基于VERICUT 的数控仿真环境建立与教学应用

2013-07-19赵立忠郭登月马云辉闫纪红

实验室研究与探索 2013年1期

赵立忠，郭登月，马云辉，闫纪红

(哈尔滨工业大学工业工程系，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

随着计算机技术的不断改善和计算机图形学的飞速发展，计算机仿真技术在加工制造业中得到了广泛的应用［1］，也成为了柔性制造的基础［2］。我校某实验室有台牧野立式数控加工中心，是柔性制造实验系统的一个环节，在对学生进行实验教学的过程中，承担着大量单件小批零件的加工任务。由于学生经验不足，编出的NC 程序不可避免地出现错误，加工中经常有撞刀等现象的发生，对刀具和机床的损害较大，并且对学生的人身安全造成一定威胁。为保证实验效果及实验过程中的人机安全，有必要通过仿真软件对数控程序进行加工前的验证工作。

利用数控程序仿真软件VERICUT 可以建立虚拟加工的仿真环境，可在零件的实际加工之前，在虚拟仿真环境中进行试切检验，能够大大减少类似非预期情况的发生。通过VERICUT 的加工仿真，可以消除过切，改善表面质量，避免物理空间的干涉等不安全因素，提高一次加工的成功率，同时，VERICUT 能够优化数控程序，提高加工效率。本文利用VERICUT 建立数控加工中心的虚拟仿真环境，指导实验教学，增强了实验的安全性，在实践中取得良好效果。

1 数控机床仿真环境的建立

1.1 VERICUT 数控加工仿真技术

VERICUT 是美国CGTech 公司开发的一款数控加工专用仿真软件［3］，可以同时进行刀具轨迹和机床仿真［4］。该软件不但可以提高零件试切成功率，减少废品，也可以模拟机床加工零件，避免机床碰撞事故，同时还可以对程序进行优化，提高生产效率，改善零件表面质量［5-6］。

VERIUCT 可以仿真数控车床、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。在仿真过程中，由于VERICUT 友好的人机界面，在三维显示刀具切削毛坯形成零件的全过程的同时，也能显示机床各部件之间的相对运动全过程。VERICUT 还可以检验机床各部件之间、刀具与夹具之间及刀具与毛坯之间的干涉和碰撞，以视图中红色区域显示出来，状态提示栏里error 和warning 进行具体说明。在模拟加工结束后，可以进行加工质量检查，方便地进行尺寸测量和过切及残留检查。更为重要的是，VERIUCT 能进行切削速度优化［7］，进而优化数控程序，缩短加工时间。

建立数控仿真环境就是在计算机上建立虚拟的数控机床实体、控制系统、刀具库、坐标系统等［8］。用VERICUT 进行机床仿真以NC 代码为驱动数据，需要有相应的数控系统(* .ctl)文件，才能正确读取NC 代码，可以直接调用已有的控制系统文件，也可以自己建立新的文件。此外为了实现机床的3D 动态仿真，需要建立数控机床(* .mch)文件，其中包括机床的运动学模型和实体模型，运动学模型定义机床各部件之间的关系和各自的位置，实体模型可以由UG 或其他建模软件中导入，也可以直接在VERICUT 中建立。建立完实体模型后，通过机床选项卡可以输出* .mch 数控机床文件。

1.2 数控加工中心参数

本实验室牧野立式数控加工中心相关信息如下所示:机床型号Makino，控制系统FANUC 11M-A4，X 轴、Y 轴行程700 mm×450 mm，Z 轴行程450 mm，3 轴代附加A 轴4 轴控制3 轴联动，主轴转数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 自动换刀21 把刀具，工件最大质量1 000 kg，电源220 V，50/60 Hz，3 相，23 kVA，NC 输入在线传输。

该加工中心如图1 所示。

1.3 VERICUT 中仿真环境的建立

1.3.1 创建加工中心组件树

用VERICUT 建立机床模型是机床结构在计算机上的映射［9］。在VERICUT中有2种方法构建机床:①通过VERICUT 自带的简单建模工具建立机床模型，但VERICUT 软件只提供了块体、柱体和锥体的简单模型;②对于机床更复杂的模型建模可以使用其他CAD软件先建立好机床模型，再将机床模型文件导出为VERICUT 可以接受的文件格式，如. IGES，. STL 等文件格式，最后导入VERICUT［10］。分析机床的结构和运动变换机理，对其进行功能分解，保证机床组件拓扑关系不变，建立运动学模型［11］。打开VERICUT 软件，定义好工作目录后，新建一个公制项目，定义组件:

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

Base ＞Z ＞Spindle ＞Tool

图1 牧野立式数控加工中心

所建立的组件树如图2 所示，该组件树描述了数控加工中心数字模型的拓扑关系。

图2 组件树

1.3.2 创建加工中心实体

在已定义好的组件下“模型”上右击，可以添加模型到组件。VERICUT 提供简单的实体模型，如圆柱、方块、圆锥等。对于复杂的模型，可以通过旋转面轮廓、扫面轮廓等创建，但操作比较繁琐，应用较少。一般常用的是通过模型文件(* . stl、* . stk、* . dsn、* .swp、* . ply、* . fxt 等)导入到组件。模型文件可由UG 等建模软件生成进而导出为* . stl 等文件。例如T 形槽，作者是在现场测量出尺寸，在UG 中建模，导出为* .stl 文件后，再在项目树X 组件下“模型”上右击“添加模型文件”，添加T 形槽，通过移动和旋转调整至合适的位置。最终建立好的机床实体如图3 所示。

图3 机床实体模型

1.3.3 数控加工中心设置

定义加工中心运动结构完成后，需要对加工中心模型进行初始化设置，如机床干涉检查、机床初始化位置、机床行程等。点击“配置”(Configuration)—“机床设定”(Machining Setting)，弹出“机床设定”对话框，“机床设定”可用于设置机床初始位置、换刀位置等细节参数［12］。机床X 轴、Y 轴、Z 轴行程极限的设定如图4 所示。设置完成后，即可保存为* .mch 机床文件。

图4 床行程极限设定

2 数控加工中心仿真环境的应用

创建完仿真环境后，保存为* . VCPROJECT 项目文件后即可。在UG CAM 编程完毕后，通过特定的后处理，使刀路轨迹转换为可被数控机床识别的数控程序，进而加载到项目树中的数控程序里。在项目树中双击“控制”，弹出“打开控制系统”对话框，在“捷径”下列表框中选择“机床库”(library)选项，选择VERICUT 自带的fan15m.ctl 文件，单击“打开”(open)按钮，完成控制系统添加［13］。在项目树中创建刀具，并且和UG 编程所需刀具一致［14］。在Attach 节点下创建夹具和毛坯模型，通过移动和旋转调整到正确的位置即可。在VERICUT 主窗口中，点击“重置模型”按钮后，点击“仿真到末端”按钮，即可启动加工过程仿真。

利用该仿真机床环境，对某风扇凸模进行了加工仿真，如图5 所示。

仿真加工过程很直观，学生可以直接看到工件从毛坯逐渐被加工成最终所要求的几何形状，并且在仿真的过程中，可以通过鼠标拖动，从不同的角度观察仿真过程。通过人为对相关加工参数的调整，可以在仿真过程看到相应的变化，当仿真结果达到加工要求时，保存相关参数设置。检测利用该数控程序的实际切削结果，进入VERICUT 环境中查看日志文件［15］，和预先的仿真加工结果完全一致。这表明所设计的仿真模型是合理、可行的。