基于VERICUT的多通道数控车削中心加工仿真

王忠平，宋福田，李世涛，徐　鹏

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)



基于VERICUT的多通道数控车削中心加工仿真

王忠平，宋福田，李世涛，徐鹏

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

数控加工仿真技术已成为数控加工切削过程中必不可少的环节，尤其是对于复杂结构的贵重数控设备。想要最大化此类设备的效能，并确保设备安全，应在实际加工进行之前验证刀具轨迹、切削参数的正确性和合理性，杜绝过量切削、刀具干涉和设备部件碰撞等意外错误。以企业中典型的多通道车削中心机床BOEHRINGER VDF 650为例，介绍了数控机床仿真软件VERICUT的基本概念和配置方法，展示了其对该类复杂数控设备程序校验的有效性和必要性。

多通道数控机床；数控加工仿真；数控系统配置

随着制造业的发展，零件的复杂程度和精度要求越来越高，而CAD/CAM软件的应用普及，也使得数控程序更加复杂，稍有不慎，就会出现刀具与工件、夹具以及附件头与工件或夹具等碰撞，或者是不易察觉的过切、欠切等现象。为达到保护贵重设备安全和增加加工效率的目的，数控机床加工仿真就成为加工流程中极其重要的一环[1]。

VERICUT是CGTech公司研发的一款数控加工仿真软件，是当前全球数控加工程序验证、机床模拟和程序优化软件领域的领先者。VERICUT软件由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成。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；能进行NC程序优化，缩短加工时间，可检查过切、欠切，防止机床出现碰撞、超行程等错误；具有真实的三维实体显示效果，切削模型可测量尺寸，并能保存模型供检验及后续工序切削加工。

1　数控机床仿真环境建立

建立数控仿真环境就是在计算机上建立虚拟的数控机床本体、控制系统和刀具库等，通过添加毛坯，调用数控程序，就可以在PC机上观看到和机床加工一样的效果，因此，建立数控机床仿真环境是进行切削仿真的基础。本文以一台德国多通道车削中心机床BOEHRINGER VDF 650为例，通过VERICUT软件进行机床的建模、运动关系构建，以及数控程序的仿真，从而进行程序校验，机床碰撞检查，预测零件加工过程中的各关键工序是否达标[2-3]。

1.1机床结构模型构建

在机床结构模型构建中，首先找出机床各运动部件的运行关系，并按其运行叠加的父子关系构建机床组件树。本文要构建的车削中心机床BOEHRINGER VDF 650的结构复杂，主要体现在此台车削中心具有2个刀塔(左刀塔和右刀塔)，2个主轴(第一主轴和第二主轴)，2个可编程中心支架(支架1和支架2)。对于这类具有多组可同时运动加工部件的机床，一般称之为多通道机床，而在VERICUT软件中构建这种机床时，多组运动部件则需要通过“子系统”属性来区别[4]。就这台机床来说，全部机床运动组件被区分为3个子系统：1)左刀塔；2)右刀塔；3)第二主轴和可编程中心支架。具体组件结构及其子系统配置如图1所示。

图1　组件结构及其子系统配置图

1.2机床控制系统配置

数控仿真的核心是对各种数控设备的各种加工指令的支持。众所周知，不同的机床设备具有各自不同的特定加工指令，而数控仿真则需要准确无误地模拟出这些特定指令在机床上的运动效果。在VERICUT软件中，特定控制系统指令的配置主要分两大部分：1)申明命令的字符格式，包括命令字符的类型、数字格式等；2)此指令所带来的特定动作宏指令，而这些宏指令是VERICUT软件针对各种数控系统而开发的特定动作的集合。就车削中心BOEHRINGER VDF 650来说，因其结构复杂，运动组件众多，因而具有众多与众不同的指令。最具有代表性的就是各运动组件间的同步指令，如加工准备阶段支架的运动指令，第二主轴运动卡抓毛坯零件的运动指令等。支架1和支架2的运动指令M24/M25/M26/M27的配置细节如图2所示。

图2　支架1和支架2运动指令M24/M25/M26/M27配置

1.3创建刀具库

VERICUT软件可创建各种类型的加工刀具，如铣刀、车刀、钻头、丝锥和成型刀具等。一般刀具由两部分组成，即刀体和刀柄，而这些部分的创建可以在VERICUT系统内输入参数驱动创建，或者通过STL或STP格式导入其他三维CAD软件的模型文件。创建刀具的步骤如下。

1)创建刀具切削部分。以车刀为例，首先就是创建车削刀片。在VERICUT刀具库中选择对应的刀片类型，并输入对应的外形参数(见图3)。

图3　车刀刀片创建

2)创建刀柄部分。对于车削中心机床的车刀，刀柄部分模型一般分2块：一块是刀杆；另一块是刀座。这2块模型可以在VERICUT软件里创建，也可以通过其他CAD软件造型后以其他格式文件导入。在VERICUT软件里创建车刀的刀杆如图4所示。

图4　车刀刀柄的创建

3)创建车刀刀座。车刀的切削特性是固定在机床刀塔上固定不动，所以车刀刀杆会通过刀座固定在车床刀塔上。刀座的形状一般较为复杂，通常通过其他三维CAD软件创建后导入VERICUT刀库中。车刀刀座创建示意图如图5所示。

图5　车刀刀座的创建

4)设置刀具装夹点和装夹方向。创建出的刀具通过装夹点与机床上的装刀位置重合，装夹方向保证刀具的切削部分处于合适的位置。装夹方向一般是针对车刀而言才需要设置，因为铣削刀具工作中是处于旋转状态，无需设置刀片方向，而车刀工作状态是固定不动，若不注意刀片方向，可能会造成刀具切削错位。装夹点和装夹方向设置图如图6所示。

图6　装夹点和装夹方向设置

2　轴类零件车削仿真实例

典型轴类车削零件如图7所示，该零件的加工涵盖了各种主要的车削加工工艺，如车外圆、端面，镗内孔以及车螺纹等。由于该零件两端均需加工，如用普通车床加工，则需要2次装夹才能完成整个零件的加工，而应用BOEHRINGER VDF 650机床，2个主轴可切换加工，从而保证了零件1次装夹完成全部加工。

图7　典型轴类零件实例

手工编制的2个刀塔的数控程序如图8所示。该类程序的校验完全依靠人工检查，费时费力，不直观，并容易遗漏，从而造成加工错误。

通过VERICUT软件，加载构建好数控机床和控制系统文件，并对应载入加工毛坯模型、数控程序、加工刀具以及加工程序零点等信息，则可以在VERICUT视图界面非常直观地观察数控程序的详细加工过程，如支架的预定位、第一主轴和第二主轴对零件的抓取、以及2个刀塔分别的加工及同步等待等各种加工状况。零件加工过程中的VERICUT仿真截图如图9所示。

图8　2个刀塔数控程序

图9　VERICUT轴类零件仿真

3　结语

随着数控加工质量越来越严格要求，以及各种高端加工设备的广泛应用，VERICUT软件模拟仿真替代了简单的人工校验和机床试切，通过VERICUT软件的数控化平台检验了工件装夹，机床运动，刀具、刀柄及机床附件等机构的运动过程， 避免了相互之间碰撞和干涉。这种程序验证方法既提高了NC程序的可靠性，减少了程序在机床上的调试时间，确保了制件的加工质量，又减轻了工艺编程人员的工作压力和劳动强度，提高了工艺员的编程效率，还为今后越来越复杂的数控加工程序的验证提供了方便，也使数控加工登上了一个比较高的平台。

[1] 袁绍斌，胡章洪，吴勤．虚拟制造技术在复杂曲面五轴联动加工中的应用[J]．CAD/CAM与制造业信息化，2006(2)：139．

[2] 李云龙，曹岩，魏娟，等．数控机床加工仿真系统VERICUT[M]．西安:西安交通大学出版社，2005．

[3] 刘东晓,董晓,张传峰. 基于VERICUT的数控加工仿真验证[J]. 新技术新工艺, 2015(12):97-100.

[4] 唐秀梅,牛昌安,杨胜群. Vericut数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社, 2010.

责任编辑郑练

Multi-channel CNC Turning Center Machine Simulation in VERICUT

WANG Zhongping, SONG Futian, LI Shitao, XU Peng

(CSR Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111, China)

CNC machining simulation technology has become an essential part of the cutting process, especially for the expensive complex structure CNC equipment. If we want to maximize the effectiveness of such devices, and to ensure the safety of the device, all cutting processes must be verified before the actual machining on devices. Ensure correct cutting parameters and rationality, prevent over-cutting, tool collisions, equipment components collisions, and other unexpected errors. The typical multi-channel turning center machine BOEHRINGER VDF 650 is taken as an example, introduce the basic concepts and configuration methods of VERICUT CNC machine simulation software, demonstrate its effectiveness and necessity of such a complex machine.

multi-channel CNC machine, CNC machine simulation, CNC control configuration

2015-11-13

TG 519.1

A

王忠平(1980-)，男，高级工程师，主要从事动车组车体加工工艺等方面的研究。