(shù)控加工仿真軟件。它是一款專(zhuān)為制造業(yè)設(shè)計(jì)的CNC數(shù)控機(jī)床仿真和優(yōu)化軟件，打破了以前只能通過(guò)傳統(tǒng)的切削實(shí)驗(yàn)部件方式，利用VERICUT軟件來(lái)檢驗(yàn)加工程序的準(zhǔn)確性和整個(gè)機(jī)床的加工過(guò)程，來(lái)幫助用戶(hù)改進(jìn)切削方式和清除編程錯(cuò)誤。VERICUT軟件可以模擬CNC加工，用來(lái)檢測(cè)錯(cuò)誤、潛在的碰撞以及低效的加工區(qū)域。在把程序傳入機(jī)床之前，VERICUT可以讓數(shù)控編程人員發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤，這樣可以避免工件的試切。VERICUT有6個(gè)模塊，分別是：驗(yàn)證模塊（Verification Module）、機(jī)床仿真模塊（Machine Simulation Module）、多軸模塊(Multi-Axis Module)、AUTO-DIFF模塊、優(yōu)化路徑模塊（OptiPath Module）、接口模塊。

2 構(gòu)建VMC600四軸機(jī)床仿真系統(tǒng)

結(jié)合軟件UG的CAD/CAM功能和VERICUT軟件的數(shù)控加工過(guò)程仿真功能，對(duì)我院新2009年新引進(jìn)的南通科技VMC600四軸機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真機(jī)床。VMC600主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 VMC600技術(shù)指標(biāo)

構(gòu)建機(jī)床模型利用VERICUT有兩種方法。一種方法是利用VERICUT自帶的簡(jiǎn)單建模工具建立機(jī)床模型,這種方法需要用戶(hù)很強(qiáng)的軟件熟練度，建立機(jī)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(jī)床模型，然后將機(jī)床模型文件導(dǎo)出為VERICUT可以接受的文件格式，最后導(dǎo)入到VERICUT里，利用UG將建立好的機(jī)床模型文件導(dǎo)出為.stl格式文件，并導(dǎo)入VERICUT用以構(gòu)建機(jī)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(shù)控機(jī)床模型、被加工零件及毛坯的實(shí)體參數(shù)模型，并對(duì)機(jī)床各部件進(jìn)行了裝配，確定尺寸參數(shù)及相對(duì)位置的合理性，同時(shí)在CAM模塊中完成了數(shù)控編程工作，并運(yùn)用后處理模塊生成了針對(duì)具體機(jī)床的數(shù)控代碼，以此作為仿真工作的基礎(chǔ)。UG將建立好的機(jī)床模型文件導(dǎo)出為.stl格式文件。

2）在VERICUT中建立四軸數(shù)控機(jī)床仿真模型

創(chuàng)建步驟如下：

（1）運(yùn)行VERICUT7.0應(yīng)用程序，創(chuàng)建一個(gè)新的公制項(xiàng)目文件。選擇“文件”（file）＞“工作目錄”（working directory）菜單命令，設(shè)定工作路徑。選擇“文件”＞“新項(xiàng)目”＞“公制”菜單命令；

（2）顯示組件坐標(biāo)系。在圖形窗口中從系統(tǒng)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(jié)構(gòu)樹(shù)。

①將導(dǎo)出的機(jī)床模型文件復(fù)制到用戶(hù)目錄，在圖形區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“視圖類(lèi)型”（view type）＞“機(jī)床”（machine）命令，切換到機(jī)床視圖；②定義機(jī)床床身，在項(xiàng)目樹(shù)中，選中base(0,0,0)節(jié)點(diǎn)，在“添加模型”下拉列表框中選擇“模型文件”（model file）選項(xiàng)，在shortcut下拉列表框中選取相應(yīng)的STL格式文件，正確設(shè)置位置參數(shù)，點(diǎn)擊Add和OK選項(xiàng)后返回部件樹(shù)菜單；③定義Z軸線性軸。右擊base(0,0,0)節(jié)點(diǎn),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(jìn)給率（unit/min）為35000，在“加減速”下，“最大進(jìn)給速度”（uint/min）文本框中輸入進(jìn)給狀態(tài)（G1、G2/G3）的進(jìn)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(xiàng)，在“文件”下拉列表框中選取相應(yīng)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(dòng)附屬（attach）部件添加。完成后如圖1。

圖1 機(jī)床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

（4）設(shè)置機(jī)床

定義機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行初始化社設(shè)置，如機(jī)床干涉、機(jī)床初始化位置、機(jī)床行程設(shè)置。根據(jù)VMC600的機(jī)床參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。

3）選配機(jī)床的配置的數(shù)控系統(tǒng)

在項(xiàng)目樹(shù)中雙擊“控制”，彈出“打開(kāi)控制系統(tǒng)”對(duì)話(huà)框，在“捷徑”下列表框中選擇“機(jī)床庫(kù)”（library）選項(xiàng)，選擇FANUC M .CTL，單擊“打開(kāi)”（open）按鈕，完成控制系統(tǒng)添加。

4）建立機(jī)床刀具庫(kù)

在項(xiàng)目樹(shù)種雙擊“加工刀具”，彈出“刀具管理器”對(duì)話(huà)框。在菜單中選取添加--＞新刀具--＞銑刀，彈出圖2中1號(hào)刀具，按所需建立的銑刀類(lèi)型(包含平地銑刀、圓鼻銑刀、球頭銑刀、鉆消刀具及用戶(hù)自定義等)，設(shè)置刀具幾何參數(shù)，添加確定后返回刀具管理對(duì)話(huà)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(lèi)型和規(guī)格等，已備用到哪一把刀根據(jù)描述都?jí)蜓杆俚恼{(diào)入所需刀具。

圖2 刀具管理器

5）機(jī)床文件保存

將建立的文件分別保存為用戶(hù)文件sizhou.usr,控制系統(tǒng)文件sizhou.ctl,機(jī)床文件sizhou.mch和刀具庫(kù)文件sizhou.tcl.如圖3所示的是已建立的虛擬機(jī)床環(huán)境。

圖3 虛擬機(jī)床環(huán)境

3 仿真實(shí)例的應(yīng)用

下面就把上述建立好的VMC600機(jī)床，進(jìn)行“五星”零件仿真加工。實(shí)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(dòng)VERICUT，調(diào)用上述建立好的VMC600四軸機(jī)床；

2）添加毛坯零件。將五星毛坯零件和設(shè)計(jì)零件的STL模型文件導(dǎo)入部件樹(shù)；

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

4）添加數(shù)控程序。在組件樹(shù)中選擇“數(shù)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(shù)控程序；

5）設(shè)置工件原點(diǎn)；

6）仿真零件，檢查數(shù)控程序的正確性，設(shè)置碰撞、超程、干涉等識(shí)別顏色，單擊工具條上的“單步仿真”或“連續(xù)仿真”鍵，開(kāi)始加工仿真；

7）仿真結(jié)果分析。采用縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和打剖面等工具，能從不同視點(diǎn)觀察，詳細(xì)精確地測(cè)量切削模型。選取主菜單上“分析”→“測(cè)量”，可以測(cè)量工具距離、角度、材料的厚度、孔深；選取菜單上分析→自動(dòng)比較菜單命令，可以檢查零件有無(wú)過(guò)切、殘留材料等現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)數(shù)控加工仿真的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，并應(yīng)用到教學(xué)中。本課題建立的數(shù)控仿真四軸機(jī)床應(yīng)用在我院的實(shí)習(xí)教學(xué)中，大大解決了我院實(shí)習(xí)工位不夠的矛盾。學(xué)生利用建立的四軸機(jī)床，在仿真加工過(guò)程中不僅能顯示刀具與零件相接觸進(jìn)行切削部分，還能夠同時(shí)在另一視圖中展現(xiàn)出整個(gè)機(jī)床及其各軸的運(yùn)動(dòng)情況，這樣能夠更好的觀察刀具是否會(huì)與機(jī)床發(fā)生碰撞干涉，對(duì)機(jī)床整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的表現(xiàn)就與觀察真實(shí)加工時(shí)的機(jī)床完全一樣，來(lái)幫助學(xué)生清除編程錯(cuò)誤和優(yōu)化切削參數(shù)，從而提高加工效率。

[1]楊生群.數(shù)控仿真技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)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(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2006，6：86-88.

[3]魏林.基于VERICUT的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2008.