基于VERICUT的四轴联动数控机床仿真研究

席凤征

中国矿业大学,江苏 徐州 221000

自我国加入WTO以来，我国已成为全球的“制造中心”，数控加工技术在机械制造业中的广泛应用，迫切需要一大批能够适应企业要求的数控高技能人才，大批数控机床操作人员的专业培训的重担就落在了职业院校和培训学校。在2005年，我院花费巨资引进了20台数控车床和20台数控加工中心，在传统的操作培训中，数控机床编程与操作的有效培训必须在真实的机床上进行，这种培训不仅浪费各种相关的人力、物力，而且在操作中经常出现一些潜在的危险，比如刀具与机床、工件相撞，存在一定的安全隐患。近几年随着学生人数的不断增加，机床的数量难以保证每位学生有足够的上机操作时间，在加上企业中也相继引入高、精、尖的数控机床，而这类机床造价就会更高，一般学校不会花巨资引进很多台，最大一两台。面于这种形势，我院就转变了教学方式，采用仿真教学和实际操作相结合的方式来进行教学。目前市场上用于数控仿真的软件比较多的是斯沃和宇龙，但这一类软件只能仿真三轴以内的，当三轴以上的就不能仿真了，而vericut更加专业些，支持三轴以上的，比如五轴联动等等。

1 VERICUT仿真软件简介

VERICUT是美国CGTech公司开发的一种运行于WINDOWS和UNIX平台的计算机上的先进的专业数控加工仿真软件。它是一款专为制造业设计的CNC数控机床仿真和优化软件，打破了以前只能通过传统的切削实验部件方式，利用VERICUT软件来检验加工程序的准确性和整个机床的加工过程，来帮助用户改进切削方式和清除编程错误。VERICUT软件可以模拟CNC加工，用来检测错误、潜在的碰撞以及低效的加工区域。在把程序传入机床之前，VERICUT可以让数控编程人员发现并纠正错误，这样可以避免工件的试切。VERICUT有6个模块，分别是：验证模块（Verification Module）、机床仿真模块（Machine Simulation Module）、多轴模块(Multi-Axis Module)、AUTO-DIFF模块、优化路径模块（OptiPath Module）、接口模块。

2 构建VMC600四轴机床仿真系统

结合软件UG的CAD/CAM功能和VERICUT软件的数控加工过程仿真功能，对我院新2009年新引进的南通科技VMC600四轴机床进行虚拟仿真机床。VMC600主要技术指标如表1。

表1 VMC600技术指标

构建机床模型利用VERICUT有两种方法。一种方法是利用VERICUT自带的简单建模工具建立机床模型,这种方法需要用户很强的软件熟练度，建立机床模型比较麻烦；另一种方法是采用CAD软件，例如UG、CATIA及MasterCAM，先建立好机床模型，然后将机床模型文件导出为VERICUT可以接受的文件格式，最后导入到VERICUT里，利用UG将建立好的机床模型文件导出为.stl格式文件，并导入VERICUT用以构建机床。在这里我们选用第二种方法。

1）利用软件UG的CAD模块建立了数控机床模型、被加工零件及毛坯的实体参数模型，并对机床各部件进行了装配，确定尺寸参数及相对位置的合理性，同时在CAM模块中完成了数控编程工作，并运用后处理模块生成了针对具体机床的数控代码，以此作为仿真工作的基础。UG将建立好的机床模型文件导出为.stl格式文件。

2）在VERICUT中建立四轴数控机床仿真模型

创建步骤如下：

（1）运行VERICUT7.0应用程序，创建一个新的公制项目文件。选择“文件”（file）＞“工作目录”（working directory）菜单命令，设定工作路径。选择“文件”＞“新项目”＞“公制”菜单命令；

（2）显示组件坐标系。在图形窗口中从系统弹出的快捷菜单选择“显示所有轴”＞“组件”菜单命令；

（3）定义部件结构树。

①将导出的机床模型文件复制到用户目录，在图形区单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“视图类型”（view type）＞“机床”（machine）命令，切换到机床视图；②定义机床床身，在项目树中，选中base(0,0,0)节点，在“添加模型”下拉列表框中选择“模型文件”（model file）选项，在shortcut下拉列表框中选取相应的STL格式文件，正确设置位置参数，点击Add和OK选项后返回部件树菜单；③定义Z轴线性轴。右击base(0,0,0)节点,从弹出菜单中选择“添加”Append--＞选ZLinear,添加Z轴,在“快速速度”文本中添加Z轴快速定位（G00）的进给率（unit/min）为35000，在“加减速”下，“最大进给速度”（uint/min）文本框中输入进给状态（G1、G2/G3）的进给率为10000，在“添加模型”下拉列表框中选择“模型文件”（model file）选项，在“文件”下拉列表框中选取相应Z.STL文件,完成Z轴部件模型添加；按照同样的方法，添加Y、X、A轴部件和移动附属（attach）部件添加。完成后如图1。

图1 机床运动机构

（4）设置机床

定义机床运动结构后，需要对机床进行初始化社设置，如机床干涉、机床初始化位置、机床行程设置。根据VMC600的机床参数进行合理设置。

3）选配机床的配置的数控系统

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FANUC M .CTL，单击“打开”（open）按钮，完成控制系统添加。

4）建立机床刀具库

在项目树种双击“加工刀具”，弹出“刀具管理器”对话框。在菜单中选取添加--＞新刀具--＞铣刀，弹出图2中1号刀具，按所需建立的铣刀类型(包含平地铣刀、圆鼻铣刀、球头铣刀、钻消刀具及用户自定义等)，设置刀具几何参数，添加确定后返回刀具管理对话框。依照上述方法，建立一系列常用的刀具，并在“描述”栏中描述刀具的类型和规格等，已备用到哪一把刀根据描述都够迅速的调入所需刀具。

图2 刀具管理器

5）机床文件保存

将建立的文件分别保存为用户文件sizhou.usr,控制系统文件sizhou.ctl,机床文件sizhou.mch和刀具库文件sizhou.tcl.如图3所示的是已建立的虚拟机床环境。

图3 虚拟机床环境

3 仿真实例的应用

下面就把上述建立好的VMC600机床，进行“五星”零件仿真加工。实例中五星零件采用的材料为45#钢，毛坯尺寸Φ50x100。

具体操作步骤如下：

1）启动VERICUT，调用上述建立好的VMC600四轴机床；

2）添加毛坯零件。将五星毛坯零件和设计零件的STL模型文件导入部件树；

3）添加刀具库。在组件树中选择“加工刀具”，在下面的“配置刀具”窗口中单击“刀具库文件”按钮，引入建立好的刀具库文件；

4）添加数控程序。在组件树中选择“数控程序”，在“配置程序”窗口单击“添加NC程序文件”按钮。在弹出的窗口中选择五星数控程序；

5）设置工件原点；

6）仿真零件，检查数控程序的正确性，设置碰撞、超程、干涉等识别颜色，单击工具条上的“单步仿真”或“连续仿真”键，开始加工仿真；

7）仿真结果分析。采用缩放、移动、旋转和打剖面等工具，能从不同视点观察，详细精确地测量切削模型。选取主菜单上“分析”→“测量”，可以测量工具距离、角度、材料的厚度、孔深；选取菜单上分析→自动比较菜单命令，可以检查零件有无过切、残留材料等现象。

4 结论

通过对数控加工仿真的若干关键技术进行了研究，建立了数控加工仿真系统，并应用到教学中。本课题建立的数控仿真四轴机床应用在我院的实习教学中，大大解决了我院实习工位不够的矛盾。学生利用建立的四轴机床，在仿真加工过程中不仅能显示刀具与零件相接触进行切削部分，还能够同时在另一视图中展现出整个机床及其各轴的运动情况，这样能够更好的观察刀具是否会与机床发生碰撞干涉，对机床整体运动形态的表现就与观察真实加工时的机床完全一样，来帮助学生清除编程错误和优化切削参数，从而提高加工效率。

[1]杨生群.数控仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]王德跃，王华侨.VERICUT软件在五轴高速铣加工中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化，2006，6：86-88.

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