基于Solidworks和VERICUT的虚拟数控系统研究

2011-07-03刘锡胜

制造业自动化 2011年21期

刘锡胜

(山东胜利职业学院机电工程系，东营 257097)

0 引言

随着计算机技术、通讯技术、多媒体技术、图形图像技术和可视化技术的迅速发展，以虚拟现实技术为基础的虚拟原型、虚拟设计、虚拟制造已广泛地应用到实际生产中。虚拟制造系统是实际制造系统在不消耗能源和资源的信息世界里的完全映射。它利用信息技术、仿真技术和计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而实现产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期、增强产品竞争力的目的。虚拟数控机床是虚拟制造系统的重要组成之一，利用虚拟数控机床可以在计算机中实现仿真加工，检验加工工艺方案，甚至还可以优化数控程序，达到提升加工质量、提高效率、降低成本的目的。同时，由于仿真加工的安全性、经济性和可分析性，使得虚拟数控机床成为可应用于教学的虚拟教学设备[1,2]。

VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC程序优化，缩短加工时间、延长刀具寿命、改进表面质量，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误；具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工[3]。

1 虚拟数控系统的建立

虚拟数控系统的体系结构如图1所示：它包括虚拟加工环境（也就是虚拟数控机床及其夹具、刀具、零件和毛坯组成）和虚拟加工过程，包括数控程序编制、三维动画仿真和加工精度检查。

图1 虚拟加工系统结构

欲进行程序的仿真，首要问题是构建仿真平台，方便而准确的建立实际机床的仿真模型是实现加工仿真的保证。

现以一个三轴立式铣床XK716为例（如图2所示），使用Solidworks创建VERICUT仿真加工用数控机床结构模型，使用VERICUT进行仿真加工。XK716铣床XYZ轴的行程分别为1000、600、500mm，工作台尺寸为1300×600，主轴鼻端至工作台面距离为150-650mm，主轴中心至立柱导轨面距离为655mm。我们将虚拟机床的结构部分按照功能分解为床身、Z工作台及其主轴刀具、Y工作台、X工作台及其夹具、工件等。由于VERICUT软件建模提供的模型仅有长方形、圆柱形和圆锥形等几种，方法较单一，难于开发创建新机床结构模型，借助于Solidworks软件强大的建模能力，现在Solidworks里建立虚拟机床的结构模型，然后通过Solidworks的装配建模建立机床各结构部件的相对位置关系，然后保存成VERICUT能够调用的stl格式文件。

图2 XK716数控铣床

首先进行运动学建模，确定各运动轴的分配关系[6]。仿真机床是将实际机床进行一定形状的抽象，按照各部件间一定的逻辑结构关系和运动依附关系组合而成的机床抽象模型，该模型能真实反映机床各个坐标轴的逻辑关系和运动关系，并能真实再现机床运动轨迹。如图3为虚拟机床的逻辑关系。

图3 构建VERICUT机床逻辑关系

使用VERICUT软件进行数控加工仿真时，常需要构建数控机床的结构模型，软件提供的创建方式仅有长方形、圆柱形和圆锥形等几种，方法较单一，难于开发创建新机床结构模型。借助Solidworks系统的强大建模及数据交换功能，用户可以定制符合自身需要、更为细致逼真的机床结构模型，以期对数控加工过程的模拟达到更真实、贴近现实的程度。

用Solidworks建立三轴立式铣床XK716的床身立柱、X工作台、Y工作台、Z工作台如图4所示。在Solidworks中完成装配，然后保存成各部件的stl格式文件，再建立好的VERICUT机床组件树中导入机床几何模型，就完成了虚拟数控铣床XK716，结果如图5所示。

图4 XK716装配图

图5 虚拟数控铣床结构

设置好数控机床的组成和结构及初始化参数后，机床仍不能运动，要实现加工运动，还需要给机床配置数字控制系统，使机床具有解读数控代码、插补运算、仿真显示等基本功能，本文选用Funuc0M数控系统，给数控系统选择fan0m.ctl。根据图1所示的虚拟数控系统的体系结构，完成了虚拟机床建模后，给虚拟机床配置上一个夹具，这里选用电磁式夹具，夹具尺寸长为400mm，宽为200mm，高为100mm，放置在X工作台中心，零件图及毛坯如图6所示的结构，虚线为毛坯图，毛坯尺寸长为200mm，宽为100mm，高为40mm。实线为零件图，其深度为30mm。

然后进行编程零点的设置，通过VERICUT的Work offset可以设置编程零点，这里编程零点设置在毛坯上表面中心位置。以上设置好后，就可以编制数控程序进行仿真加工了，仿真加工如图7所示：图左为制件图，图右为机床切削模型图。由图可以看出，在虚拟数控铣床上完成了零件图的加工，加工结果完全设计的零件图吻合。