VERICUT 軟件應(yīng)用于數(shù)控專業(yè)課教學(xué)的探索與實(shí)踐

韓雪松，鐘麗珠

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 南寧 530023）

0 引言

高職數(shù)控技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)既掌握數(shù)控加工工藝及程序編制技術(shù)，又具備數(shù)控機(jī)床操作調(diào)整和裝調(diào)維修技能的人才。為了達(dá)成上述培養(yǎng)目標(biāo)，專業(yè)開設(shè)了“數(shù)控車削加工技術(shù)”“數(shù)控銑削加工技術(shù)”和“數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件裝調(diào)與維修”等專業(yè)課程及實(shí)訓(xùn)。在運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)手段實(shí)施教學(xué)的過程中遇到了難點(diǎn)知識講不透、機(jī)床操作易碰撞和高檔機(jī)床臺(tái)套少等問題。數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展及經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，新的教學(xué)手段和教學(xué)方法層出不窮。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，對傳統(tǒng)的教學(xué)手段、教學(xué)方法帶來了巨大的沖擊與改變，將虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)，能有效解決傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”痛點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。

VERICUT 軟件是美國CGTECH 公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)。VERICUT 由NC 程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊和優(yōu)化路徑模塊等組成，其具有逼真的三維實(shí)體顯示效果，既可仿真普通數(shù)控機(jī)床，也可仿真五軸及車削復(fù)合等高檔數(shù)控機(jī)床的加工過程，在仿真過程中檢查過切、欠切，防止機(jī)床超程、碰撞等錯(cuò)誤[2-3]。VERICUT 可以對切削模型進(jìn)行尺寸測量，并能保存切削模型供精度檢驗(yàn)或后續(xù)工序切削加工。VERICUT 不僅應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在數(shù)控技術(shù)專業(yè)課教學(xué)中也能有效地幫助教師解決教學(xué)痛點(diǎn)和難點(diǎn)。本文闡述在數(shù)控技術(shù)專業(yè)課教學(xué)中遇到的難題以及如何應(yīng)用VERICUT 仿真軟件輔助教學(xué)，提高教學(xué)成效的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 VERICUT 在數(shù)控編程課程中的應(yīng)用

1.1 零件的多工序仿真

機(jī)械零件的制造通常需要經(jīng)歷多道加工工序，每道工序使用的機(jī)床和夾具不盡相同，且前后工序的毛坯是緊密關(guān)聯(lián)的，因此，一般的教學(xué)型仿真軟件難以完整呈現(xiàn)整個(gè)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(jī)床上進(jìn)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(shù)控機(jī)床編程課程中，首先應(yīng)用VERICUT 對一些工藝復(fù)雜零件的加工過程進(jìn)行仿真演示，讓學(xué)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(gè)具有多次翻轉(zhuǎn)裝夾特征的零件，讓學(xué)生設(shè)計(jì)工藝方案并應(yīng)用VERICUT 完成仿真加工，進(jìn)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(shí)驗(yàn)

切削用量的優(yōu)劣直接影響數(shù)控加工的質(zhì)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(lián)系，因此在數(shù)控機(jī)床編程課程中，切削用量既是教學(xué)重點(diǎn)也是教學(xué)難點(diǎn)。教師如果僅從理論上對切削速度、進(jìn)給量等切削用量進(jìn)行講解，學(xué)生缺乏應(yīng)用體驗(yàn)，仍然難以理解切削用量的含義，往往只會(huì)生搬硬套，無法根據(jù)實(shí)際加工條件合理確定切削用量。

VERICUT 的程序優(yōu)化功能，能根據(jù)刀具的進(jìn)給速度和背吃刀量計(jì)算出毛坯材料的切除效率，還能根據(jù)刀具的幾何形狀、進(jìn)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(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，在保證加工質(zhì)量的前提下，既有效延長刀具壽命，又縮短加工時(shí)間。

圖2 刀具受力數(shù)據(jù)設(shè)置

教師引導(dǎo)學(xué)生在VERICUT 中做切削仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證各切削用量對加工時(shí)間、切屑厚度和切削力的影響，過程如下：①分別調(diào)整進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和背吃刀量，記錄加工時(shí)間；②分別調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和背吃刀量，截圖保存力圖表，如圖3 所示；③根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)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(shí)驗(yàn)，學(xué)生能親自體驗(yàn)切削用量的作用，加深對切削用量的理解，為正確設(shè)置切削用量打下良好的基礎(chǔ)。

圖3 刀具受力曲線

2 VERICUT 在數(shù)控實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

“撞刀”是數(shù)控機(jī)床操作實(shí)訓(xùn)中常見的事故，刀具與工件或機(jī)床發(fā)生高速碰撞，不僅會(huì)損壞機(jī)床，還可能造成人身傷害，因此在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中要采取措施避免發(fā)生機(jī)床碰撞。撞刀通常是由程序編寫錯(cuò)誤或?qū)Φ恫僮鞑徽_引發(fā)的，因此編程者在完成程序代碼的編寫后，應(yīng)該在仿真軟件中對程序進(jìn)行驗(yàn)證，盡可能排除程序中的錯(cuò)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(jī)床部件的碰撞。當(dāng)碰撞發(fā)生后，VERICUT 會(huì)暫停執(zhí)行NC 程序，用紅色凸顯碰撞部位，并在信息欄標(biāo)注引發(fā)碰撞的程序段，如圖4 所示，通過雙擊報(bào)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(dǎo)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(shí)加工過程一致，與教學(xué)用的仿真軟件相比，能更準(zhǔn)確的找出NC 程序中潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，有效避免撞刀事故的發(fā)生。

圖4 碰撞報(bào)警

3 VERICUT 在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)由主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)組成，不同類型的機(jī)床實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)的形式大相徑庭，例如車床的主運(yùn)動(dòng)是由主軸驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，而銑床的主運(yùn)動(dòng)則是由主軸驅(qū)動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)。同一類型的機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)形式也有很大差別，例如升降臺(tái)式銑床的Z 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由升降臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，而床身式銑床則是由主軸箱的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在教學(xué)過程中僅通過靜態(tài)圖片很難讓學(xué)生理解機(jī)床的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用VERICUT的虛擬機(jī)床則可以直觀形象的展示機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)的機(jī)床模型，如圖5 所示，讓虛擬機(jī)床的各坐標(biāo)軸執(zhí)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，就能清晰地呈現(xiàn)出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而幫助學(xué)生快速掌握各類數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

圖5 各種結(jié)構(gòu)的機(jī)床模型

VERICUT 為用戶提供虛擬機(jī)床搭建平臺(tái)，用戶可以創(chuàng)建與真實(shí)機(jī)床一致的機(jī)床模型，并在VERICUT 中使用該模型進(jìn)行仿真加工。在“數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件裝調(diào)與維修”課程教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生對真實(shí)機(jī)床進(jìn)行測繪并自主搭建虛擬機(jī)床，幫助學(xué)生深入領(lǐng)會(huì)數(shù)控機(jī)床主要機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系，取得良好的教學(xué)效果。

（1）機(jī)床測繪

將班級學(xué)生劃分成若干個(gè)小組，給每個(gè)小組分配一臺(tái)機(jī)床（為每組分配不同型號的機(jī)床，可以有效避免相互抄襲）。學(xué)生以小組為單位測量數(shù)控機(jī)床主要部件的外形尺寸，如圖5 所示，然后應(yīng)用UG 軟件繪制機(jī)床部件的三維模型。在此過程中學(xué)生通過仔細(xì)觀察機(jī)床部件的結(jié)構(gòu)及其連接關(guān)系，能加深對機(jī)床構(gòu)造的理解。

（2）構(gòu)建VERICUT 虛擬機(jī)床

數(shù)控機(jī)床規(guī)定以工件為參照物來定義刀具的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用機(jī)床坐標(biāo)系準(zhǔn)確定位刀具的位置和軌跡，但由于不同類型數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的布局形式多樣，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)床坐標(biāo)結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)遇到困難。在VERICUT 虛擬機(jī)床搭建平臺(tái)上可以建立各種坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，各坐標(biāo)軸的連接關(guān)系用樹形結(jié)構(gòu)表示，如圖6 所示，根節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)軸會(huì)帶動(dòng)子節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)軸一起移動(dòng)，位置并列的坐標(biāo)軸可以相對獨(dú)立移動(dòng)。

圖6 機(jī)床坐標(biāo)結(jié)構(gòu)

學(xué)生首先根據(jù)其測繪機(jī)床的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)在VERICUT 環(huán)境中建立虛擬機(jī)床的坐標(biāo)框架，然后將機(jī)床部件的三維模型導(dǎo)入相應(yīng)的坐標(biāo)軸中，接著依據(jù)裝配關(guān)系調(diào)整各機(jī)床部件的位置，完成虛擬機(jī)床的搭建，如圖7 所示。虛擬機(jī)床跟實(shí)際機(jī)床一樣也需要設(shè)置各坐標(biāo)軸的行程極限，因此可以幫助學(xué)生掌握數(shù)控機(jī)床行程保護(hù)的原理。各小組完成VERICUT 虛擬機(jī)床搭建后需要公開展示并講解該型號機(jī)床的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這樣可以讓每位同學(xué)都全面掌握常用的各類型機(jī)床的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。

圖7 VERICUT 虛擬機(jī)床

4 VERICUT 在數(shù)控多軸加工教學(xué)中的應(yīng)用

隨著我國裝備制造產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級以及航空航天、汽車、軍事國防、造船和模具等工業(yè)的迅速發(fā)展，對掌握多軸聯(lián)動(dòng)加工編程的技術(shù)技能人才需求日益迫切，不少職業(yè)院校積極購買多軸數(shù)控機(jī)床，開設(shè)數(shù)控多軸加工課程培養(yǎng)多軸技能人才[4-5]。多軸數(shù)控機(jī)床尤其是進(jìn)口5 軸加工中心的采購、運(yùn)行及維修的價(jià)格昂貴，因此只有部分院校購買少量設(shè)備用于教師科研或精英學(xué)生的競賽訓(xùn)練，還不能廣泛應(yīng)用于多軸數(shù)控機(jī)床課程教學(xué)當(dāng)中。

VERICUT 支持多種類型的多軸或車銑復(fù)合加工中心等高檔數(shù)控機(jī)床的仿真，如圖8 所示。缺乏多軸數(shù)控機(jī)床的學(xué)?？梢赃\(yùn)用VERICUT 提供的虛擬多軸加工中心開展多軸數(shù)控機(jī)床編程操作課程教學(xué)。教師可以像操作真實(shí)設(shè)備一樣控制虛擬多軸加工中心各軸運(yùn)動(dòng)，形象的展示旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，幫助學(xué)生理解A 軸、B 軸、C 軸的概念以及刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)的原理。虛擬機(jī)床還可以準(zhǔn)確識別包括RTCP 在內(nèi)的各種多軸數(shù)控系統(tǒng)的指令，通過直觀的仿真過程展示指令的執(zhí)行效果，讓學(xué)生快速掌握多軸指令的使用方法。在多軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，讓學(xué)生首先在VERICUT 中反復(fù)驗(yàn)證和修改多軸加工程序，排除機(jī)床碰撞錯(cuò)誤，然后再到實(shí)際機(jī)床上進(jìn)行加工，這樣既可以提高學(xué)習(xí)效果，又能夠有效地保護(hù)高檔機(jī)床。

圖8 DMG 五軸加工中心

5 結(jié)論

VERICUT 作為一款行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，不僅在裝備制造領(lǐng)域幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠在數(shù)控技術(shù)人才培養(yǎng)方面發(fā)揮重要作用。VERICUT 通過與真實(shí)機(jī)床一致虛擬機(jī)床直觀、完整地呈現(xiàn)出數(shù)控加工的全過程，有效地幫助學(xué)生掌握定位裝夾、切削用量和機(jī)床坐標(biāo)結(jié)構(gòu)等難點(diǎn)知識，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中能快速驗(yàn)證NC 程序避免發(fā)生機(jī)床碰撞事故，還可以在缺乏高檔機(jī)床的條件下輔助開展數(shù)控多軸加工教學(xué)。