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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。6 @, f# R/ X8 s% U4 T4 _% l& c) }5 Q' K
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。/ K2 U( W2 L4 |9 v! ?
二、VERICUT软件9 o& `/ V2 L' |. W5 e7 F2 i
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。) @! Q' R+ a8 w/ b% Z6 b1 A+ y
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。
- }0 A' Z1 W+ k! p 三、数控加工工艺系统的仿真环境构建
+ ^2 ~5 g' Z6 `, u: n 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：
; ~$ Q2 k! `- g* Z (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;
1 e0 e; f( Q1 G- Q+ Q (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;' X0 {0 \2 L) T% O
(3)建立刀具库;
- x. d) J' N2 b3 c* U (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;
9 v8 M! B6 P. ]/ N( T0 Z% Z& ? (5)添加各部件的几何模型，并准确定位;
2 W9 E/ S, q! g (6)设置机床参数;
+ V; r8 b# Y+ J, s4 p' F* w (7)保存所有文件。
; K" \& K' O7 H6 F 下面以CJK6132经济型数控车床为例进行说明。' C9 d5 P) V! n* k4 S6 g7 i: [* F
(1)机床概述
z$ g( ]* d. t5 ~ 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。& z6 f. j- w- Z
2 \: M: p( \4 R# W; Y
图1 CJK6132经济型数控车床的机床坐标系 (2)部件分类" P1 J' c$ P! y, l0 o
依VERICUT软件部件分类原则，部件分类如表1所示。
/ j" n3 s2 q, V$ U7 z( |. {表1 机床部件分类 (3)建立部件的3D模型+ |4 P7 B9 x7 U2 b
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。
! s: O Z4 `. q( [; g4 o (4)建立部件树 j& x, B' p5 j9 h' C3 v
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。
$ ~$ J8 R6 N$ {, ]0 j- w 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。5 P: ?3 C$ z. N' G% {6 _( R6 A
图2 所得到的目录树 (5)在TOOL MANAGER中建立刀具库6 V$ t! D5 E4 O- v; b4 L9 v* b
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。
2 ?; y! D% _7 T3 M0 P% d7 C. e: M% W (6)添加机床几何模型7 i; j; C M1 Y1 M, L$ r
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。" T9 k+ F+ D9 m4 A8 J
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。, o& G/ D G/ K# }4 S8 I- a
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。
5 W- P. q; Q. O2 ^: `8 q 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。. x; i, T$ `; W4 |1 Q
4)其他部件可调入后用配合方式定位。
( K: ?3 J& V6 a (7)设置参数1 \- }! z/ O# j; G
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：
: S# s- W* J5 ? initial machine location(机床初始位置)：300 0 750(X Y Z 坐标用空格间隔)
5 n, c4 P1 F$ \/ i! Y9 i: K machine reference location(机床参考点)：300 0 750
* S7 e8 q" o& v. c" ^! | 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)
- F/ C7 M* S* e 选TOOL TABLES选项，在列表框中选择如下参数进行添加：$ M c3 k3 W: ? z/ o
Gage offset index (刀具号) values (刀尖点偏置值：刀尖到刀架中心距离) A5 ?5 X$ D ]
1 120 0 90- }% a6 p' h* z2 d0 j
2 120 0 90* C/ y; h/ L0 u
3 120 0 90
+ p+ c2 J$ s7 b. U$ v, E5 L" J! G 120 0 901 Q; G; m% r7 k
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。9 T! q! l3 h( h5 p1 Z
(8)保存文件
1 ]1 l' L' L2 o% c. d W& j 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。
$ o1 v% D8 M" f$ j# n! C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
1 K- b, {$ \$ B; m9 Y! D 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。" R$ G Y+ }3 C* u4 L$ u& s% C2 _
% j8 S2 t. ~9 p" ~! e6 R4 j) ? 4 右键菜单 图5 CJK6132车床定制面板图
5 g8 f' W, N F1 w7 b: C8 F! I 五、进行仿真操作，检验NC程序正确性
5 o8 ?* n: A1 q3 }( } 用定制好的操作面板时，操作过程如下：
# d& y7 \4 X8 ~7 V3 P3 ~ (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。
f* z0 ~+ P' T% W& r" X (2)单击菜单“File→custom interface”，进入已定制好的操作界面。
( x9 u9 x% Y+ c* m( [8 |0 V (3)在定制操作界面设置工件半径、长度。
2 l5 G6 k8 S9 O# \4 R (4)在定制操作界面设置工件原点Z值。
0 U8 z3 w' U4 _- y" Z* L (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)。
) b+ O- Z1 ]8 n6 W {/ r (6)单击操作界面上的“选择NC程序”，指定刚才编写的NC程序。
9 R) u6 P' y& i: p2 v* P (7)单击工具条上的“单步仿真”或“连续仿真”键，开始加工仿真。
4 q( L, h/ j7 y- g0 P( i (8)用测量工具测量工件尺寸，检查加工结果。( C* z& s. H# ]- q* u
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。# d, p2 V+ w7 a2 w9 ^ I
六、结束语
& [6 P4 U& @$ r 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