基于VERICUT的四軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床仿真研究

席鳳征

中國礦業(yè)大學(xué),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(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，我院花費巨資引進(jìn)了20臺數(shù)控車床和20臺數(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)必須在真實的機(jī)床上進(jìn)行，這種培訓(xùn)不僅浪費各種相關(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，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，而這類機(jī)床造價就會更高，一般學(xué)校不會花巨資引進(jìn)很多臺，最大一兩臺。面于這種形勢，我院就轉(zhuǎn)變了教學(xué)方式，采用仿真教學(xué)和實際操作相結(jié)合的方式來進(jìn)行教學(xué)。目前市場上用于數(shù)控仿真的軟件比較多的是斯沃和宇龍，但這一類軟件只能仿真三軸以內(nèi)的，當(dāng)三軸以上的就不能仿真了，而vericut更加專業(yè)些，支持三軸以上的，比如五軸聯(lián)動等等。

1 VERICUT仿真軟件簡介

VERICUT是美國CGTech公司開發(fā)的一種運行于WINDOWS和UNIX平臺的計算機(jī)上的先進(jìn)的專業(yè)數(shù)控加工仿真軟件。它是一款專為制造業(yè)設(shè)計的CNC數(shù)控機(jī)床仿真和優(yōu)化軟件，打破了以前只能通過傳統(tǒng)的切削實驗部件方式，利用VERICUT軟件來檢驗加工程序的準(zhǔn)確性和整個機(jī)床的加工過程，來幫助用戶改進(jìn)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(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(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)控加工過程仿真功能，對我院新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自帶的簡單建模工具建立機(jī)床模型,這種方法需要用戶很強(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體參數(shù)模型，并對機(jī)床各部件進(jìn)行了裝配，確定尺寸參數(shù)及相對位置的合理性，同時在CAM模塊中完成了數(shù)控編程工作，并運用后處理模塊生成了針對具體機(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）運行VERICUT7.0應(yīng)用程序，創(chuàng)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(shè)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(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。

①將導(dǎo)出的機(jī)床模型文件復(fù)制到用戶目錄，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，在項目樹中，選中base(0,0,0)節(jié)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(yīng)的STL格式文件，正確設(shè)置位置參數(shù)，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(jié)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(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，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軸部件和移動附屬（attach）部件添加。完成后如圖1。

圖1 機(jī)床運動機(jī)構(gòu)

（4）設(shè)置機(jī)床

定義機(jī)床運動結(jié)構(gòu)后，需要對機(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(jī)床庫”（library）選項，選擇FANUC M .CTL，單擊“打開”（open）按鈕，完成控制系統(tǒng)添加。

4）建立機(jī)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(shè)置刀具幾何參數(shù)，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(guī)格等，已備用到哪一把刀根據(jù)描述都夠迅速的調(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文件sizhou.usr,控制系統(tǒng)文件sizhou.ctl,機(jī)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(jī)床環(huán)境。

圖3 虛擬機(jī)床環(huán)境

3 仿真實例的應(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(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)計零件的STL模型文件導(dǎo)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(shù)控程序。在組件樹中選擇“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；

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

7）仿真結(jié)果分析。采用縮放、移動、旋轉(zhuǎn)和打剖面等工具，能從不同視點觀察，詳細(xì)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(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過對數(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)用在我院的實習(xí)教學(xué)中，大大解決了我院實習(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，還能夠同時在另一視圖中展現(xiàn)出整個機(jī)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(jī)床發(fā)生碰撞干涉，對機(jī)床整體運動形態(tài)的表現(xiàn)就與觀察真實加工時的機(jī)床完全一樣，來幫助學(xué)生清除編程錯誤和優(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：沈陽理工大學(xué)，2008.