趙立忠，郭登月，馬云輝，閆紀紅

(哈爾濱工業(yè)大學 工業(yè)工程系，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

隨著計算機技術(shù)的不斷改善和計算機圖形學的飛速發(fā)展，計算機仿真技術(shù)在加工制造業(yè)中得到了廣泛的應用［1］，也成為了柔性制造的基礎(chǔ)［2］。我校某實驗室有臺牧野立式數(shù)控加工中心，是柔性制造實驗系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，在對學生進行實驗教學的過程中，承擔著大量單件小批零件的加工任務。由于學生經(jīng)驗不足，編出的NC 程序不可避免地出現(xiàn)錯誤，加工中經(jīng)常有撞刀等現(xiàn)象的發(fā)生，對刀具和機床的損害較大，并且對學生的人身安全造成一定威脅。為保證實驗效果及實驗過程中的人機安全，有必要通過仿真軟件對數(shù)控程序進行加工前的驗證工作。

利用數(shù)控程序仿真軟件VERICUT 可以建立虛擬加工的仿真環(huán)境，可在零件的實際加工之前，在虛擬仿真環(huán)境中進行試切檢驗，能夠大大減少類似非預期情況的發(fā)生。通過VERICUT 的加工仿真，可以消除過切，改善表面質(zhì)量，避免物理空間的干涉等不安全因素，提高一次加工的成功率，同時，VERICUT 能夠優(yōu)化數(shù)控程序，提高加工效率。本文利用VERICUT 建立數(shù)控加工中心的虛擬仿真環(huán)境，指導實驗教學，增強了實驗的安全性，在實踐中取得良好效果。

1 數(shù)控機床仿真環(huán)境的建立

1.1 VERICUT 數(shù)控加工仿真技術(shù)

VERICUT 是美國CGTech 公司開發(fā)的一款數(shù)控加工專用仿真軟件［3］，可以同時進行刀具軌跡和機床仿真［4］。該軟件不但可以提高零件試切成功率，減少廢品，也可以模擬機床加工零件，避免機床碰撞事故，同時還可以對程序進行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，改善零件表面質(zhì)量［5-6］。

VERIUCT 可以仿真數(shù)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(shè)備的數(shù)控加工過程。在仿真過程中，由于VERICUT 友好的人機界面，在三維顯示刀具切削毛坯形成零件的全過程的同時，也能顯示機床各部件之間的相對運動全過程。VERICUT 還可以檢驗機床各部件之間、刀具與夾具之間及刀具與毛坯之間的干涉和碰撞，以視圖中紅色區(qū)域顯示出來，狀態(tài)提示欄里error 和warning 進行具體說明。在模擬加工結(jié)束后，可以進行加工質(zhì)量檢查，方便地進行尺寸測量和過切及殘留檢查。更為重要的是，VERIUCT 能進行切削速度優(yōu)化［7］，進而優(yōu)化數(shù)控程序，縮短加工時間。

建立數(shù)控仿真環(huán)境就是在計算機上建立虛擬的數(shù)控機床實體、控制系統(tǒng)、刀具庫、坐標系統(tǒng)等［8］。用VERICUT 進行機床仿真以NC 代碼為驅(qū)動數(shù)據(jù)，需要有相應的數(shù)控系統(tǒng)(* .ctl)文件，才能正確讀取NC 代碼，可以直接調(diào)用已有的控制系統(tǒng)文件，也可以自己建立新的文件。此外為了實現(xiàn)機床的3D 動態(tài)仿真，需要建立數(shù)控機床(* .mch)文件，其中包括機床的運動學模型和實體模型，運動學模型定義機床各部件之間的關(guān)系和各自的位置，實體模型可以由UG 或其他建模軟件中導入，也可以直接在VERICUT 中建立。建立完實體模型后，通過機床選項卡可以輸出* .mch 數(shù)控機床文件。

1.2 數(shù)控加工中心參數(shù)

本實驗室牧野立式數(shù)控加工中心相關(guān)信息如下所示:機床型號Makino，控制系統(tǒng)FANUC 11M-A4，X 軸、Y 軸行程700 mm×450 mm，Z 軸行程450 mm，3 軸代附加A 軸4 軸控制3 軸聯(lián)動，主軸轉(zhuǎn)數(shù)10 ～5 000 r/min，切削速度10 ～2 000 mm/min，快速定位3 000 ～10 000 mm/min，定位精度0.005 mm/700 mm，ATC 自動換刀21 把刀具，工件最大質(zhì)量1 000 kg，電源220 V，50/60 Hz，3 相，23 kVA，NC 輸入在線傳輸。

該加工中心如圖1 所示。

1.3 VERICUT 中仿真環(huán)境的建立

1.3.1 創(chuàng)建加工中心組件樹

用VERICUT 建立機床模型是機床結(jié)構(gòu)在計算機上的映射［9］。在VERICUT中有2種方法構(gòu)建機床:①通過VERICUT 自帶的簡單建模工具建立機床模型，但VERICUT 軟件只提供了塊體、柱體和錐體的簡單模型;②對于機床更復雜的模型建?？梢允褂闷渌鸆AD軟件先建立好機床模型，再將機床模型文件導出為VERICUT 可以接受的文件格式，如. IGES，. STL 等文件格式，最后導入VERICUT［10］。分析機床的結(jié)構(gòu)和運動變換機理，對其進行功能分解，保證機床組件拓撲關(guān)系不變，建立運動學模型［11］。打開VERICUT 軟件，定義好工作目錄后，新建一個公制項目，定義組件:

Base ＞Y ＞X ＞Attach ＞Fixture ＞Stock ＞Design

Base ＞Z ＞Spindle ＞Tool

圖1 牧野立式數(shù)控加工中心

所建立的組件樹如圖2 所示，該組件樹描述了數(shù)控加工中心數(shù)字模型的拓撲關(guān)系。

圖2 組件樹

1.3.2 創(chuàng)建加工中心實體

在已定義好的組件下“模型”上右擊，可以添加模型到組件。VERICUT 提供簡單的實體模型，如圓柱、方塊、圓錐等。對于復雜的模型，可以通過旋轉(zhuǎn)面輪廓、掃面輪廓等創(chuàng)建，但操作比較繁瑣，應用較少。一般常用的是通過模型文件(* . stl、* . stk、* . dsn、* .swp、* . ply、* . fxt 等)導入到組件。模型文件可由UG 等建模軟件生成進而導出為* . stl 等文件。例如T 形槽，作者是在現(xiàn)場測量出尺寸，在UG 中建模，導出為* .stl 文件后，再在項目樹X 組件下“模型”上右擊“添加模型文件”，添加T 形槽，通過移動和旋轉(zhuǎn)調(diào)整至合適的位置。最終建立好的機床實體如圖3 所示。

圖3 機床實體模型

1.3.3 數(shù)控加工中心設(shè)置

定義加工中心運動結(jié)構(gòu)完成后，需要對加工中心模型進行初始化設(shè)置，如機床干涉檢查、機床初始化位置、機床行程等。點擊“配置”(Configuration)—“機床設(shè)定”(Machining Setting)，彈出“機床設(shè)定”對話框，“機床設(shè)定”可用于設(shè)置機床初始位置、換刀位置等細節(jié)參數(shù)［12］。機床X 軸、Y 軸、Z 軸行程極限的設(shè)定如圖4 所示。設(shè)置完成后，即可保存為* .mch 機床文件。

圖4 床行程極限設(shè)定

2 數(shù)控加工中心仿真環(huán)境的應用

創(chuàng)建完仿真環(huán)境后，保存為* . VCPROJECT 項目文件后即可。在UG CAM 編程完畢后，通過特定的后處理，使刀路軌跡轉(zhuǎn)換為可被數(shù)控機床識別的數(shù)控程序，進而加載到項目樹中的數(shù)控程序里。在項目樹中雙擊“控制”，彈出“打開控制系統(tǒng)”對話框，在“捷徑”下列表框中選擇“機床庫”(library)選項，選擇VERICUT 自帶的fan15m.ctl 文件，單擊“打開”(open)按鈕，完成控制系統(tǒng)添加［13］。在項目樹中創(chuàng)建刀具，并且和UG 編程所需刀具一致［14］。在Attach 節(jié)點下創(chuàng)建夾具和毛坯模型，通過移動和旋轉(zhuǎn)調(diào)整到正確的位置即可。在VERICUT 主窗口中，點擊“重置模型”按鈕后，點擊“仿真到末端”按鈕，即可啟動加工過程仿真。

利用該仿真機床環(huán)境，對某風扇凸模進行了加工仿真，如圖5 所示。

仿真加工過程很直觀，學生可以直接看到工件從毛坯逐漸被加工成最終所要求的幾何形狀，并且在仿真的過程中，可以通過鼠標拖動，從不同的角度觀察仿真過程。通過人為對相關(guān)加工參數(shù)的調(diào)整，可以在仿真過程看到相應的變化，當仿真結(jié)果達到加工要求時，保存相關(guān)參數(shù)設(shè)置。檢測利用該數(shù)控程序的實際切削結(jié)果，進入VERICUT 環(huán)境中查看日志文件［15］，和預先的仿真加工結(jié)果完全一致。這表明所設(shè)計的仿真模型是合理、可行的。

圖5 虛擬機床加工仿真

三維圖形化的仿真過程高效直觀，在實際的教學實踐環(huán)節(jié)中更能夠調(diào)動學生的學習興趣，極大地推動了的實驗教學改革，取得了良好的教學效果。應用該仿真環(huán)境后，數(shù)控實驗環(huán)節(jié)沒有出現(xiàn)過撞刀、過切等現(xiàn)象，改善教學效果的同時，也大大提高了實驗的安全性。

3 結(jié) 語

市場上有關(guān)VERICUT 的書籍以及網(wǎng)上相關(guān)資料不多，作者在進行數(shù)控機床仿真環(huán)境建模的過程中走了些彎路，當然，同時也積累了該軟件運用上的一些心得體會。主要有以下幾點:

(1)VERICUT 沒有為所有的操作都提供撤銷功能，因此在試圖做下一步時，記得要先保存，以免造成已有工作的損失;

(2)VERICUT 坐標系比較復雜，有組件坐標系(XcYcZc)、模型坐標系(XmYmZm)、機床坐標系(XmchYmchZmch)、工件坐標系(XwpYwpZwp)等，弄清它們的含義和相互關(guān)系很重要;

(3)仿真過程中可能會出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，比如刀具和毛坯不接觸，可通過坐標系進行調(diào)整，保證工件坐標系的坐標系零點必須和編程坐標系MCS_MILL 的零點重合;

(4)將刀具文件、數(shù)控程序文件、機床文件等保存在一個文件夾里，切記不要隨意更改名稱，這些文件相互之間都有聯(lián)系，重命名會造成仿真異常。

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