集成仿真验证技术的数控虚拟仿真环境构建

王 卫 兵

(台州职业技术学院， 浙江 台州 318000)



集成仿真验证技术的数控虚拟仿真环境构建

王 卫 兵

(台州职业技术学院， 浙江 台州 318000)

利用NX ISV模块构建了YHC850A四轴立式数控铣床的虚拟仿真环境，实现CAD/CAM/NC编程的一体化实践教学。介绍了机床及其运动模型的构建过程；应用所建的仿真环境在实践教学环节指导实训教学，可以提高学生的学习兴趣，增强实训的安全性。针对某零件的数控加工案例，验证了该仿真环境的可行性。

集成仿真验证； 虚拟机床； 数控编程； 实践教学

0 引 言

随着数控技术与计算机辅助制造技术的普及，在高职院校的数控技术与模具等专业普遍开设了CAD/CAM软件应用与多轴数控加工的实训课程，由于学生经验不足，编制的NX程序不可避免地出现错误，因而必须先通过仿真软件进行加工前的校验，而仿真软件的应用也可解决实习工位短缺的问题[1-2]。当前，应用VERICUT软件进行机床的建模与仿真较为普及[3-5]，但由于VERICUT只是一个仿真软件，在该软件中进行机床、刀具与夹具的建模较为不便；对于校验中有问题的程序，由CAM重新编程，需要再次输入进行检验，切换中容易产生问题；而VERICUT软件的安装与学习也将增加学校与学生的负担。

SIEMENS NX(旧称UG)是当前普遍使用的CAD/CAM软件之一，该软件具备强大数控编程能力，能完成2～5轴的数控铣、数控车、车铣复合、线切割的各种加工数控程序的创建[6]，该软件提供了ISV集成仿真验证模块，可以实现在NX环境下的机床模型创建，并以逼真的画面对CAM生成的刀具轨迹程序进行模拟和校验，可以监控机床、工件、夹具和刀具之间的碰撞干涉情况[7-8]。应用ISV集成仿真验证模块，将数控加工程序编制与仿真验证在同一软件系统中运行，保证了仿真的实用性，减少了数据转换，提高编程效率[9]。

本文利用NX ISV模块构建了YHC850A-4轴立式数控铣床的虚拟仿真环境，详细介绍了机床及其运动模型的构建过程；应用所建的仿真环境，针对某零件的数控加工实例，验证了该仿真环境的可行性。将其应用于实践教学环节指导实训教学，可以提高学生的学习兴趣，增强了实训的安全性。

1 数控虚拟仿真环境的建立

1.1 机床模型的建立

在进行机床仿真之前，首先要建立一台机床的几何装配模型。可根据机床的具体结构，利用NX软件的三维建模和装配功能完成。在创建机床三维模型时，只是需要创建出关键的形状，而不需要完成非常细节的部位，否则既浪费时间，又会在进行加工模拟时影响模拟效率。如图1所示为YHC850A四轴数控铣床主要部件所组成的机床仿真模型，由床身、Z主轴头、Y工作台、X工作台、旋转工作台等部件装配而成。

图1 XK-4机床装配模型

1.2 机床运动组件的构建

只有在机床的仿真模型上定义了运动，机床驱动器(Machine Tool Driver, MTD才能通过后处理文件驱动机床进行运动。应用机床构建器(Machine Tool Builder，MTB)来定义机床床身和各运动部件、主轴头及其运动，定义的运动要完全参照实际机床的运动，这样进行的仿真才会生成可靠的结构[8]。 在机床组件定义时，需要抓住两个主传动链，一个是“床身-刀具”传动链，另一个是“床身-工件”传动链，这两个主传动链构成了机床的基本模型，每一传运链就成为一个“组件树”。

机床运动组件定义的主要步骤如下：

(1) 指定机床的床身部件。进入MTD模块，在机床配置器的名称栏单击右键插入机床组件，指定名称为“MACHINE_BASE”，选择床身创建父节点，并指定其分类联接为“机床零点”。

(2) 插入运动组件。在床身(MACHINE_BASE)插入机床组件，指定名称为“Z_SLIDE”，选择主轴头部件为Z轴运动部件；在Z_SLIDE下再插入主轴SPINDLE组件；在床身(MACHINE_BASE)下插入X轴的运动组件(X_SLIDE)，选择X轴向工作台；在X_SLIDE下再插入Y_SLIDE组件，选择工作台为Y轴运动组件；在Y_SLIDE下再插入A_BASE组件，选择旋转工作台的基座，并指定联接点“A-ROT”；在A_BASE下再插入机床组件，选择旋转工作台为A轴的运动组件。

(3) 插入加工相关组件SET_UP，PART，BLANK，FIXTURE，并且指定SET_UP、PART、BLANK、FIXTURE的分类组件分别为_SETUP _ ELEMENT、_PART、_WORKPIECE、_SETUP _ ELEMENT。这4个组件并不包含任何几何模型，它们是为以后模拟仿真的应用准备的，其中PART针对放置具体的加工零件，BLANK放置零件毛坯模型，FIXTURE放置工装夹具模型。

(4) 在机床运动组件上创建连接坐标系并分类。先设定机床的原点与坐标轴方位；再在机床导航器中，选取SPINDLE节点，指定轴为“S”，分类组别为“_DEVICE”，分类联接为刀具安装。

(5) 定义加工零件的装夹位置。编辑SET_UP组件，指定联接点为“PART_MOUNT_JCT”，并选择建立在旋转工作台中心的WCS为工件安装时的坐标系，在模拟加工时，加工零件将安装在该处。

(6) 在机床运动组件上创建NC轴。分别选择X_SLIDE、Y_SLIDE、Z_SLIDE创建线性轴X、Y、Z，并可以指定每一轴的初始位置、极限位置与移动速度；选择A_SLIDE创建旋转轴A。

在创建虚拟机床时，参考两条运动链的顺序添加子节点部件，逐步建立机床运动模型。本文建立的该4轴数控加工中心的运动模型结构图如图2 所示。

图2 4轴数控加工中心的运动模型结构图

1.3 创建机床后置处理器

应用后处理构造器(Post Builder，PB)创建指定机床控制器对应的后置处理器[10-11]，可参考系统已有的类似的后处理器，通过编辑设置与运动定义中匹配的参数，如运动方向的限制值、小数位数、后处理输出的程序头信息等。保存得到的后处理文件以及虚拟NC控制器，就可以自动生成一些MTD所需要的文件。

1.4 注册虚拟机床

在NX的机床库记录文件Machine-Data.dat中添加一条新机床的记录，以使IS&V能够找到该机床。还要在NX的Post Process文件夹中新建立一个专门用于该铣床的后处理设置文件(DAT文件)用于指定MTD所需要的后处理文件的保存位置。

至此，在NX环境中的数控铣床仿真环境已经完全建立。

2 数控虚拟仿真环境的应用

2.1 虚拟机床的装载

在加工模块中激活工序导航器，并将其显示切换到机床刀具视图，将通用机床改为调用自定义的机床运动模型“YHC_4X_MILL”，并指定“使用部件安装联接”(Part Mounting Junction)选项，系统将自动将定义的零件安装坐标系与虚拟机床中的零件安装坐标系对齐，从而将零件正确地安装在机床上。

2.2 工件、毛坯与夹具的定义

在机床导航器中展开PART组件进行编辑，选择零件为PART组件。同样方法添加毛坯BLANK组件与夹具FIXTURE组件。

2.3 可视化仿真

NX可视化仿真是基于加工刀具路径进行加工模拟，用坯料的切削变化来表示刀具模型相对于零件模型的切削过程。在这个过程中，工件固定，而刀具相对于工件移动和旋转。NX可视化仿真可以采用刀轨重播、2D动态和3D动态模拟的方式，可以简便地进行刀具路径的确认。刀轨可视化仿真在加工刀轨创建完成后进行，仅限于对刀具与工件间是否发生碰撞，以及所设定的路径是否能够准确完全的加工进行检验。如图3所示为刀轨可视化的模拟过程。

图3 刀轨可视化仿真

2.4 机床仿真

应用NX ISV集成仿真验证模块建立虚拟机床仿真环境之后，通过对数控机床的运动组件、数控系统、刀具以及夹具、毛坯等虚拟建模，将机床的实际状况考虑进去，实现数控程序的整个加工过程的真实模拟，真正实现了“所见即所得”。通过机床仿真，可以更加全面地检验机床运动是否会超过运动极限、是否会发生刀具与夹具的干涉。

选择程序组或者工序后进行点击“机床仿真”命令，就可以实现机床完整的运动仿真，如图4所示。

图4 机床仿真

在机床仿真过程中，机床工作台与刀具将以实际的运动方式进行移动和旋转，同时实时显示当前运行的程序行，并显示当前的坐标值、主轴转速，切削进给与加工时间等信息，与实际机床控制器上显示的信息相符。

2.5 结果确认

在机床仿真后，还可以对加工结果进行检查确认，选择“通过颜色表示厚度”选项，以用不同颜色显示加工表面的余量，并可以测量指定点位置与理想表面的距离，来验证每一部位的残余量或者是过切量，从而可以预测加工精度与表面质量，如图5所示。

图5 通过颜色表示厚度

3 结 语

应用NX ISV集成仿真验证模块创建的仿真环境进行数控编程的CAD/CAM/NC编程的一体化实践教学，学生可以在NX环境下进行三维造型、数控编程和加工仿真，通过仿真可以检验程序的正确性，并预测零件的加工精度。对于仿真中发现问题的程序，及时进行参数的调整，再次编程并仿真，直至通过仿真验证。由于三维图形化的仿真过程高效直观，在实际的教学实践环节中更能够调动学生的学习兴趣，有效地提升了教学效果。应用该仿真环境后，数控实验环节可以避免撞刀、过切等现象，改善教学效果的同时，也大大提高了实验的安全性，并且大幅度提高机床的利用率。

[1] 焦红卫. 职业院校数控专业实习工位短缺对策探讨[J]. 职业教育研究，2011(3): 70-71.

[2] 耿习琴, 郝小忠, 高 珏. 数控加工仿真系统的设计及其在工程训练中的应用[J]. 中国制造业信息化,2008(5):77-80.

[3] 赵立忠，郭登月，马云辉，等. 基于VERICUT的数控仿真环境建立与教学应用[J]. 实验室研究与探索，2013 (1):24-26.

[4] 阮晓光，王寅晨，张党飞. 基于UG与VERICUT的数控加工仿真[j]. 煤矿机械，2012(3)：126-127.

[5] 燕杰春. 基于UG和Vericut软件平台的多轴数控加工编程与仿真加工研究[J]. 制造业自动化，2012(34):41-43.

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[7] 李晓东,王好臣,李玉姓，等. 基于UG NX IS&V的数控加工仿真[J]. 机床与液压，2010(3)：121-123.

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[9] 李海泳,张森棠. NX加工仿真在航空制造企业的实施与应用[C]//产品数字化实践论文集-Siemens PLM Software 2010. 北京：电子工业出版社，2010(10)：299-311.

[10] 谢晓亮. 基于UG的五轴联动数控机床的后置处理系统研究[D]. 武汉：华中科技大学，2009.

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Creating NC Simulation Environment Based on Integrated Simulation Varification Technology

WANGWei-bing

(Taizhou Vocational and Technical College, Taizhou 318000, China)

This paper constructs a virtual simulation environment of YHC850A 4 axis vertical NC milling machine by using the NX ISV module. It realizes the integration of the practice teaching of CAD/CAM/NC programming. The construction process of the machine and motion model is introduced; Practical teaching with the simulation environment can improve the students’ interest in learning, and enhance safety for training. Taking a CNC machining part as example, it verifies the feasibility of the simulation environment.

integrated simulation verification technology; virtual machine; NC programming; practice teaching

2015-01-01

王卫兵(1974-)，男，浙江温岭人，硕士，副教授，主要从事数控与CAD/CAM/CAE等技术的教学与研究。

Tel.：0576-88665140；E-mail:wbcax@sina.com

TH 164

A

1006-7167(2015)08-0090-03