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一、引言 随着我国数控机床在工业装备中占有率的提高，对数控机床的操作人员、编程人员的需求急剧增大，如何高效、快速地培训合格的数控加工技术人才，成为职业培训的当务之急。* \+ k' D4 J2 P$ g4 c: e
传统培训模式下，由于数控机床价格昂贵，每个培训机构拥有的机床数量有限，学员只能轮流上机床操作，效率很低。而且初学者对机床不熟悉，易产生机床碰撞，损坏机器。“机床少，要培训的学员多，又要达到培训效果”，这个矛盾使开发适合于职业培训的数控加工仿真系统有了迫切需求。
8 _( e. {5 {4 X/ T: @ 二、VERICUT软件" s/ j% U/ x) M5 V& `
VERICUT软件就是一种能满足上述需求的数控加工仿真系统，它由美国CGTECH公司开发，当前最新版本为V5.4。VERICUT软件由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程。能进行NC程序优化、缩短加工时间，可检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误。具有真实的三维实体显示效果，切削模型可测量尺寸，并能保存模型供检验、后续工序切削加工。VERICUT软件目前已广泛应用于航空、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序。购买一套软件相当于拥有多台机床可供编程培训。: h2 _3 a1 q8 p4 K/ ]' `- }
VERICUT软件用于数控编程培训仅需有NC程序验证模块和机床运动仿真模块，若要进行四轴以上机床的培训，还需要有多轴模块。CGTECH公司专门发行有教学版本供学校使用。Pro/ENGINEER软件也内部集成有VERICUT模块。+ w6 b) A8 V! ^2 \
三、数控加工工艺系统的仿真环境构建
9 U/ c- s* P# r( w8 n7 h0 a 要进行NC程序仿真，需要预先构建整个工艺系统的仿真环境，一般过程如下：1 X8 f" V# L5 O$ `$ v8 R
(1)工艺系统分析，明确机床CNC系统型号、机床结构形式和尺寸、机床运动原理、机床坐标系统以及所用到的毛坯、刀具和夹具等;: N8 f1 N2 h4 U
(2)建立机床几何模型，用三维CAD软件建立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换成VERICUT软件可用的STL格式;
l- K2 V- z1 B# R8 B7 K" j7 C (3)建立刀具库;
1 R, \ _1 W9 v' F& r9 Y (4)在VERICUT软件中新建用户文件，设置所用CNC系统，并建立机床运动模型，即部件树;2 Q% k' d, J. ?; j4 Y: E) c
(5)添加各部件的几何模型，并准确定位;1 M7 s, s3 K k+ f4 m
(6)设置机床参数;
6 [, R( k; z l# Y' c (7)保存所有文件。& x% r6 B& N7 n4 y% @$ L' H
下面以CJK6132经济型数控车床为例进行说明。
" w* g% D, z; i4 [" U0 ?, t (1)机床概述
& @5 ^+ ^1 n# T! V7 B8 S/ ]. |, P 此车床为卧式、平床身、前刀座、四工位电动刀架、步进电机驱动的经济型车床。所用数控系统为FANUC—0T，X、Z两轴二联动控制，分别控制纵向、横向滑板。X轴部件上装四工位电动方刀架(转动轴线垂直)，自动换刀。主轴变频调速，床身、两个床脚、主轴箱为固定部件，夹具为三爪卡盘。机床坐标原点为卡盘右端面中心，机床坐标系如图1示。
" q$ v% L. Y7 g; l8 L3 Z' }6 p, I8 l( b
图1 CJK6132经济型数控车床的机床坐标系 (2)部件分类2 e/ q. @( ^1 P+ R0 e% a+ x
依VERICUT软件部件分类原则，部件分类如表1所示。. P/ c- \4 F" U: A' n# r( R
表1 机床部件分类 (3)建立部件的3D模型+ Z9 m# P, H( b Q" s1 p
用SolidWorks软件造型，以运动单元建模，可不按照机床零部件连接结构构建。BASE可四零件一体建模，也可各零件单独建模，之后在VERICUT中装配。主轴箱建模不考虑内部传动机构，只建外形模型。X、Z轴传动链可简化不建，也可作为固定部件建模。建立几何模型后，另存为STL格式。2 I/ k+ p) N. l: q t
(4)建立部件树
+ `3 B: ^6 j) J; g0 y 先设CONTROL为“FANUC—0T”：选菜单“SETUP→CONTROL→OPEN”，在弹出对话框中设“SHORT CUT”为“CGTECH_LIBRARY”，选“fan0t.ctl”打开后建部件树。选菜单“MODEL→COMPONENT TREE”，弹出部件树对话框，单击“BASE→右键单击→在光标菜单选APPEND→选ZLINEAR”，添加Z轴，单击“ZLINEAR→右键单击→在光标菜单选APPEND→选XLINEAR”，添加X轴。同样方法，添加其他部件，得到部件树如图2所示。! [/ }' H& V* w1 i* b, x" k& ^! _
因为机床坐标系的X轴正方向指向操作者方向，则在添加Z轴部件时，由于默认Z轴部件的X轴正方向为远离操作者方向，因此应绕Z轴正方向转动180°，这样，Z轴部件的X轴正方向才指向操作者。添加四把刀具时，刀架控制点为刀架转动中心，它应使后一把刀具比前一把刀具绕Y轴同一方向多转90°，并从每把刀的COMPONENT ATTRIBUTES中改TOOL INDEX 分别为1、2、3、4，指定刀具号。) W5 r7 x, }3 t2 o
图2 所得到的目录树 (5)在TOOL MANAGER中建立刀具库
/ @. n C% v5 M8 n& l 以常用的外圆粗车刀、精车刀、螺纹刀、切断切槽刀为例，分别记为1、2、3、4号刀。刀柄先用SolidWorks软件建模，并将其转换成STL格式，便于使用时调入和调整位置。刀片在VERICUT中设置，选择相应刀片型号，输入刀片尺寸。每把刀具都可应用GAGE OFFSET 选项设置刀具相对与刀架中心的偏置，确定刀尖点到刀架中心的距离(DX，DY，DZ)，因刀尖应与工件轴线等高，则DY必须为0。" y! O$ d% B" j+ e' K* |$ f7 b3 I
(6)添加机床几何模型
0 |8 m0 g2 C* F+ _, R. k1 P 先添加工件、卡盘、主轴、四把刀具、刀架转动部分，其他再按配合关系加入。添加STL模型时应注意将模型TYPE选择为MODEL FILES类型，按BROWSE找到相应STL格式文件，NORMALS方向应设为OUTWARD。
Y0 Y$ O6 a& W7 x" F5 e 1)工件STOCK可用VERICUT的圆柱体CYLINDER建模，设置半径、长度，从POSITION选项的POSITION输入框可设置工件左端面在机床坐标系的位置，便于左右移动工件。7 E/ y2 Q4 D8 ~4 j7 W$ B. n
2)主轴卡盘和卡爪添加时，卡盘右端面中心应定位在坐标系原点处，卡爪调入模型后，用MATE配合定位，第二、三个卡爪可用ROTATE工具旋转120°得到。1 g7 S4 Q( v" ~* y
3)调节刀架转动部分部件，应定位X、Z向位置使转动中心在坐标系原点，并调整Y方向位置使装刀位置与刀柄底部接触。! N' o; o9 b8 Q) N
4)其他部件可调入后用配合方式定位。
|% Q3 r0 c# w8 r (7)设置参数2 O5 {2 x" X- C, `$ t g% d
选菜单“SETUP→G-CODE→SETTING”，在弹出对话框中选“JOB TABLES”选项，在TABLE NAME列表框中选择如下参数进行添加：
$ Q2 w* z( `+ ]1 |. |/ R initial machine location(机床初始位置)：300 0 750(X Y Z 坐标用空格间隔)
* p) c. P) W: y D1 A machine reference location(机床参考点)：300 0 750
, }1 M* W3 ]+ b1 L9 G input program zero(工件编程原点)：0 0 200(200为Z方向工件原点距机床坐标系原点距离) v$ Q$ R0 _, b; u6 o5 W/ \
选TOOL TABLES选项，在列表框中选择如下参数进行添加：
8 O- R E3 e4 W( |$ `0 h2 J* ^4 ^ Gage offset index (刀具号) values (刀尖点偏置值：刀尖到刀架中心距离)! y* r+ A' a- u- w" c
1 120 0 90
/ D: P1 |% z1 l0 C" [& Q 2 120 0 90, H! `& x" v# I( C- L7 |: Q
3 120 0 903 y& }; y% u- h7 o! m8 b6 u
120 0 906 u4 D% H( M8 ]4 P8 f
还有一些参数，如机床行程、换刀方式、NC程序类型和碰撞设置等，可进行相应操作，这里不再重复。& [- [0 w6 x3 Y7 V
(8)保存文件; Y/ e- y: _. }2 b9 Q
分别保存用户文件USR、控制系统文件CTL、机床文件MCH。为便于使VERICUT软件开始运行即进入自己的用户文件，可编辑VERICUT.BAT 文件，将其中VERICUT.USR改为所需的用户文件名。另外，为了开始运行VERICUT即进入所需工作目录，可将VERICUT.BAT复制到所需工作目录中运行，并在桌面建立快捷方式。图3是我们所建立的虚拟机床环境。: Z+ g* Q# |. I$ V2 T$ j
图3 虚拟机床环境 四、用定制功能建立易于软件操作的定制面板
" ], s3 o) h! Z: f, F' j 因VERICUT软件为全英文界面，为使培训学员易于操作，可用定制功能定制面板。由菜单“File→Custom interface”，进入定制界面。按F7进入编辑模式，再按F7退出编辑模式，用PAGE UP/DOWN进行界面翻页。在编辑模式中，用添加页APPEND PAGE工具添加HTML页或FROM页。若添加FROM页，单击右键显示菜单如图4所示，选择相应控件进行添加。图5为CJK6132车床定制面板的一部分。0 M% ?: T* y' v7 C7 X8 A
9 V; B5 V% ^) l$ ^/ E- F0 q! F
4 右键菜单 图5 CJK6132车床定制面板图
- P) D& c, `2 |4 E5 D$ V% c 五、进行仿真操作，检验NC程序正确性& T1 v- o0 E. [* f9 ^ N |6 L& T$ V- \, R
用定制好的操作面板时，操作过程如下：- b- k2 n7 k7 W! i& ]5 l
(1)单击上面建立的桌面快捷方式，启动VERICUT，并调用所需用户文件和进入所需工作目录。
0 M5 u( j* Y" D* N) z! N/ s( m (2)单击菜单“File→custom interface”，进入已定制好的操作界面。
4 T& {2 u) p) y" x (3)在定制操作界面设置工件半径、长度。: c: Y- y: L) I C
(4)在定制操作界面设置工件原点Z值。 x7 F) c6 A- e9 h; M
(5)单击操作界面上的“新建NC程序”，打开记事本输入NC程序，并保存(编写NC程序应按当前工艺环境，如刀具号)。
n! K" Y) R% _6 j4 G% P* Y (6)单击操作界面上的“选择NC程序”，指定刚才编写的NC程序。
& V# |: f, D% i( U" B' D' k# O (7)单击工具条上的“单步仿真”或“连续仿真”键，开始加工仿真。' ?5 O& p" @- ]
(8)用测量工具测量工件尺寸，检查加工结果。
{" d0 M' Y' e# n& e5 x 用缩放、移动和旋转工具，能从不同视点观察、测量工件。仅更换NC程序、设置不同工件尺寸，即可进行所需程序和工件的加工仿真。
: b8 ?( G0 \5 W# m! Q7 g 六、结束语
: @5 _: e# V# x$ i9 w8 I. a9 H 本文基于VERICUT软件构建了数控车床加工培训的仿真环境，不占用机床机器时间，培训效率高。用同样方法可构建数控铣床、加工中心的培训仿真环境，应用于教学。此方式基于完整的加工工艺系统环境进行NC编程仿真，比一些CAD/CAM软件的单纯刀位文件仿真更真实、直观，更接近实际加工情况，仿真后的NC程序不用试切可直接输入机床进行加工，解决了数控培训中的设备不足困难，收到了良好的教学效果。 |
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发表于 2009-8-6 00:58:08