基于VERICUT 的數控仿真環境建立與教學應用

趙立忠，郭登月，馬云輝，閆紀紅

(哈爾濱工業大學 工業工程系，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

隨著計算機技術的不斷改善和計算機圖形學的飛速發展，計算機仿真技術在加工制造業中得到了廣泛的應用［1］，也成為了柔性制造的基礎［2］。我校某實驗室有臺牧野立式數控加工中心，是柔性制造實驗系統的一個環節，在對學生進行實驗教學的過程中，承擔著大量單件小批零件的加工任務。由于學生經驗不足，編出的NC 程序不可避免地出現錯誤，加工中經常有撞刀等現象的發生，對刀具和機床的損害較大，并且對學生的人身安全造成一定威脅。為保證實驗效果及實驗過程中的人機安全，有必要通過仿真軟件對數控程序進行加工前的驗證工作。

利用數控程序仿真軟件VERICUT 可以建立虛擬加工的仿真環境，可在零件的實際加工之前，在虛擬仿真環境中進行試切檢驗，能夠大大減少類似非預期情況的發生。通過VERICUT 的加工仿真，可以消除過切，改善表面質量，避免物理空間的干涉等不安全因素，提高一次加工的成功率，同時，VERICUT 能夠優化數控程序，提高加工效率。本文利用VERICUT 建立數控加工中心的虛擬仿真環境，指導實驗教學，增強了實驗的安全性，在實踐中取得良好效果。

1 數控機床仿真環境的建立

1.1 VERICUT 數控加工仿真技術

VERICUT 是美國CGTech 公司開發的一款數控加工專用仿真軟件［3］，可以同時進行刀具軌跡和機床仿真［4］。該軟件不但可以提高零件試切成功率，減少廢品，也可以模擬機床加工零件，避免機床碰撞事故，同時還可以對程序進行優化，提高生產效率，改善零件表面質量［5-6］。

VERIUCT 可以仿真數控車床、銑床、加工中心、線切割機床和多軸機床等多種加工設備的數控加工過程。在仿真過程中，由于VERICUT 友好的人機界面，在三維顯示刀具切削毛坯形成零件的全過程的同時，也能顯示機床各部件之間的相對運動全過程。VERICUT 還可以檢驗機床各部件之間、刀具與夾具之間及刀具與毛坯之間的干涉和碰撞，以視圖中紅色區域顯示出來，狀態提示欄里error 和warning 進行具體說明。在模擬加工結束后，可以進行加工質量檢查，方便地進行尺寸測量和過切及殘留檢查。更為重要的是，VERIUCT 能進行切削速度優化［7］，進而優化數控程序，縮短加工時間。

建立數控仿真環境就是在計算機上建立虛擬的數控機床實體、控制系統、刀具庫、坐標系統等［8］。用VERICUT 進行機床仿真以NC 代碼為驅動數據，需要有相應的數控系統(* .ctl)文件，才能正確讀取NC 代碼，可以直接調用已有的控制系統文件，也可以自己建立新的文件。此外為了實現機床的3D 動態仿真，需要建立數控機床(* .mch)文件，其中包括機床的運動學模型和實體模型，運動學模型定義機床各部件之間的關系和各自的位置，實體模型可以由UG 或其他建模軟件中導入，也可以直接在VERICUT 中建立。建立完實體模型后，通過機床選項卡可以輸出* .mch 數控機床文件。

1.2 數控加工中心參數

本實驗室牧野立式數控加工中心相關信息如下所示:機床型號Makino，控制系統FANUC 11M-A4，X 軸、Y 軸行程700 mm×450 mm，Z 軸行程450 mm，3 軸代附加A 軸4 軸控制3 軸聯動，主軸轉數10 ～5 000 r/min，切削速度10 ～2 000 mm/min，快速定位3 000 ～10 000 mm/min，定位精度0.005 mm/700 mm，ATC 自動換刀21 把刀具，工件最大質量1 000 kg，電源220 V，50/60 Hz，3 相，23 kVA，NC 輸入在線傳輸。

該加工中心如圖1 所示。

1.3 VERICUT 中仿真環境的建立

1.3.1 創建加工中心組件樹

用VERICUT 建立機床模型是機床結構在計算機上的映射［9］。在VERICUT中有2種方法構建機床:①通過VERICUT 自帶的簡單建模工具建立機床模型，但VERICUT 軟件只提供了塊體、柱體和錐體的簡單模型;②對于機床更復雜的模型建模可以使用其他CAD軟件先建立好機床模型，再將機床模型文件導出為VERICUT 可以接受的文件格式，如. IGES，. STL 等文件格式，最后導入VERICUT［10］。分析機床的結構和運動變換機理，對其進行功能分解，保證機床組件拓撲關系不變，建立運動學模型［11］。打開VERICUT 軟件，定義好工作目錄后，新建一個公制項目，定義組件:

Base ＞Y ＞X ＞Attach ＞Fixture ＞Stock ＞Design

Base ＞Z ＞Spindle ＞Tool

圖1 牧野立式數控加工中心

所建立的組件樹如圖2 所示，該組件樹描述了數控加工中心數字模型的拓撲關系。

圖2 組件樹

1.3.2 創建加工中心實體

在已定義好的組件下“模型”上右擊，可以添加模型到組件。VERICUT 提供簡單的實體模型，如圓柱、方塊、圓錐等。對于復雜的模型，可以通過旋轉面輪廓、掃面輪廓等創建，但操作比較繁瑣，應用較少。一般常用的是通過模型文件(* . stl、* . stk、* . dsn、* .swp、* . ply、* . fxt 等)導入到組件。模型文件可由UG 等建模軟件生成進而導出為* . stl 等文件。例如T 形槽，作者是在現場測量出尺寸，在UG 中建模，導出為* .stl 文件后，再在項目樹X 組件下“模型”上右擊“添加模型文件”，添加T 形槽，通過移動和旋轉調整至合適的位置。最終建立好的機床實體如圖3 所示。

圖3 機床實體模型

1.3.3 數控加工中心設置

定義加工中心運動結構完成后，需要對加工中心模型進行初始化設置，如機床干涉檢查、機床初始化位置、機床行程等。點擊“配置”(Configuration)—“機床設定”(Machining Setting)，彈出“機床設定”對話框，“機床設定”可用于設置機床初始位置、換刀位置等細節參數［12］。機床X 軸、Y 軸、Z 軸行程極限的設定如圖4 所示。設置完成后，即可保存為* .mch 機床文件。

圖4 床行程極限設定

2 數控加工中心仿真環境的應用

創建完仿真環境后，保存為* . VCPROJECT 項目文件后即可。在UG CAM 編程完畢后，通過特定的后處理，使刀路軌跡轉換為可被數控機床識別的數控程序，進而加載到項目樹中的數控程序里。在項目樹中雙擊“控制”，彈出“打開控制系統”對話框，在“捷徑”下列表框中選擇“機床庫”(library)選項，選擇VERICUT 自帶的fan15m.ctl 文件，單擊“打開”(open)按鈕，完成控制系統添加［13］。在項目樹中創建刀具，并且和UG 編程所需刀具一致［14］。在Attach 節點下創建夾具和毛坯模型，通過移動和旋轉調整到正確的位置即可。在VERICUT 主窗口中，點擊“重置模型”按鈕后，點擊“仿真到末端”按鈕，即可啟動加工過程仿真。

利用該仿真機床環境，對某風扇凸模進行了加工仿真，如圖5 所示。

仿真加工過程很直觀，學生可以直接看到工件從毛坯逐漸被加工成最終所要求的幾何形狀，并且在仿真的過程中，可以通過鼠標拖動，從不同的角度觀察仿真過程。通過人為對相關加工參數的調整，可以在仿真過程看到相應的變化，當仿真結果達到加工要求時，保存相關參數設置。檢測利用該數控程序的實際切削結果，進入VERICUT 環境中查看日志文件［15］，和預先的仿真加工結果完全一致。這表明所設計的仿真模型是合理、可行的。

圖5 虛擬機床加工仿真

三維圖形化的仿真過程高效直觀，在實際的教學實踐環節中更能夠調動學生的學習興趣，極大地推動了的實驗教學改革，取得了良好的教學效果。應用該仿真環境后，數控實驗環節沒有出現過撞刀、過切等現象，改善教學效果的同時，也大大提高了實驗的安全性。

3 結 語

市場上有關VERICUT 的書籍以及網上相關資料不多，作者在進行數控機床仿真環境建模的過程中走了些彎路，當然，同時也積累了該軟件運用上的一些心得體會。主要有以下幾點:

(1)VERICUT 沒有為所有的操作都提供撤銷功能，因此在試圖做下一步時，記得要先保存，以免造成已有工作的損失;

(2)VERICUT 坐標系比較復雜，有組件坐標系(XcYcZc)、模型坐標系(XmYmZm)、機床坐標系(XmchYmchZmch)、工件坐標系(XwpYwpZwp)等，弄清它們的含義和相互關系很重要;

(3)仿真過程中可能會出現跑偏現象，比如刀具和毛坯不接觸，可通過坐標系進行調整，保證工件坐標系的坐標系零點必須和編程坐標系MCS_MILL 的零點重合;

(4)將刀具文件、數控程序文件、機床文件等保存在一個文件夾里，切記不要隨意更改名稱，這些文件相互之間都有聯系，重命名會造成仿真異常。

［1］ 張海濤. 基于VERICUT 的數控程序仿真技術研究［J］. 新技術新工藝，2010(1):26-29.

［2］ 馮 娟，楊承濤. 基于VERICUT 軟件的虛擬數控銑床建模［J］.西安航空技術高等專科學校學報，2011(1):50-52.

［3］ 李鐵剛. 異構協同VERICUT 仿真的刀具數據構建［J］. 工具技術，2009，43:66-68.

［4］ 燕杰春. 基于UG 和Vericut 軟件平臺的多軸數控加工編程與仿真加工研究［J］. 制造業自動化，2012，34:41-43.

［5］ 鄭金興，程 慧. 基于UG/CAM 和VERICUT 的復雜零件數控加工仿真［J］. 模具制造，2006(11):9-13.

［6］ 陳 波，趙福令. 基于UG 與VERICUT 的虛擬機床技術研究［D］. 大連:大連理工大學，2005.

［7］ 胡 寧. VERICUT 數控程序切削速度優化［J］. 航空制造技術，2009(5):101-103.

［8］ 魏 娟，肖云娜. 基于VERICUT 數控機床仿真系統的建立與應用［J］. 機床與液壓，2007(11):141-145.

［9］ 吳曉君，黨改慧，葉芳霞，等. 基于UG 和VERICUT 的數控加工仿真研究與應用［J］. 煤礦機械，2010(2):98-100.

［10］ 阮曉光，王寅晨，張黨飛. 基于UG 與VERICUT 的數控加工仿真［J］. 煤礦機械，2012(3):126-127.

［11］ 吳陳燕，黃振沛. 基于VERICUT 的加工中心換刀仿真控制系統研究［J］. 現代制造，2011(2):91-93.

［12］ 曾 強，張志森，肖輝進. 基于VERICUT 五軸聯動數控加工仿真研究［J］. 科學技術與工程，2012(2):914-917.

［13］ 席鳳征. 基于VERICUT 的四軸聯動數控機床仿真研究［J］. 科技傳播，2012(1):26-28.

［14］ 張 燁. 基于VERICUT 的機床建模和數控車削加工仿真技術［D］. 合肥:合肥工業大學，2010.

［15］ 姜增輝，唐文龍，王月. UG NX7.5 和VERICUT7.0 集成環境下整體葉輪虛擬加工技術的研究［J］. 制造技術與機床，2011(4):77-81.