一、引言

　　隨著我國數(shù)控機床在工業(yè)裝備中占有率的提高，對數(shù)控機床的操作人員、編程人員的需求急劇增大，如何高效、快速地培訓(xùn)合格的數(shù)控加工技術(shù)人才，成為職業(yè)培訓(xùn)的當(dāng)務(wù)之急。

　　傳統(tǒng)培訓(xùn)模式下，由于數(shù)控機床價格昂貴，每個培訓(xùn)機構(gòu)擁有的機床數(shù)量有限，學(xué)員只能輪流上機床操作，效率很低。而且初學(xué)者對機床不熟悉，易產(chǎn)生機床碰撞，損壞機器。“機床少，要培訓(xùn)的學(xué)員多，又要達(dá)到培訓(xùn)效果”，這個矛盾使開發(fā)適合于職業(yè)培訓(xùn)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)有了迫切需求。

　　二、VERICUT軟件

　　VERICUT軟件就是一種能滿足上述需求的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，它由美國CGTECH公司開發(fā)，當(dāng)前最新版本為V5.4。VERICUT軟件由NC程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級機床特征模塊、實體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真數(shù)控車床、銑床、加工中心、線切割機床和多軸機床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過程。能進(jìn)行NC程序優(yōu)化、縮短加工時間，可檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤。具有真實的三維實體顯示效果，切削模型可測量尺寸，并能保存模型供檢驗、后續(xù)工序切削加工。VERICUT軟件目前已廣泛應(yīng)用于航空、模具制造等行業(yè)，其最大特點是可仿真各種CNC系統(tǒng)，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序。購買一套軟件相當(dāng)于擁有多臺機床可供編程培訓(xùn)。

　　VERICUT軟件用于數(shù)控編程培訓(xùn)僅需有NC程序驗證模塊和機床運動仿真模塊，若要進(jìn)行四軸以上機床的培訓(xùn)，還需要有多軸模塊。CGTECH公司專門發(fā)行有教學(xué)版本供學(xué)校使用。Pro/ENGINEER軟件也內(nèi)部集成有VERICUT模塊。

　　三、數(shù)控加工工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境構(gòu)建

　　要進(jìn)行NC程序仿真，需要預(yù)先構(gòu)建整個工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，一般過程如下：

　　(1)工藝系統(tǒng)分析，明確機床CNC系統(tǒng)型號、機床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機床運動原理、機床坐標(biāo)系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具和夾具等;

　　(2)建立機床幾何模型，用三維CAD軟件建立機床運動部件和固定部件的實體幾何模型，并轉(zhuǎn)換成VERICUT軟件可用的STL格式;

　　(3)建立刀具庫;

　　(4)在VERICUT軟件中新建用戶文件，設(shè)置所用CNC系統(tǒng)，并建立機床運動模型，即部件樹;

　　(5)添加各部件的幾何模型，并準(zhǔn)確定位;

　　(6)設(shè)置機床參數(shù);

　　(7)保存所有文件。

　　下面以CJK6132經(jīng)濟型數(shù)控車床為例進(jìn)行說明。

　　(1)機床概述

　　此車床為臥式、平床身、前刀座、四工位電動刀架、步進(jìn)電機驅(qū)動的經(jīng)濟型車床。所用數(shù)控系統(tǒng)為FANUC—0T，X、Z兩軸二聯(lián)動控制，分別控制縱向、橫向滑板。X軸部件上裝四工位電動方刀架(轉(zhuǎn)動軸線垂直)，自動換刀。主軸變頻調(diào)速，床身、兩個床腳、主軸箱為固定部件，夾具為三爪卡盤。機床坐標(biāo)原點為卡盤右端面中心，機床坐標(biāo)系如圖1示。

圖1 CJK6132經(jīng)濟型數(shù)控車床的機床坐標(biāo)系

　　(2)部件分類

　　依VERICUT軟件部件分類原則，部件分類如表1所示。

表1 機床部件分類

　　(3)建立部件的3D模型

　　用SolidWorks軟件造型，以運動單元建模，可不按照機床零部件連接結(jié)構(gòu)構(gòu)建。BASE可四零件一體建模，也可各零件單獨建模，之后在VERICUT中裝配。主軸箱建模不考慮內(nèi)部傳動機構(gòu)，只建外形模型。X、Z軸傳動鏈可簡化不建，也可作為固定部件建模。建立幾何模型后，另存為STL格式。

　　(4)建立部件樹

　　先設(shè)CONTROL為“FANUC—0T”：選菜單“SETUP→CONTROL→OPEN”，在彈出對話框中設(shè)“SHORT CUT”為“CGTECH_LIBRARY”，選“fan0t.ctl”打開后建部件樹。選菜單“MODEL→COMPONENT TREE”，彈出部件樹對話框，單擊“BASE→右鍵單擊→在光標(biāo)菜單選APPEND→選ZLINEAR”，添加Z軸，單擊“ZLINEAR→右鍵單擊→在光標(biāo)菜單選APPEND→選XLINEAR”，添加X軸。同樣方法，添加其他部件，得到部件樹如圖2所示。

　　因為機床坐標(biāo)系的X軸正方向指向操作者方向，則在添加Z軸部件時，由于默認(rèn)Z軸部件的X軸正方向為遠(yuǎn)離操作者方向，因此應(yīng)繞Z軸正方向轉(zhuǎn)動180°，這樣，Z軸部件的X軸正方向才指向操作者。添加四把刀具時，刀架控制點為刀架轉(zhuǎn)動中心，它應(yīng)使后一把刀具比前一把刀具繞Y軸同一方向多轉(zhuǎn)90°，并從每把刀的COMPONENT ATTRIBUTES中改TOOL INDEX 分別為1、2、3、4，指定刀具號。

圖2 所得到的目錄樹

　　(5)在TOOL MANAGER中建立刀具庫

　　以常用的外圓粗車刀、精車刀、螺紋刀、切斷切槽刀為例，分別記為1、2、3、4號刀。刀柄先用SolidWorks軟件建模，并將其轉(zhuǎn)換成STL格式，便于使用時調(diào)入和調(diào)整位置。刀片在VERICUT中設(shè)置，選擇相應(yīng)刀片型號，輸入刀片尺寸。每把刀具都可應(yīng)用GAGE OFFSET 選項設(shè)置刀具相對與刀架中心的偏置，確定刀尖點到刀架中心的距離(DX，DY，DZ)，因刀尖應(yīng)與工件軸線等高，則DY必須為0。

　　(6)添加機床幾何模型

　　先添加工件、卡盤、主軸、四把刀具、刀架轉(zhuǎn)動部分，其他再按配合關(guān)系加入。添加STL模型時應(yīng)注意將模型TYPE選擇為MODEL FILES類型，按BROWSE找到相應(yīng)STL格式文件，NORMALS方向應(yīng)設(shè)為OUTWARD。

　　1)工件STOCK可用VERICUT的圓柱體CYLINDER建模，設(shè)置半徑、長度，從POSITION選項的POSITION輸入框可設(shè)置工件左端面在機床坐標(biāo)系的位置，便于左右移動工件。

　　2)主軸卡盤和卡爪添加時，卡盤右端面中心應(yīng)定位在坐標(biāo)系原點處，卡爪調(diào)入模型后，用MATE配合定位，第二、三個卡爪可用ROTATE工具旋轉(zhuǎn)120°得到。

　　3)調(diào)節(jié)刀架轉(zhuǎn)動部分部件，應(yīng)定位X、Z向位置使轉(zhuǎn)動中心在坐標(biāo)系原點，并調(diào)整Y方向位置使裝刀位置與刀柄底部接觸。

　　4)其他部件可調(diào)入后用配合方式定位。

　　(7)設(shè)置參數(shù)

　　選菜單“SETUP→G-CODE→SETTING”，在彈出對話框中選“JOB TABLES”選項，在TABLE NAME列表框中選擇如下參數(shù)進(jìn)行添加：

　　initial machine location(機床初始位置)：300 0 750(X Y Z 坐標(biāo)用空格間隔)

　　machine reference location(機床參考點)：300 0 750

　　input program zero(工件編程原點)：0 0 200(200為Z方向工件原點距機床坐標(biāo)系原點距離)

　　選TOOL TABLES選項，在列表框中選擇如下參數(shù)進(jìn)行添加：

　　Gage offset index (刀具號) values (刀尖點偏置值：刀尖到刀架中心距離)

　　1 120 0 90

　　2 120 0 90

　　3 120 0 90

　　120 0 90

　　還有一些參數(shù)，如機床行程、換刀方式、NC程序類型和碰撞設(shè)置等，可進(jìn)行相應(yīng)操作，這里不再重復(fù)。

　　(8)保存文件

　　分別保存用戶文件USR、控制系統(tǒng)文件CTL、機床文件MCH。為便于使VERICUT軟件開始運行即進(jìn)入自己的用戶文件，可編輯VERICUT.BAT 文件，將其中VERICUT.USR改為所需的用戶文件名。另外，為了開始運行VERICUT即進(jìn)入所需工作目錄，可將VERICUT.BAT復(fù)制到所需工作目錄中運行，并在桌面建立快捷方式。圖3是我們所建立的虛擬機床環(huán)境。

圖3 虛擬機床環(huán)境

　　四、用定制功能建立易于軟件操作的定制面板

　　因VERICUT軟件為全英文界面，為使培訓(xùn)學(xué)員易于操作，可用定制功能定制面板。由菜單“File→Custom interface”，進(jìn)入定制界面。按F7進(jìn)入編輯模式，再按F7退出編輯模式，用PAGE UP/DOWN進(jìn)行界面翻頁。在編輯模式中，用添加頁APPEND PAGE工具添加HTML頁或FROM頁。若添加FROM頁，單擊右鍵顯示菜單如圖4所示，選擇相應(yīng)控件進(jìn)行添加。圖5為CJK6132車床定制面板的一部分。

　　4 右鍵菜單

圖5 CJK6132車床定制面板圖

　　五、進(jìn)行仿真操作，檢驗NC程序正確性

　　用定制好的操作面板時，操作過程如下：

　　(1)單擊上面建立的桌面快捷方式，啟動VERICUT，并調(diào)用所需用戶文件和進(jìn)入所需工作目錄。

　　(2)單擊菜單“File→custom interface”，進(jìn)入已定制好的操作界面。

　　(3)在定制操作界面設(shè)置工件半徑、長度。

　　(4)在定制操作界面設(shè)置工件原點Z值。

　　(5)單擊操作界面上的“新建NC程序”，打開記事本輸入NC程序，并保存(編寫NC程序應(yīng)按當(dāng)前工藝環(huán)境，如刀具號)。

　　(6)單擊操作界面上的“選擇NC程序”，指定剛才編寫的NC程序。

　　(7)單擊工具條上的“單步仿真”或“連續(xù)仿真”鍵，開始加工仿真。

　　(8)用測量工具測量工件尺寸，檢查加工結(jié)果。

　　用縮放、移動和旋轉(zhuǎn)工具，能從不同視點觀察、測量工件。僅更換NC程序、設(shè)置不同工件尺寸，即可進(jìn)行所需程序和工件的加工仿真。

　　六、結(jié)束語

　　本文基于VERICUT軟件構(gòu)建了數(shù)控車床加工培訓(xùn)的仿真環(huán)境，不占用機床機器時間，培訓(xùn)效率高。用同樣方法可構(gòu)建數(shù)控銑床、加工中心的培訓(xùn)仿真環(huán)境，應(yīng)用于教學(xué)。此方式基于完整的加工工藝系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行NC編程仿真，比一些CAD/CAM軟件的單純刀位文件仿真更真實、直觀，更接近實際加工情況，仿真后的NC程序不用試切可直接輸入機床進(jìn)行加工，解決了數(shù)控培訓(xùn)中的設(shè)備不足困難，收到了良好的教學(xué)效果。