數控加工仿真環境的建立與應用

蘇貞為

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

關鍵詞：數控加工；仿真；機床

中圖分類號：TH164 文獻標志碼：A

0 前言

數控加工程序編寫完成后，為了驗證程序的正確性，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。而這些都需要在機床上小心翼翼地試切，以此來檢驗程序是否與模具、工裝、產品發生碰撞，試切驗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、零進給）結合顯示屏幕上的數字，快速判斷刀具的移動方式，從而驗證程序的正確與否。這需要極為熟練的操作經驗和大量的生產實踐經驗才能完成。一次碰撞極有可能造成嚴重的停機事故，也極有可能對機床造成永久性的精度損失。而且這樣既費時間，也浪費各種相關的人力、物力，最危險的是有些潛在的問題和干涉現象不能及時發現，且難以提高編程效率和保證產品質量。如果能在一個仿真環境中（軟件）完成驗證，將大量減少實際試切驗證的工作量，減少刀具的碰撞，加快程序實用的轉化時間。

1 數控加工仿真軟件主要功能及簡介

不同的仿真軟件因為其主要用戶對象的不同，開發技術能力的不同，實現的功能也不盡相同。以下是目前國內外主流數控加工仿真軟件的功能對比，見表1。

以下是一些數控仿真程序簡介。

1.1 斯沃數控仿真軟件

斯沃數控仿真軟件是國產軟件，機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，而且不能導入IGES、STL格式的自定義毛坯文件。

1.2 VNUC、宇龍等軟件

與斯沃數控仿真軟件在操作屆面上大同小異。

以上3款軟件只適合在學校教學時使用，因為程序只能使用內置的有限幾種通用機床，同時毛坯也限定只能使用矩形、圓形2種毛坯。

1.3 VERICU軟件

VERICUT數控加工仿真軟件是美國CGTech公司開發的世界上最先進的加工仿真軟件之一，VERICUT采用了先進的三維顯示及虛擬現實技術，可以驗證和檢測NC程序可能存在的碰撞、干涉、過切、欠切、切削參數不合理等問題。

VERICUT被選為第二、三、四屆全國數控技能大賽職工組的軟件考試平臺。

VERICUT數控加工仿真軟件之所以適合企業使用，最重要的原因是其可以根據用戶已有的機床和數控系統，創建自身的數控機床和數控系統，還可以根據實際加工刀具、毛坯的尺寸型號等參數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床都是一些特制機床，沒有一款仿真軟件中內置有此規格的機床模型，也不可能內置需要加工的零件（挖掘機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工藝系統仿真環境構建

下面以VERICUT軟件構建龍門加工中心，實現NC程序仿真加工YC230平臺主體為例，進行仿真。構建的一般過程如下。

2.1 工藝系統分析

確定數控機床CNC系統型號和功能、機床結構形式和尺寸、機床運動原理、各坐標軸行程、機床坐標系統以及所用到的毛坯、刀具庫和夾具庫等。

該機床為龍門式定梁加工中心，主要參數見表2。

2.2 建立機床和被加工件的3D模型

可以使用Unigraphics、Pro/Engineer、SolidWorks等三維軟件造型，以運動單元建模，不需要按照機床零部件連接結構構建，也不必構建各坐標軸之間的傳動機構，僅需對各部件的外形進行建模。為了在仿真中得到較清楚的過程，建議只對機床動中有可能產生相對運動的零件造型，象X軸、Y軸、Z軸、機床基礎等，其他的機床附件象防護罩、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 建立機床文件

3.1 建立機床部件樹

在VERICUT中按實際機床的運動結構建立機床運動模型，即部件樹，導入在其他三維軟件中創建的添加各部件（X軸、Y軸、Z軸、主軸、機床基礎）的幾何模型。

3.2 各部件單元的建立

根據各軸的附屬結構，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，并準確定位。將結果保存為機床文件（后綴為.mch）。

3.3 建立機床刀具庫

根據工藝刀具清單，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，按刀柄形式和規格、刀具種類，構建機床刀具工具庫。最好刀具各組成部件（刀具錐柄、刀桿、刀頭）的尺寸按實際刀具的尺寸建立。這樣才能使仿真更具真實性。

3.4 建立用戶文件和控制系統文件

按機床的實際數控系統，選擇系統中內置的FANUC 21i為機床的數控系統。

3.5 設置機床參數設置

設置機床各坐標軸的行程，換刀位置、機床初始位置、機床參考原點等。利用軟件提供的手動鍵盤，按MDI方式輸入代碼，以此來檢驗各軸運動方向是否正確。至此，全部設置完成后，保存所有文件，則仿真系統構建完成。

3.6 仿真過程

調入已經編寫好的程序文件，設置工件原點，即可開始執行仿真。

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

當從仿真中看到的結果沒有錯誤，則表示程序可以傳入機床，進行正式調試。

當然，也不能因為程序在仿真軟件中順利通過而在進行正式調試時掉以輕心，與操作有關的注意事項還有許多，包括刀具長度輸入、工作坐標輸入、零點找正、調試過程中需要程序指針在各程序段之間跳躍運行等，這些都是需要小心謹慎，做好每一項事，待機床調試通過了，才算正式完成一個程序調試。

綜上所述，可以認為VERICUT軟件構建了的仿真環境，實現了數控編程的虛擬制造，比一些CAD/CAM軟件（Mastercam、CAXA、CIMCO）單純的刀位文件仿真更真實、直觀，比其他的仿真軟件（VNUC、斯沃數控、宇龍數控）更接近實際加工情況，極大地提高了數控編程的效率和質量。

參考文獻

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