數(shù)控加工仿真環(huán)境的建立與應(yīng)用

蘇貞為

摘 要：近年來，數(shù)控加工工藝的發(fā)展受到了廣泛關(guān)注與重視，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，尤其在車床數(shù)控加工的過程中，取得了良好成效。而對于數(shù)控加工而言，仿真軟件的應(yīng)用較為重要，可以通過應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行合理的操作與處理，提升整體加工工作的效果。目前在數(shù)控加工仿真軟件方面，已經(jīng)研制出了關(guān)于普通數(shù)控核心仿真、簡單變量編輯以及數(shù)控面板操作仿真等類型的技術(shù)，基于此，數(shù)控加工仿真軟件的簡介及仿真環(huán)境的建立、使用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；仿真；機(jī)床

中圖分類號：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

數(shù)控加工程序編寫完成后，為了驗(yàn)證程序的正確性，需要采用各種各樣的試切方法，象空走刀、軟材料（泡沫、木材）試切和低速加工等。而這些都需要在機(jī)床上小心翼翼地試切，以此來檢驗(yàn)程序是否與模具、工裝、產(chǎn)品發(fā)生碰撞，試切驗(yàn)證的過程還要視操作人員的熟練程度而定，最大限度地避免發(fā)生碰撞事故。熟練的試切人員可以通過各種方法（單段、選擇性跳躍、零進(jìn)給）結(jié)合顯示屏幕上的數(shù)字，快速判斷刀具的移動方式，從而驗(yàn)證程序的正確與否。這需要極為熟練的操作經(jīng)驗(yàn)和大量的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能完成。一次碰撞極有可能造成嚴(yán)重的停機(jī)事故，也極有可能對機(jī)床造成永久性的精度損失。而且這樣既費(fèi)時(shí)間，也浪費(fèi)各種相關(guān)的人力、物力，最危險(xiǎn)的是有些潛在的問題和干涉現(xiàn)象不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，且難以提高編程效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。如果能在一個(gè)仿真環(huán)境中（軟件）完成驗(yàn)證，將大量減少實(shí)際試切驗(yàn)證的工作量，減少刀具的碰撞，加快程序?qū)嵱玫霓D(zhuǎn)化時(shí)間。

1 數(shù)控加工仿真軟件主要功能及簡介

不同的仿真軟件因?yàn)槠渲饕脩魧ο蟮牟煌?，開發(fā)技術(shù)能力的不同，實(shí)現(xiàn)的功能也不盡相同。以下是目前國內(nèi)外主流數(shù)控加工仿真軟件的功能對比，見表1。

以下是一些數(shù)控仿真程序簡介。

1.1 斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件

斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件是國產(chǎn)軟件，機(jī)床可以選擇車床和加工中心，但毛坯只能定義矩形、圓形2種毛坯，而且不能導(dǎo)入IGES、STL格式的自定義毛坯文件。

1.2 VNUC、宇龍等軟件

與斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件在操作屆面上大同小異。

以上3款軟件只適合在學(xué)校教學(xué)時(shí)使用，因?yàn)槌绦蛑荒苁褂脙?nèi)置的有限幾種通用機(jī)床，同時(shí)毛坯也限定只能使用矩形、圓形2種毛坯。

1.3 VERICU軟件

VERICUT數(shù)控加工仿真軟件是美國CGTech公司開發(fā)的世界上最先進(jìn)的加工仿真軟件之一，VERICUT采用了先進(jìn)的三維顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以驗(yàn)證和檢測NC程序可能存在的碰撞、干涉、過切、欠切、切削參數(shù)不合理等問題。

VERICUT被選為第二、三、四屆全國數(shù)控技能大賽職工組的軟件考試平臺。

VERICUT數(shù)控加工仿真軟件之所以適合企業(yè)使用，最重要的原因是其可以根據(jù)用戶已有的機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)，創(chuàng)建自身的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)，還可以根據(jù)實(shí)際加工刀具、毛坯的尺寸型號等參數(shù)建立虛擬加工的刀具、毛坯模型和夾具模型。以該公司為例，目前加工產(chǎn)品所使用的雙主軸龍門加工中心、龍門定梁加工中心、雙面鏜銑加工中心等機(jī)床都是一些特制機(jī)床，沒有一款仿真軟件中內(nèi)置有此規(guī)格的機(jī)床模型，也不可能內(nèi)置需要加工的零件（挖掘機(jī)主要部件象平臺主體、動臂、斗桿），那么仿真也就無從做起。

2 VERICUT工藝系統(tǒng)仿真環(huán)境構(gòu)建

下面以VERICUT軟件構(gòu)建龍門加工中心，實(shí)現(xiàn)NC程序仿真加工YC230平臺主體為例，進(jìn)行仿真。構(gòu)建的一般過程如下。

2.1 工藝系統(tǒng)分析

確定數(shù)控機(jī)床CNC系統(tǒng)型號和功能、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機(jī)床運(yùn)動原理、各坐標(biāo)軸行程、機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具庫和夾具庫等。

該機(jī)床為龍門式定梁加工中心，主要參數(shù)見表2。

2.2 建立機(jī)床和被加工件的3D模型

可以使用Unigraphics、Pro/Engineer、SolidWorks等三維軟件造型，以運(yùn)動單元建模，不需要按照機(jī)床零部件連接結(jié)構(gòu)構(gòu)建，也不必構(gòu)建各坐標(biāo)軸之間的傳動機(jī)構(gòu)，僅需對各部件的外形進(jìn)行建模。為了在仿真中得到較清楚的過程，建議只對機(jī)床動中有可能產(chǎn)生相對運(yùn)動的零件造型，象X軸、Y軸、Z軸、機(jī)床基礎(chǔ)等，其他的機(jī)床附件象防護(hù)罩、樓梯、顯示屏等部件不需要造型。建立幾何模型后，將其另存為*.STL可以VERICUT可識別的格式。

3 建立機(jī)床文件

3.1 建立機(jī)床部件樹

在VERICUT中按實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動結(jié)構(gòu)建立機(jī)床運(yùn)動模型，即部件樹，導(dǎo)入在其他三維軟件中創(chuàng)建的添加各部件（X軸、Y軸、Z軸、主軸、機(jī)床基礎(chǔ)）的幾何模型。

3.2 各部件單元的建立

根據(jù)各軸的附屬結(jié)構(gòu)，象該例中，Z軸裝在Y軸上，工件則安裝在X軸上，在造型對話框中輸入各部件的三維文件，并準(zhǔn)確定位。將結(jié)果保存為機(jī)床文件（后綴為.mch）。

3.3 建立機(jī)床刀具庫

根據(jù)工藝刀具清單，在刀具管理對話框，按步驟建立仿真過程中所用到的各刀具，按刀柄形式和規(guī)格、刀具種類，構(gòu)建機(jī)床刀具工具庫。最好刀具各組成部件（刀具錐柄、刀桿、刀頭）的尺寸按實(shí)際刀具的尺寸建立。這樣才能使仿真更具真實(shí)性。

3.4 建立用戶文件和控制系統(tǒng)文件

按機(jī)床的實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)，選擇系統(tǒng)中內(nèi)置的FANUC 21i為機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)。

3.5 設(shè)置機(jī)床參數(shù)設(shè)置

設(shè)置機(jī)床各坐標(biāo)軸的行程，換刀位置、機(jī)床初始位置、機(jī)床參考原點(diǎn)等。利用軟件提供的手動鍵盤，按MDI方式輸入代碼，以此來檢驗(yàn)各軸運(yùn)動方向是否正確。至此，全部設(shè)置完成后，保存所有文件，則仿真系統(tǒng)構(gòu)建完成。

3.6 仿真過程

調(diào)入已經(jīng)編寫好的程序文件，設(shè)置工件原點(diǎn)，即可開始執(zhí)行仿真。

仿真的過程可以單步執(zhí)行，非常清晰地顯示每一段程序的執(zhí)行情況，也可以連續(xù)執(zhí)行，就象動畫一樣，看得到刀具換刀、各軸移動以及加工的情況，根據(jù)過程和結(jié)果可以判斷程序是否需要修改。

當(dāng)從仿真中看到的結(jié)果沒有錯(cuò)誤，則表示程序可以傳入機(jī)床，進(jìn)行正式調(diào)試。

當(dāng)然，也不能因?yàn)槌绦蛟诜抡孳浖许樌ㄟ^而在進(jìn)行正式調(diào)試時(shí)掉以輕心，與操作有關(guān)的注意事項(xiàng)還有許多，包括刀具長度輸入、工作坐標(biāo)輸入、零點(diǎn)找正、調(diào)試過程中需要程序指針在各程序段之間跳躍運(yùn)行等，這些都是需要小心謹(jǐn)慎，做好每一項(xiàng)事，待機(jī)床調(diào)試通過了，才算正式完成一個(gè)程序調(diào)試。

綜上所述，可以認(rèn)為VERICUT軟件構(gòu)建了的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程的虛擬制造，比一些CAD/CAM軟件（Mastercam、CAXA、CIMCO）單純的刀位文件仿真更真實(shí)、直觀，比其他的仿真軟件（VNUC、斯沃?jǐn)?shù)控、宇龍數(shù)控）更接近實(shí)際加工情況，極大地提高了數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]宋福田，王忠平，王泰吉.基于VERICUT的雙主軸龍門加工中心數(shù)控加工仿真技術(shù)應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2016（3）：14-18.

[2]曹旭妍.基于VERICUT的數(shù)控機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用[J].智能制造，2017（Z1）：48-50.

[3]江潔，詹華西.基于VERICUT的HNC數(shù)控銑系統(tǒng)環(huán)境的構(gòu)建與仿真調(diào)試[J].智能制造，2016（7）：26-28.