数控加工仿真环境的建立与应用

苏贞为

摘 要：近年来，数控加工工艺的发展受到了广泛关注与重视，已经在各个领域得到了很好的应用，尤其在车床数控加工的过程中，取得了良好成效。而对于数控加工而言，仿真软件的应用较为重要，可以通过应用仿真软件进行合理的操作与处理，提升整体加工工作的效果。目前在数控加工仿真软件方面，已经研制出了关于普通数控核心仿真、简单变量编辑以及数控面板操作仿真等类型的技术，基于此，数控加工仿真软件的简介及仿真环境的建立、使用。

关键词：数控加工；仿真；机床

中图分类号：TH164 文献标志码：A

0 前言

数控加工程序编写完成后，为了验证程序的正确性，需要采用各种各样的试切方法，象空走刀、软材料（泡沫、木材）试切和低速加工等。而这些都需要在机床上小心翼翼地试切，以此来检验程序是否与模具、工装、产品发生碰撞，试切验证的过程还要视操作人员的熟练程度而定，最大限度地避免发生碰撞事故。熟练的试切人员可以通过各种方法（单段、选择性跳跃、零进给）结合显示屏幕上的数字，快速判断刀具的移动方式，从而验证程序的正确与否。这需要极为熟练的操作经验和大量的生产实践经验才能完成。一次碰撞极有可能造成严重的停机事故，也极有可能对机床造成永久性的精度损失。而且这样既费时间，也浪费各种相关的人力、物力，最危险的是有些潜在的问题和干涉现象不能及时发现，且难以提高编程效率和保证产品质量。如果能在一个仿真环境中（软件）完成验证，将大量减少实际试切验证的工作量，减少刀具的碰撞，加快程序实用的转化时间。

1 数控加工仿真软件主要功能及简介

不同的仿真软件因为其主要用户对象的不同，开发技术能力的不同，实现的功能也不尽相同。以下是目前国内外主流数控加工仿真软件的功能对比，见表1。

以下是一些数控仿真程序简介。

1.1 斯沃数控仿真软件

斯沃数控仿真软件是国产软件，机床可以选择车床和加工中心，但毛坯只能定义矩形、圆形2种毛坯，而且不能导入IGES、STL格式的自定义毛坯文件。

1.2 VNUC、宇龙等软件

与斯沃数控仿真软件在操作届面上大同小异。

以上3款软件只适合在学校教学时使用，因为程序只能使用内置的有限几种通用机床，同时毛坯也限定只能使用矩形、圆形2种毛坯。

1.3 VERICU软件

VERICUT数控加工仿真软件是美国CGTech公司开发的世界上最先进的加工仿真软件之一，VERICUT采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，可以验证和检测NC程序可能存在的碰撞、干涉、过切、欠切、切削参数不合理等问题。

VERICUT被选为第二、三、四届全国数控技能大赛职工组的软件考试平台。

VERICUT数控加工仿真软件之所以适合企业使用，最重要的原因是其可以根据用户已有的机床和数控系统，创建自身的数控机床和数控系统，还可以根据实际加工刀具、毛坯的尺寸型號等参数建立虚拟加工的刀具、毛坯模型和夹具模型。以该公司为例，目前加工产品所使用的双主轴龙门加工中心、龙门定梁加工中心、双面镗铣加工中心等机床都是一些特制机床，没有一款仿真软件中内置有此规格的机床模型，也不可能内置需要加工的零件（挖掘机主要部件象平台主体、动臂、斗杆），那么仿真也就无从做起。

2 VERICUT工艺系统仿真环境构建

下面以VERICUT软件构建龙门加工中心，实现NC程序仿真加工YC230平台主体为例，进行仿真。构建的一般过程如下。

2.1 工艺系统分析

确定数控机床CNC系统型号和功能、机床结构形式和尺寸、机床运动原理、各坐标轴行程、机床坐标系统以及所用到的毛坯、刀具库和夹具库等。

该机床为龙门式定梁加工中心，主要参数见表2。

2.2 建立机床和被加工件的3D模型

可以使用Unigraphics、Pro/Engineer、SolidWorks等三维软件造型，以运动单元建模，不需要按照机床零部件连接结构构建，也不必构建各坐标轴之间的传动机构，仅需对各部件的外形进行建模。为了在仿真中得到较清楚的过程，建议只对机床动中有可能产生相对运动的零件造型，象X轴、Y轴、Z轴、机床基础等，其他的机床附件象防护罩、楼梯、显示屏等部件不需要造型。建立几何模型后，将其另存为*.STL可以VERICUT可识别的格式。

3 建立机床文件

3.1 建立机床部件树

在VERICUT中按实际机床的运动结构建立机床运动模型，即部件树，导入在其他三维软件中创建的添加各部件（X轴、Y轴、Z轴、主轴、机床基础）的几何模型。

3.2 各部件单元的建立

根据各轴的附属结构，象该例中，Z轴装在Y轴上，工件则安装在X轴上，在造型对话框中输入各部件的三维文件，并准确定位。将结果保存为机床文件（后缀为.mch）。

3.3 建立机床刀具库

根据工艺刀具清单，在刀具管理对话框，按步骤建立仿真过程中所用到的各刀具，按刀柄形式和规格、刀具种类，构建机床刀具工具库。最好刀具各组成部件（刀具锥柄、刀杆、刀头）的尺寸按实际刀具的尺寸建立。这样才能使仿真更具真实性。

3.4 建立用户文件和控制系统文件

按机床的实际数控系统，选择系统中内置的FANUC 21i为机床的数控系统。

3.5 设置机床参数设置

设置机床各坐标轴的行程，换刀位置、机床初始位置、机床参考原点等。利用软件提供的手动键盘，按MDI方式输入代码，以此来检验各轴运动方向是否正确。至此，全部设置完成后，保存所有文件，则仿真系统构建完成。

3.6 仿真过程

调入已经编写好的程序文件，设置工件原点，即可开始执行仿真。

仿真的过程可以单步执行，非常清晰地显示每一段程序的执行情况，也可以连续执行，就象动画一样，看得到刀具换刀、各轴移动以及加工的情况，根据过程和结果可以判断程序是否需要修改。

当从仿真中看到的结果没有错误，则表示程序可以传入机床，进行正式调试。

当然，也不能因为程序在仿真软件中顺利通过而在进行正式调试时掉以轻心，与操作有关的注意事项还有许多，包括刀具长度输入、工作坐标输入、零点找正、调试过程中需要程序指针在各程序段之间跳跃运行等，这些都是需要小心谨慎，做好每一项事，待机床调试通过了，才算正式完成一个程序调试。

综上所述，可以认为VERICUT软件构建了的仿真环境，实现了数控编程的虚拟制造，比一些CAD/CAM软件（Mastercam、CAXA、CIMCO）单纯的刀位文件仿真更真实、直观，比其他的仿真软件（VNUC、斯沃数控、宇龙数控）更接近实际加工情况，极大地提高了数控编程的效率和质量。

参考文献

[1]宋福田，王忠平，王泰吉.基于VERICUT的双主轴龙门加工中心数控加工仿真技术应用[J].新技术新工艺，2016（3）：14-18.

[2]曹旭妍.基于VERICUT的数控机床虚拟仿真系统构建及应用[J].智能制造，2017（Z1）：48-50.

[3]江洁，詹华西.基于VERICUT的HNC数控铣系统环境的构建与仿真调试[J].智能制造，2016（7）：26-28.