本文應(yīng)用NC程序仿真校驗軟件VERICUT，研究了NC程序的仿真技術(shù)，分別探討了手工編寫的和由CAD/CAM軟件生成的NC程序的校驗方法，完成了典型零件手工編寫的和由CAD/CAM軟件生成的NC程序的切削加工仿真和程序校驗。
一、引言
NC程序作為數(shù)控加工的信息載體，其正確與否直接影響零件的加工質(zhì)量。目前實際生產(chǎn)使用的NC程序，在投入加工之前通常采用機床空運行和樣件試切，完成NC程序的校驗。該方法加工準(zhǔn)備周期長，生產(chǎn)成本高，難以實現(xiàn)數(shù)控機床的高效率。圖形仿真是目前通用的NC校驗方法，一般采用離線工作方式，用三維圖形直觀顯示機床、刀具、工件以及輔助設(shè)備（機械手等），在計算機上對檢驗程序進行編譯，并驅(qū)動圖形加工系統(tǒng)進行準(zhǔn)實時加工，檢查NC代碼中的語法和語意錯誤，實現(xiàn)干涉校驗。NC程序仿真能直觀安全地模擬、驗證、分析切削過程，免去了以往樣件生產(chǎn)的樣件材料損耗、刀具磨損、機床清理等，從而縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低成本。本文選擇了兩個典型零件作為研究對象，探討利用計算機輔助技術(shù)生成NC程序，然后進行仿真校驗的技術(shù)問題。
以Unigraphics NX和VERICUT 5.3為工具。在Unigraphics NX/Modeling模塊中做零件和模型造型，用VB和Unigraphics NX/Manufacturing等軟件生成NC程序，再用VERICUT 5.3仿真軟件實現(xiàn)NC程序仿真校驗。
二、NC程序仿真與校驗工作流程
VERICUT仿真校驗NC程序的工作流程如圖1所示。
圖1 VERICUT仿真校驗NC程序的工作流程
幾乎所有形式的NC程序代碼都可以作為VERICUT的輸入程序，包括手工編寫的純文本格式的數(shù)控加工程序。M＆G代碼與APT形式的CL文件一樣，都可以被VERICUT直接執(zhí)行。類似真實加工的是，VERICUT需要刀具軌跡代碼，需要對于被加工的原材料的描述，也需要對于切削刀具的描述。驗證過程的結(jié)果之一是一個加工過的三維實體模型——產(chǎn)品。結(jié)果之二是一個報告——包含模擬加工過程所監(jiān)測到的所有錯誤信息的日志報告。
三、VERICUT實現(xiàn)NC程序仿真校驗的方法和步驟
1. 手工編寫的NC程序仿真校驗
對于這種情況，這里以一個用VB編寫的純文本數(shù)控加工程序為例加以說明。如圖2所示的是一個已經(jīng)粗加工的零件，要對其頂面進行精加工。頂面為一不能用CAD軟件完成造型的三維空間曲面，原曲面上相應(yīng)點的坐標(biāo)是在三坐標(biāo)測量機上測量得到的，只能根據(jù)這些坐標(biāo)值進行編程，然后加工出曲面。用VB編寫的數(shù)控程序有5萬多行，程序的校驗原先是在數(shù)控機床上對樣件進行試切完成的，要經(jīng)歷試切→測量→修改程序→再試切的程序校驗過程，整個過程既費工又費時，而且效果也不理想。改用VERICUT對NC程序進行仿真和校驗，不僅節(jié)省時間和降低成本，而且效果很好。
圖2 毛坯模型
本例為了獲得好的仿真效果，利用Unigraphics NX制作了一個近似的實體模型。模型制作好后，輸出為*.IGS文件并保存。仿真需要完成三個操作步驟：準(zhǔn)備NC程序；準(zhǔn)備被加工零件的原材料模型；完成仿真。
進入VERICUT主界面，首先定義工作環(huán)境，單擊File→Properties，Default Units=Millimeter設(shè)置為公制毫米單位，然后單擊File→New Session新建一個*.USR文件。在其中定義刀具路徑、毛坯和刀具，并完成仿真。
(1)毛坯
單擊VERICUT主菜單的Model→Model Definition：Import標(biāo)簽，單擊Browse，點選保存*.IGS原材料模型文件的目錄，選擇預(yù)先制作好的原材料模型文件。取Tolerance=0.005，單擊Apply，被加工零件的原材料模型即被輸入VERICUT主界面，如圖1所示。
(2)NC程序
手工編寫的NC程序如圖2所示。共5萬多行，預(yù)先編好的NC程序保存為純文本格式。NC程序以頂面中心為編程原點，精加工工序使用的刀具為φ20球頭銑刀。NC程序調(diào)用步驟：單擊Setup menu→Toolpath：Toolpath Type＝G-Code Data，單擊Add，選擇預(yù)先編好的程序文件，單擊Ok，刀具路徑文件被調(diào)入VERICUT。
圖3 NC程序
(3)刀具
根據(jù)程序的要求，在VERICUT中定義刀具，可以從VERICUT附帶的刀具庫中選擇。步驟是：單擊Setup→Tool Manager→File→Open，在VERICUT的安裝目錄下，找到刀具庫文件fanuc3xm.tls，并打開。對ID號為1的刀具進行編輯，改為φ20的球頭銑刀，并將其Gage Offest設(shè)為零。刪除其余刀具，將修改的結(jié)果另存至相應(yīng)的目錄。
(4)數(shù)控系統(tǒng)
這里要為VERICUT仿真環(huán)境指定一個數(shù)控系統(tǒng)控制文件?？芍苯訌腣ERICUT的庫文件中選擇相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)控制文件，本例選用的控制文件是fan0m·ctl (mill)。調(diào)用步驟：單擊Setup→Control→Open，在VERICUT安裝目錄下找到庫文件fan0m·ctl，并打開。該文件是一個文本文件，包含數(shù)控系統(tǒng)如何處理G代碼的指令、程序的格式、機器碼編寫規(guī)則和程序調(diào)用的規(guī)則等，用于將刀具路徑編譯為機床能識別的機器碼。
(5)機床
要根據(jù)實際機床定義仿真的機床組件。下面以Funac-3Axis立式加工中心為例，說明如何添加機床各軸組件到組件樹形關(guān)系中。
☆在Base下建立Z軸，并定義Z軸零點相對于機床零點的位置；
☆在Z軸上建立刀具Tool，并定義其相對于機床零點的位置；
☆再在Base下建立Y軸，在Y軸上建立X軸；
☆然后利用剪切、粘貼功能，將組件樹形關(guān)系調(diào)整為如圖（4）所示結(jié)構(gòu)。
圖4 組件樹形關(guān)系
說明：機床組件中各軸零點均設(shè)在毛坯底面中心，刀具Tool的Z坐標(biāo)根據(jù)程序中的G92指令和毛坯頂面中心至底面中心的高度設(shè)置，類似于在數(shù)控機床上將工件坐標(biāo)零點設(shè)置在毛坯頂面的中心。
(6)仿真
這里要確保刀具路徑的原點與機床各組件的零點相符。本例根據(jù)以上的設(shè)置將刀具路徑原點設(shè)在Stock_Origin。設(shè)置步驟：單擊Setup menu→Toolpath：在刀具原點列表下拉菜單中，點選Stock_Origin，然后單擊Ok。
單擊Play to End圖標(biāo)即可仿真刀具切削過程。仿真過程中，打開Info/Status窗口，則在動態(tài)切削過程的同時，還能實時得到其相應(yīng)的刀具位置、錯誤信息、警告信息、刀具信息等，如圖5所示。
a)仿真切削過程 b)有誤切程序的仿真結(jié)果 c)調(diào)整后的程序仿真結(jié)果
圖5 仿真結(jié)果
查看日志文件，可得到VERICUT記錄的錯誤信息和警告信息。如有錯誤，則會顯示發(fā)生錯誤的程序段。如記錄數(shù)均為零，則說明NC程序通過了VERICUT的驗證。
2. Unigraphics NX/Manufacturing中生成的NC程序仿真校驗
對于這種情況，本文著重探討NC程序的仿真校驗。盡管在Unigraphics NX/Manufacturing中，生成刀具路徑時，Unigraphics NX/Manufacturing提供了加工仿真功能，但是對一些復(fù)雜零件的刀具路徑在實際加工前還應(yīng)對NC程序進行進一步的驗證。如圖6所示的零件，在Unigraphics NX/Manufacturing中編制刀具路徑時，經(jīng)加工仿真未發(fā)現(xiàn)問題，用默認(rèn)的三軸銑后處理器將刀具路徑后處理生成NC程序，再用VERICUT進行驗證，卻出現(xiàn)了錯誤報告，錯誤程序段為N3340 G2 X59.026 Y33.681 I-33.91 F250，圓弧插補缺少J地址字，對應(yīng)的刀具路徑如圖6a所示。類似的錯誤有好幾處，這樣的錯誤一般難以檢查發(fā)現(xiàn)。但用VERICUT軟件很容易就能發(fā)現(xiàn)問題。經(jīng)VERICUT仿真的NC程序，除了能在動態(tài)切削過程的同時，實時得到其相應(yīng)的刀具位置、錯誤信息、警告信息、刀具信息外，還生成相應(yīng)的日志報告。報告中詳細(xì)記載了錯誤的性質(zhì)和相應(yīng)的程序段，通過路徑重放還能再現(xiàn)錯誤發(fā)生的過程，而且能立即在路徑重放窗口中對相應(yīng)的程序段進行修改。如圖6b為原錯誤程序段修改后的路徑重放。
圖6 一個盤型零件
三、結(jié)束語
利用VERICUT仿真校驗NC程序可以在計算機上模擬整個NC機床的切削環(huán)境，而不必在實際的機床上運行。它降低甚至消除了在機床上驗證輸出的必要性。利用該技術(shù)不僅節(jié)省了編程和調(diào)試的時間，還減少了重復(fù)性的工作、消除了損壞零件及損壞機床的可能性。
