VERICUT仿真软件在高职数控理论教学中的应用探索

曾祥苹

（广州南洋理工职业学院， 广东　广州　510925）

引言

在教学中，通过观察发现，很多学生在初次学习数控编程的过程中，对一些概念和过程难以理解，比如说各种机床X、Y、Z轴的确定、左右刀补的含义、刀具加工轨迹以及加工工艺参数的选择等等。虽然广州南洋理工职业学院数控专业对编程课程采用了一体化教学，但因为机床资源有限，不能保证每一堂课都能在实训室进行，因此一些理论概念学生无法得到验证，理解起来比较抽象。针对这一问题，可以在数控理论教学过程中将VERICUT仿真软件与多媒体有效结合使用，即教师在进行理论讲解的同时，利用VERICUT对数控机床加工的床身运动、刀具轨迹、工艺参数选择进行仿真，从而加深学生对数控编程指令的认识和相关概念的理解。下面以本专业《数控加工工艺与编程》课程教学为例，阐述在理论教学过程中如何将VERICUT与多媒体有效结合进行辅助教学[1]。

1　VERICUT仿真软件主要功能

1.1　仿真与验证功能

VERICUT软件是一款由美国CGTECH公司开发的专用数控加工仿真软件，建立在计算机发展之上，应用了计算机先进的三维显示和虚拟制造技术模拟机床床身运动、刀具轨迹等，从而对工件加工过程中可能出现的过切和刀、夹具干涉等错误进行预先检查，其模拟程度及其逼真。在工厂中逐步替代了传统的试切，解决了试切所产生的各种弊端。例如：其逼真的仿真模拟功能，完全替代了工厂的试切环节，节约了生产成本、缩短了产品的生产周期，同时该软件可以对加工走刀轨迹和工艺参数进行优化，这在很大程度上提高了产品的生产效率和机床的使用寿命。

VERICUT具有较强的仿真功能，其三维仿真功能不仅能用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，而且还能显示出刀柄、夹具、机床的运行过程和虚拟的工厂环境。

VERICUT库中提供了常用的机床模型，如Ingersoll、K&T和Generic machines等公司生产的机床，另外用户还可以根据需要自定义机床模型。同时VERICUT支持G代码并配有制造商提供的机床控制文件库，如Fanuc、Siemens等控制系统。对于一些不常用的功能可以通过Machine Dev.Kit模块自定义，也可根据自己的需要任意组合所需的加工系统。一次机床碰撞将付出极昂贵的代价，这不仅会损坏机床，而且会延迟整个生产日程。VERICUT用不同颜色显示加工过程中刀具与夹具的碰撞并报警，同时统计出错误的数量及发生位置。VERICUT的三维仿真分析功能完全与车间实际加工一样，这对于保证NC程序正确性、降低劳动强度及提高生产效率具有现实意义[2]。

1.2　仿真优化功能

在数控加工生产中发现：像主轴转速、切削进给率、切深及切削宽度等切削参数的设置是否合理直接影响到整个NC程序的好坏，而程序的好坏最终会影响到整个产品的制造精度和企业的生产效率。通过不断地研究摸索发现，这些参数的设置不合理主要体现在：切削进给率过分保守，刀具在空行程时使用切削时的进给率，实际切削量大于或小于预期值时进给率无补偿，切深、切宽和切入角度变化时进给率无补偿。这些参数的不合理容易造成刀具损坏或减小刀具的使用寿命，不利于提高零件表面的加工质量和生产效率。因此，对NC程序的优化主要体现在对上述参数的优化[3]。VERICUT仿真软件利用其仿真优化功能则可以做到这一点。

VERICUT仿真优化的原理在于它能够充分考虑实际加工工件的几何特点和物理特征，实时根据当前所使用刀具情况及每步走刀轨迹，重新计算每步程序切削量，并拿它和切削参数值进行比较，根据切削余量的大小，适当降低和提高速度，从而确定出最佳进给速度或主轴转速，同时，VERICUT在仿真优化过程中因为能够保持刀具在单位时间内的切削量一致，所以它能够减少机床振动、提高机床加工的稳定性，这对提高零件表面加工质量有很大的帮助，最终经过仿真优化可以获得一个更加安全高效的数控加工程序。这里参数的优化并不会改变数控加工程序的轨迹，该仿真优化方式与生产是完全统一的，能够从根本上提高加工零件的制造精度和生产效率。

2　应用VERICUT仿真数控机床床身运动进行辅助教学

鉴于VERICUT具有逼真的机床床身运动仿真功能，在《数控加工工艺与编程》课程中讲解“数控机床坐标系”这一知识点时，可以通过VERICUT建立各种数控机床模型，如：数控车床、数控立式铣床（或加工中心）、数控卧式铣床（或加工中心）等，利用MDI方式通过输入单句执行的运动指令仿真机床各个部件的运动方式，同时结合坐标轴的判定方法，正确地确定出不同机床的坐标轴及正、负运动方向，在这种形象直观的动画仿真过程中，学生更容易加深对坐标轴判定方法的理解，从而能够准确地判断出各种机床的坐标轴方向情况。

此外，学校很少会有一些四轴、五轴联动或带有自动换刀装置的高端数控设备，而现在越来越多的企业都陆续引进了高端数控设备，因此，为了实现学校与企业的零距离对接，在教学中可以利用VERICUT仿真各种多轴数控机床的工作情况。VERICUT就提供了2～5轴虚拟机床的支持，通过构建不同类型的虚拟机床可对各种机床的运动进行仿真，从而使学生接触到更多种类的数控设备，广泛地理解各种数控设备的床身运动情况。

3　应用VERICUT进行刀具轨迹仿真演示

在以前的教学过程中，学生往往对车削循环指令，尤其是复合固定循环指令如G70—G73它所对应的走刀路径难以理解，从而导致无法正确理解该指令格式中对应参数的含义，而借助VERICUT对各指令走刀路径进行单步仿真演示，边讲边演示，则能加深学生对各种指令对应的走刀路径的理解，在一定程度上提高学生正确应用循环指令、宏指令和子程序等复杂指令的能力。此外，刀具补偿这一概念也是难点，很多学生无法体会到刀补的概念和作用，对此，利用VERICUT的刀具轨迹仿真功能，通过有刀补和没刀补的仿真演示，使学生体会刀补对演示结果的影响，从而领会这一概念的含义及作用。下面具体以图1所示零件加工为例进行说明。

图1　加工零件图

针对图1所示零件，要求编写铣削长方形内腔的程序，此处按照以下顺序演示进行：第一，以不带刀补情况编写程序，刀具中心轨迹与零件轮廓一致，并且走刀方向为逆时针方向，演示实际走刀效果；第二，对程序进行修改，加上左刀补，演示实际加工走刀情况，通过以上两步演示，让学生体会刀补的含义及作用，再在第二部分基础上将程序中左刀补改成右刀补，演示刀具走刀情况，分析结果产生了怎样的变化，理解加工路线方向对左、右刀补的影响，从而使学生掌握在编程过程中正确设置左右刀补的方法。这种理论与动画仿真结合的方式，使学生更容易加深对一些抽象概念的理解。

4　应用VERICUT进行工艺路线制定和工艺参数选择演示

加工工艺的确定是数控编程的一个难点，主要包括工艺路线的确定和相关工艺参数的选择。在《数控加工工艺与编程》教学过程中，同样可以利用VERICUT实现不同工艺路线和工艺参数选择对加工效果影响的演示，让学生体会相应的工艺确定方法，提高学生的综合工艺制定能力。以下通过三个例子具体说明在《数控加工工艺与编程》教学过程中如何利用VERICUT让学生体会工艺制定的方法[4-6]。

1）针对加工工艺路线的合理确定这一内容，书上的路线图均为平面，若只是理论空洞的讲解，通常学生不能准确地定位老师所要表达的路线情况，从而影响学生体会其真正的含义。例如在讲解确定位置精度要求比较高的孔系加工路线时，应避免传动系统反向间隙误差对定位精度的影响。以下页图2所示零件孔系镗削加工比较二种走刀路线的优劣，但这种静态比较学生不能直观体会到各自的优缺点，而通过仿真加工，通过单步执行各路径具体走刀情况，可以让学生直观地体会到二种路线的不同，从而使学生领会到当所加工孔系位置精度要求较高时，应特别注意孔的加工顺序安排，顺序安排的合理与否直接影响到孔系的位置精度。

2）对于同一个加工零件工艺参数选择的差异性，每个人编写的程序可能不同，相应获得的加工质量与效率也是不同的。使用不同的粗、精加工切削参数，利用VERICUT仿真加工过程、计算加工时间、分析加工质量，比照不同工艺参数选择对加工结果的影响，形象直观地呈现给学生，从而使学生切实领会到合理选择加工工艺参数的重要性和方法，这对提高学生加工工艺参数的选择能力有很大的帮助。比如对图3所示零件外形进行粗铣加工，分别设置表1所示的两组切削用量进行仿真加工比对演示，最终发现两者获得的加工效果是不一样的，比如在加工时间上，第二组比第一组用时要短，另外第二组比第一组获得的表面质量要好。从实际仿真比对中，学生通过亲眼所见体会到了加工工艺参数的选择对加工效果的直接影响，同时教师通过这两组参数的不同，引导学生如何正确合理地确定各切削用量[7]。

3）工艺知识的理论学习与实际应用往往存在一定的差异，学生应该灵活应用。例如：在《数控加工工艺与编程》教学中，循环、缩放、镜像、旋转等编程方法是学习的重点内容，这些编程手段在很大程度上优化了程序的结构，减少了指令的编写，然而，在生产实践中，这些编程方法反而增加了空走刀路线，延长了产品加工时间，利用VERICUT仿真演示则可以让学生深刻体会到其中的优、缺点，从而在实际编程过程中懂得灵活应用所学的知识，合理取舍。

图2　孔加工2种路线示意图（单位：mm）

图3　加工零件图

表1　二组切削参数

5　结语

应用VERICUT仿真软件与多媒体有效结合对《数控加工工艺与编程》课程进行辅助教学，主要应用其逼真的机床模拟、加工路径仿真和工艺参数优化等功能，这一辅助教学手段的应用使原本枯燥无味、难以理解的理论知识变得直观易懂，在目前机床资源紧缺的条件下为数控理论教学提供了一种可行的教学思路。当然此方法也可应用于其他数控课程教学中，比如《数控机床》这门课，利用VERICUT自身强大的虚拟机床环境对机床结构组成及床身运动进行演示讲解，对学生来说形象直观，也是一种有效的辅助教学手段，此处不再赘述。

[1]姚兴军，刘连军，张凤阳.虚拟数控机床的开发及其在教学中的应用[J].机床与液压，2010（6）：101-103.

[2]魏林.基于VERICUT的数控加工仿真系统的研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2008.

[3]张暴暴.虚拟制造体系及其关键技术[J].计算机辅助设计与制造，1999（10）：5-6.

[4]张慧萍.数控切削加工工艺参数及刀具运动轨迹的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003.

[5]许玲萍.数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2003.

[6]冯志刚.浅议《数控加工工艺》教学的一些思考与建议[J].网络财富，2010（11）：110-111.

[7]刘卫，王亚平，李宏伟.VERIUCT在数控加工优化中的应用[J].计算机应用研究，2004（7）：102-104.