VERICUT 软件应用于数控专业课教学的探索与实践

韩雪松，钟丽珠

（广西水利电力职业技术学院 机电工程系，广西 南宁 530023）

0 引言

高职数控技术专业培养既掌握数控加工工艺及程序编制技术，又具备数控机床操作调整和装调维修技能的人才。为了达成上述培养目标，专业开设了“数控车削加工技术”“数控铣削加工技术”和“数控机床机械部件装调与维修”等专业课程及实训。在运用传统教学手段实施教学的过程中遇到了难点知识讲不透、机床操作易碰撞和高档机床台套少等问题。数字化技术的不断发展及经济实力的增强，新的教学手段和教学方法层出不穷。随着计算机技术的快速发展，对传统的教学手段、教学方法带来了巨大的冲击与改变，将虚拟仿真技术融入教学，能有效解决传统教学方式存在的高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”痛点和难点[1]。

VERICUT 软件是美国CGTECH 公司开发的数控加工仿真系统，已广泛应用于航空航天、汽车、模具制造等行业。VERICUT 由NC 程序验证模块、机床运动仿真模块和优化路径模块等组成，其具有逼真的三维实体显示效果，既可仿真普通数控机床，也可仿真五轴及车削复合等高档数控机床的加工过程，在仿真过程中检查过切、欠切，防止机床超程、碰撞等错误[2-3]。VERICUT 可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供精度检验或后续工序切削加工。VERICUT 不仅应用于工业生产领域，在数控技术专业课教学中也能有效地帮助教师解决教学痛点和难点。本文阐述在数控技术专业课教学中遇到的难题以及如何应用VERICUT 仿真软件辅助教学，提高教学成效的实践经验。

1 VERICUT 在数控编程课程中的应用

1.1 零件的多工序仿真

机械零件的制造通常需要经历多道加工工序，每道工序使用的机床和夹具不尽相同，且前后工序的毛坯是紧密关联的，因此，一般的教学型仿真软件难以完整呈现整个零件的加工过程。VERICUT 具有多工位仿真功能，可以让工件在不同类型的机床上进行多次装夹，前一道工序加工成型的工件能传递到后一道工序作为毛坯，如图1 所示。在数控机床编程课程中，首先应用VERICUT 对一些工艺复杂零件的加工过程进行仿真演示，让学生直观看到零件完整的加工过程，能帮助他们理解工件定位、夹紧等抽象概念，然后选取若干个具有多次翻转装夹特征的零件，让学生设计工艺方案并应用VERICUT 完成仿真加工，进一步加深对工艺知识的理解。

图1 工件二次装夹仿真

1.2 切削用量实验

切削用量的优劣直接影响数控加工的质量和效率，各切削用量的物理含义和单位各不相同但又相互联系，因此在数控机床编程课程中，切削用量既是教学重点也是教学难点。教师如果仅从理论上对切削速度、进给量等切削用量进行讲解，学生缺乏应用体验，仍然难以理解切削用量的含义，往往只会生搬硬套，无法根据实际加工条件合理确定切削用量。

VERICUT 的程序优化功能，能根据刀具的进给速度和背吃刀量计算出毛坯材料的切除效率，还能根据刀具的几何形状、进给量以及毛坯和刀具的材料属性等因素分析出刀具承受的切削力（图2），从而提供最佳的主轴转速和进给速度，在保证加工质量的前提下，既有效延长刀具寿命，又缩短加工时间。

图2 刀具受力数据设置

教师引导学生在VERICUT 中做切削仿真实验，验证各切削用量对加工时间、切屑厚度和切削力的影响，过程如下：①分别调整进给速度、主轴转速和背吃刀量，记录加工时间；②分别调整主轴转速、进给速度和背吃刀量，截图保存力图表，如图3 所示；③根据实验数据，学生自主分析讨论各切削用量对加工效率和切削力的影响。通过切削实验，学生能亲自体验切削用量的作用，加深对切削用量的理解，为正确设置切削用量打下良好的基础。

图3 刀具受力曲线

2 VERICUT 在数控实训中的应用

“撞刀”是数控机床操作实训中常见的事故，刀具与工件或机床发生高速碰撞，不仅会损坏机床，还可能造成人身伤害，因此在实训教学过程中要采取措施避免发生机床碰撞。撞刀通常是由程序编写错误或对刀操作不正确引发的，因此编程者在完成程序代码的编写后，应该在仿真软件中对程序进行验证，尽可能排除程序中的错误。VERICUT 仿真过程具有十分完备的碰撞检测功能，不仅能检测刀具与工件、刀具与夹具的碰撞，还能检测出刀具与机床部件的碰撞。当碰撞发生后，VERICUT 会暂停执行NC 程序，用红色凸显碰撞部位，并在信息栏标注引发碰撞的程序段，如图4 所示，通过双击报警信息可以快速定位到故障代码处，帮助编程者查找碰撞原因。VERICUT 允许使用者导入定制的工装夹具或工件毛坯模型，让仿真切削过程与真实加工过程一致，与教学用的仿真软件相比，能更准确的找出NC 程序中潜在的碰撞风险，有效避免撞刀事故的发生。

图4 碰撞报警

3 VERICUT 在数控机床结构教学中的应用

数控机床的切削运动由主运动和进给运动组成，不同类型的机床实现切削运动的形式大相径庭，例如车床的主运动是由主轴驱动工件旋转，而铣床的主运动则是由主轴驱动刀具旋转。同一类型的机床的进给运动形式也有很大差别，例如升降台式铣床的Z 轴进给运动是由升降台的移动实现的，而床身式铣床则是由主轴箱的移动实现的。在教学过程中仅通过静态图片很难让学生理解机床的运动结构，使用VERICUT的虚拟机床则可以直观形象的展示机床的运动特点。在VERICUT 的案例库中包含了从两轴车床和多轴加工中心等多种结构的机床模型，如图5 所示，让虚拟机床的各坐标轴执行进给运动，就能清晰地呈现出机床的运动结构，从而帮助学生快速掌握各类数控机床的运动特点。

图5 各种结构的机床模型

VERICUT 为用户提供虚拟机床搭建平台，用户可以创建与真实机床一致的机床模型，并在VERICUT 中使用该模型进行仿真加工。在“数控机床机械部件装调与维修”课程教学中引导学生对真实机床进行测绘并自主搭建虚拟机床，帮助学生深入领会数控机床主要机械部件的结构及连接关系，取得良好的教学效果。

（1）机床测绘

将班级学生划分成若干个小组，给每个小组分配一台机床（为每组分配不同型号的机床，可以有效避免相互抄袭）。学生以小组为单位测量数控机床主要部件的外形尺寸，如图5 所示，然后应用UG 软件绘制机床部件的三维模型。在此过程中学生通过仔细观察机床部件的结构及其连接关系，能加深对机床构造的理解。

（2）构建VERICUT 虚拟机床

数控机床规定以工件为参照物来定义刀具的运动，运用机床坐标系准确定位刀具的位置和轨迹，但由于不同类型数控机床各坐标轴的布局形式多样，因此学生在学习机床坐标结构时会遇到困难。在VERICUT 虚拟机床搭建平台上可以建立各种坐标结构的数控机床，各坐标轴的连接关系用树形结构表示，如图6 所示，根节点坐标轴会带动子节点坐标轴一起移动，位置并列的坐标轴可以相对独立移动。

图6 机床坐标结构

学生首先根据其测绘机床的坐标结构在VERICUT 环境中建立虚拟机床的坐标框架，然后将机床部件的三维模型导入相应的坐标轴中，接着依据装配关系调整各机床部件的位置，完成虚拟机床的搭建，如图7 所示。虚拟机床跟实际机床一样也需要设置各坐标轴的行程极限，因此可以帮助学生掌握数控机床行程保护的原理。各小组完成VERICUT 虚拟机床搭建后需要公开展示并讲解该型号机床的坐标结构特点，这样可以让每位同学都全面掌握常用的各类型机床的坐标结构。

图7 VERICUT 虚拟机床

4 VERICUT 在数控多轴加工教学中的应用

随着我国装备制造产业的结构优化升级以及航空航天、汽车、军事国防、造船和模具等工业的迅速发展，对掌握多轴联动加工编程的技术技能人才需求日益迫切，不少职业院校积极购买多轴数控机床，开设数控多轴加工课程培养多轴技能人才[4-5]。多轴数控机床尤其是进口5 轴加工中心的采购、运行及维修的价格昂贵，因此只有部分院校购买少量设备用于教师科研或精英学生的竞赛训练，还不能广泛应用于多轴数控机床课程教学当中。

VERICUT 支持多种类型的多轴或车铣复合加工中心等高档数控机床的仿真，如图8 所示。缺乏多轴数控机床的学校可以运用VERICUT 提供的虚拟多轴加工中心开展多轴数控机床编程操作课程教学。教师可以像操作真实设备一样控制虚拟多轴加工中心各轴运动，形象的展示旋转坐标的运动特点，帮助学生理解A 轴、B 轴、C 轴的概念以及刀轴转动的原理。虚拟机床还可以准确识别包括RTCP 在内的各种多轴数控系统的指令，通过直观的仿真过程展示指令的执行效果，让学生快速掌握多轴指令的使用方法。在多轴加工实训教学中，让学生首先在VERICUT 中反复验证和修改多轴加工程序，排除机床碰撞错误，然后再到实际机床上进行加工，这样既可以提高学习效果，又能够有效地保护高档机床。

图8 DMG 五轴加工中心

5 结论

VERICUT 作为一款行业领先的数控加工仿真系统，不仅在装备制造领域帮助企业提高生产效率，降低生产成本，还能够在数控技术人才培养方面发挥重要作用。VERICUT 通过与真实机床一致虚拟机床直观、完整地呈现出数控加工的全过程，有效地帮助学生掌握定位装夹、切削用量和机床坐标结构等难点知识，在实训教学中能快速验证NC 程序避免发生机床碰撞事故，还可以在缺乏高档机床的条件下辅助开展数控多轴加工教学。