VERICUT 軟件應用于數控專業課教學的探索與實踐

韓雪松，鐘麗珠

（廣西水利電力職業技術學院 機電工程系，廣西 南寧 530023）

0 引言

高職數控技術專業培養既掌握數控加工工藝及程序編制技術，又具備數控機床操作調整和裝調維修技能的人才。為了達成上述培養目標，專業開設了“數控車削加工技術”“數控銑削加工技術”和“數控機床機械部件裝調與維修”等專業課程及實訓。在運用傳統教學手段實施教學的過程中遇到了難點知識講不透、機床操作易碰撞和高檔機床臺套少等問題。數字化技術的不斷發展及經濟實力的增強，新的教學手段和教學方法層出不窮。隨著計算機技術的快速發展，對傳統的教學手段、教學方法帶來了巨大的沖擊與改變，將虛擬仿真技術融入教學，能有效解決傳統教學方式存在的高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”痛點和難點[1]。

VERICUT 軟件是美國CGTECH 公司開發的數控加工仿真系統，已廣泛應用于航空航天、汽車、模具制造等行業。VERICUT 由NC 程序驗證模塊、機床運動仿真模塊和優化路徑模塊等組成，其具有逼真的三維實體顯示效果，既可仿真普通數控機床，也可仿真五軸及車削復合等高檔數控機床的加工過程，在仿真過程中檢查過切、欠切，防止機床超程、碰撞等錯誤[2-3]。VERICUT 可以對切削模型進行尺寸測量，并能保存切削模型供精度檢驗或后續工序切削加工。VERICUT 不僅應用于工業生產領域，在數控技術專業課教學中也能有效地幫助教師解決教學痛點和難點。本文闡述在數控技術專業課教學中遇到的難題以及如何應用VERICUT 仿真軟件輔助教學，提高教學成效的實踐經驗。

1 VERICUT 在數控編程課程中的應用

1.1 零件的多工序仿真

機械零件的制造通常需要經歷多道加工工序，每道工序使用的機床和夾具不盡相同，且前后工序的毛坯是緊密關聯的，因此，一般的教學型仿真軟件難以完整呈現整個零件的加工過程。VERICUT 具有多工位仿真功能，可以讓工件在不同類型的機床上進行多次裝夾，前一道工序加工成型的工件能傳遞到后一道工序作為毛坯，如圖1 所示。在數控機床編程課程中，首先應用VERICUT 對一些工藝復雜零件的加工過程進行仿真演示，讓學生直觀看到零件完整的加工過程，能幫助他們理解工件定位、夾緊等抽象概念，然后選取若干個具有多次翻轉裝夾特征的零件，讓學生設計工藝方案并應用VERICUT 完成仿真加工，進一步加深對工藝知識的理解。

圖1 工件二次裝夾仿真

1.2 切削用量實驗

切削用量的優劣直接影響數控加工的質量和效率，各切削用量的物理含義和單位各不相同但又相互聯系，因此在數控機床編程課程中，切削用量既是教學重點也是教學難點。教師如果僅從理論上對切削速度、進給量等切削用量進行講解，學生缺乏應用體驗，仍然難以理解切削用量的含義，往往只會生搬硬套，無法根據實際加工條件合理確定切削用量。

VERICUT 的程序優化功能，能根據刀具的進給速度和背吃刀量計算出毛坯材料的切除效率，還能根據刀具的幾何形狀、進給量以及毛坯和刀具的材料屬性等因素分析出刀具承受的切削力（圖2），從而提供最佳的主軸轉速和進給速度，在保證加工質量的前提下，既有效延長刀具壽命，又縮短加工時間。

圖2 刀具受力數據設置

教師引導學生在VERICUT 中做切削仿真實驗，驗證各切削用量對加工時間、切屑厚度和切削力的影響，過程如下：①分別調整進給速度、主軸轉速和背吃刀量，記錄加工時間；②分別調整主軸轉速、進給速度和背吃刀量，截圖保存力圖表，如圖3 所示；③根據實驗數據，學生自主分析討論各切削用量對加工效率和切削力的影響。通過切削實驗，學生能親自體驗切削用量的作用，加深對切削用量的理解，為正確設置切削用量打下良好的基礎。

圖3 刀具受力曲線

2 VERICUT 在數控實訓中的應用

“撞刀”是數控機床操作實訓中常見的事故，刀具與工件或機床發生高速碰撞，不僅會損壞機床，還可能造成人身傷害，因此在實訓教學過程中要采取措施避免發生機床碰撞。撞刀通常是由程序編寫錯誤或對刀操作不正確引發的，因此編程者在完成程序代碼的編寫后，應該在仿真軟件中對程序進行驗證，盡可能排除程序中的錯誤。VERICUT 仿真過程具有十分完備的碰撞檢測功能，不僅能檢測刀具與工件、刀具與夾具的碰撞，還能檢測出刀具與機床部件的碰撞。當碰撞發生后，VERICUT 會暫停執行NC 程序，用紅色凸顯碰撞部位，并在信息欄標注引發碰撞的程序段，如圖4 所示，通過雙擊報警信息可以快速定位到故障代碼處，幫助編程者查找碰撞原因。VERICUT 允許使用者導入定制的工裝夾具或工件毛坯模型，讓仿真切削過程與真實加工過程一致，與教學用的仿真軟件相比，能更準確的找出NC 程序中潛在的碰撞風險，有效避免撞刀事故的發生。

圖4 碰撞報警

3 VERICUT 在數控機床結構教學中的應用

數控機床的切削運動由主運動和進給運動組成，不同類型的機床實現切削運動的形式大相徑庭，例如車床的主運動是由主軸驅動工件旋轉，而銑床的主運動則是由主軸驅動刀具旋轉。同一類型的機床的進給運動形式也有很大差別，例如升降臺式銑床的Z 軸進給運動是由升降臺的移動實現的，而床身式銑床則是由主軸箱的移動實現的。在教學過程中僅通過靜態圖片很難讓學生理解機床的運動結構，使用VERICUT的虛擬機床則可以直觀形象的展示機床的運動特點。在VERICUT 的案例庫中包含了從兩軸車床和多軸加工中心等多種結構的機床模型，如圖5 所示，讓虛擬機床的各坐標軸執行進給運動，就能清晰地呈現出機床的運動結構，從而幫助學生快速掌握各類數控機床的運動特點。

圖5 各種結構的機床模型

VERICUT 為用戶提供虛擬機床搭建平臺，用戶可以創建與真實機床一致的機床模型，并在VERICUT 中使用該模型進行仿真加工。在“數控機床機械部件裝調與維修”課程教學中引導學生對真實機床進行測繪并自主搭建虛擬機床，幫助學生深入領會數控機床主要機械部件的結構及連接關系，取得良好的教學效果。

（1）機床測繪

將班級學生劃分成若干個小組，給每個小組分配一臺機床（為每組分配不同型號的機床，可以有效避免相互抄襲）。學生以小組為單位測量數控機床主要部件的外形尺寸，如圖5 所示，然后應用UG 軟件繪制機床部件的三維模型。在此過程中學生通過仔細觀察機床部件的結構及其連接關系，能加深對機床構造的理解。

（2）構建VERICUT 虛擬機床

數控機床規定以工件為參照物來定義刀具的運動，運用機床坐標系準確定位刀具的位置和軌跡，但由于不同類型數控機床各坐標軸的布局形式多樣，因此學生在學習機床坐標結構時會遇到困難。在VERICUT 虛擬機床搭建平臺上可以建立各種坐標結構的數控機床，各坐標軸的連接關系用樹形結構表示，如圖6 所示，根節點坐標軸會帶動子節點坐標軸一起移動，位置并列的坐標軸可以相對獨立移動。

圖6 機床坐標結構

學生首先根據其測繪機床的坐標結構在VERICUT 環境中建立虛擬機床的坐標框架，然后將機床部件的三維模型導入相應的坐標軸中，接著依據裝配關系調整各機床部件的位置，完成虛擬機床的搭建，如圖7 所示。虛擬機床跟實際機床一樣也需要設置各坐標軸的行程極限，因此可以幫助學生掌握數控機床行程保護的原理。各小組完成VERICUT 虛擬機床搭建后需要公開展示并講解該型號機床的坐標結構特點，這樣可以讓每位同學都全面掌握常用的各類型機床的坐標結構。

圖7 VERICUT 虛擬機床

4 VERICUT 在數控多軸加工教學中的應用

隨著我國裝備制造產業的結構優化升級以及航空航天、汽車、軍事國防、造船和模具等工業的迅速發展，對掌握多軸聯動加工編程的技術技能人才需求日益迫切，不少職業院校積極購買多軸數控機床，開設數控多軸加工課程培養多軸技能人才[4-5]。多軸數控機床尤其是進口5 軸加工中心的采購、運行及維修的價格昂貴，因此只有部分院校購買少量設備用于教師科研或精英學生的競賽訓練，還不能廣泛應用于多軸數控機床課程教學當中。

VERICUT 支持多種類型的多軸或車銑復合加工中心等高檔數控機床的仿真，如圖8 所示。缺乏多軸數控機床的學校可以運用VERICUT 提供的虛擬多軸加工中心開展多軸數控機床編程操作課程教學。教師可以像操作真實設備一樣控制虛擬多軸加工中心各軸運動，形象的展示旋轉坐標的運動特點，幫助學生理解A 軸、B 軸、C 軸的概念以及刀軸轉動的原理。虛擬機床還可以準確識別包括RTCP 在內的各種多軸數控系統的指令，通過直觀的仿真過程展示指令的執行效果，讓學生快速掌握多軸指令的使用方法。在多軸加工實訓教學中，讓學生首先在VERICUT 中反復驗證和修改多軸加工程序，排除機床碰撞錯誤，然后再到實際機床上進行加工，這樣既可以提高學習效果，又能夠有效地保護高檔機床。

圖8 DMG 五軸加工中心

5 結論

VERICUT 作為一款行業領先的數控加工仿真系統，不僅在裝備制造領域幫助企業提高生產效率，降低生產成本，還能夠在數控技術人才培養方面發揮重要作用。VERICUT 通過與真實機床一致虛擬機床直觀、完整地呈現出數控加工的全過程，有效地幫助學生掌握定位裝夾、切削用量和機床坐標結構等難點知識，在實訓教學中能快速驗證NC 程序避免發生機床碰撞事故，還可以在缺乏高檔機床的條件下輔助開展數控多軸加工教學。