1 VERICUT軟件系統及其功能

　　VERICUT是由美國CGTeeh公司開發的基于Windows及UNIX平臺上模擬數控機床加工仿真和優化的軟件系統。它可取代傳統的切削試驗，真實地模擬機床加工過程中零件、夾具、工作臺、機床各軸及刀具切削的運動情況，不僅能夠對機床運動狀態進行仿真，而且能夠對NC程序進行驗證、優化及加工精度分析。幫助操作者修正編程錯誤和改進切削效率，已成為提高數控加工質量的高效工具。

　　VERICUT軟件系統的功能結構圖，如圖l所示。由圖知，在VERICUT軟件環境下，通過所建立的數控仿真系統模型，以零件結構、刀具結構和數控程序為輸入，可實現VERICUT軟件環境下各實體運動仿真、刀具加工路徑優化和零件加工實體誤差分析。

　　圖1 VERICUT軟件功能結構圖

　　2 VERICUT系統建模

　　VERICUT系統環境下實現數控加工過程的仿真，通過以下三個步驟實現：(1)建立機床的幾何模型和運動學模型;(2)建立仿真過程所需相關信息，如實體模型，包括刀具、工件和夾具等幾何模型，刀位軌跡或數控加工程序，配置仿真過程相應參數等;(3)進行數控加工過程的仿真及仿真后處理分析。

　　2.1數控機床建模

　　數控機床結構模型及其控制系統是實現系統仿真的運動基礎。在VERICUT軟件環境下，構建數控機床模型通過兩種方式實現。

　　2.1.1根據用戶特定要求建立數控機床模型

　　這種方式下，與實際制造數控機床的過程相似。根據數控機床具體結構形式，構建數控機床各組成部分的幾何實體模型。VERICUT軟件只提供了塊體、柱體和錐體的簡單模型，對于機床更為復雜的模型建模可以借助CAD/CAM系統生成實體模型，如PROE、UG、Solid Works等軟件進行建模，再以IGES、STL等文件格式導人VERlCUT。機床各部分幾何實體模型以組件樹形式將各實體模型按照數控機床結構形式組合在一起，組件樹可以控制各實體模型的連接方式，因此定義數控機床幾何實體模型時需注意機床各組件間的相互依附關系。數控機床幾何模型設置完成后，還需對數控機床進行初始化設置和控制系統設定。初始化設置包括機床干涉檢查設置，用于檢測機床組件之間是否發生干涉及發生干涉的臨界值;機床行程設置，用于設置機床各移動部件的行程范圍，當仿真過程出現運動超程即提示報警;機床各運動軸分配，用于設置快速運動時各軸的運動模式;機床數字控制系統配置，使機床具有解讀數控加工代碼、進行運動插補運算、仿真顯示等功能。VERICUT支持SIEMENS、FANUC、CINCINNATI等多種控制系統文件，可直接調用使用，也可對現有控制系統文件進行修改，定制特定的控制系統文件。

　　2.1.2調用系統提供的數控機床模型

　　VERICUT自身提供了幾十種數控機床數據文件，可直接調用使用。對現有數控機床數據文件進行修改、調整、重新加載后可快速實現數控機床建模。

　　設計完成數控機床幾何建模、機床初始化設置，配置相應的控制系統、機床文件和工作文件后便可實現數控機床建模。VERICUT軟件環境下建立的數控機床模型，如圖2所示。

　　圖2 VERICUT環境下的數控機床模型

　　2.2毛坯、夾具建模

　　毛坯建模為數控仿真系統提供可供加工的零件實體，夾具建模則可檢測夾具與機床的其它運動部件之間是否會產生干涉或碰撞。VERICUT軟件基于類的概念設定組件(components)，不同的組件代表不同功能的實體模型，如“stock”代表加工毛坯、“Fixture”代表夾具、“guide”代表導軌等。組件具有屬性，系統根據組件類型和屬性不同而進行不同的操作處理。通過添加幾何模型(model)到組件，使幾何模型具有組件的屬性及幾何模型自身的3D尺寸、形狀屬性。

　　毛坯、夾具、刀具、機床軸等組件模型，如實際加工系統中各實體間的相互連接關系一樣進行裝配，連接到數控機床模型正確的位置構成組件樹，系統控制文件將控制各組件模型的相對運動與其實際加工過程各自運動相同。

　　2.3刀具建模

　　為了使建立的數控加工仿真模型能適應不同的加工程序，可以建立特定機床所使用的所有刀具構成刀具庫。刀具庫中的每—把刀具都具有唯一的ID編號，仿真時數控程序通過刀具號調用刀具。

　　在“Tool Manager’界面下定義刀具類型及參數屬性，實現刀具建模。鏜銑類刀具由與主軸孔相適應的工具柄部、與刀具柄部相連接的工具裝夾部分和切削刃3部分組成，軟件中分別用Holder2、Holderl和Cutter表示這3部分。車削類刀具一般由刀片和刀柄兩部分組成，軟件中分別用Cutter和Holder表示這2部分。其中“Holder"刀柄部分為刀具的“非切削”部分，用以檢測碰撞。刀具相關屬性，如刀片結構形式、刀柄形式及尺寸等參數可在Cutter、Holder(Holder2、Holderl)界面內設定。程序中如使用到多刀進行加工，可重復設定刀具并組成刀具庫，編輯設定刀具庫換刀方式實現程序對刀具的調用。

　　3系統參數設置

　　為在VERICUT環境下實現數控虛擬加工，需調入零件加工刀具軌跡文件進行仿真加工。VERICUT軟件可對APT刀位軌跡和G代碼刀位軌跡文件的模擬。APT代碼文件由CAM系統輸出。這種代碼是中間過渡性文件，不能被數控機床直接調用。在應用于數控機床加工前，須經后置處理轉化成包含所使用數控機床特定G代碼格式的文件，VERICUT軟件中可實現代碼轉換以提高程序對數控設備的適應性。通過將“Setup”一“Toolpath”一"Toolpath Type”設置為“APT’或“G-Code”等方式，并完成刀具軌跡仿真的相關設置。此外，還需進行工件編程原點、刀具補償以及數控加工刀具號和刀具庫文件中的刀具映射等設置內容。

　　4 VERICUT系統虛擬加工仿真

　　在完成數控機床建模、毛坯、夾具建模、刀具建模及系統初始化參數設置后，便可進行虛擬加工仿真。運動學仿真的目的是通過考察各部件的相對運動狀態，檢驗數控程序在加工過程中是否發生干涉、碰撞以及校核數控加工程序是否正確。干涉檢查可以發現機床部件及安裝在其上的刀具、夾具和工件在運動過程中出現的不期望接觸;碰撞檢查可以發現由于編程錯誤產生的刀具在快速趨近工件時未能轉換成切削進給而引起的刀具與工件的撞擊。車削軸零件的加工模擬實例，如圖3所示。

　　圖3軸零件模擬車削加工

　　5仿真后處理

　　5.1優化路徑模塊

　　優化路徑模塊可基于切削條件和需切削的材料量自動修正進給率。優化路徑模塊可大量節約零件加工時間，提高生產效率。VERICUT的路徑優化過程是重新計算進給速度或主軸轉速后產生新的優化刀具軌跡文件，而刀具路徑保持原路徑不變。

　　刀具軌跡優化的步驟：(1)準備刀具軌跡進行優化。優化前校驗刀具軌跡，確保無誤。完成軟件處理的刀具軌跡文件設定工作，如模型、刀具軌跡文件名、定位數據及切削刀具等。(2)選擇OpfiPmh Module模塊，進入“OptiPath”+“Control”界面，根據切削條件因素設定切削刀具類型(材料、形狀、刀具長度等)、毛坯材料、機床性能(功率、最大進給速度、冷卻能力等)等參數。(3)選擇交互式優化方式生成優化刀具軌跡庫或用“OptiPath”一“Manager”方式生成刀具軌跡文件里的優化刀具記錄。

　　優化刀具軌跡通過讀入NC刀具軌跡文件并將走刀運動分成許多細小的運動，根據各段程序的材料去除量，為各段切削程序確定最佳進給量，輸出—個等效于原始刀具軌跡但改善了進給速度設定的新刀具軌跡文件。劉衛等人通過瓶子型腔銑削加工對比，驗證了優化程序后比優化前平均省時46.8%。

　　5.2 AUTD—DIFF模塊

　　軟件的AUTO—DIFF模塊可將VERICUT仿真模型與設計模型數據進行比較，檢查出仿真加工中的過切或欠切現象，并使用軟件其它功能(如“X-Caliper’或“Zoom”)來測量和幫助判斷產生錯誤的原因，以便實際加工前及時糾正錯誤。

　　AUTO—DIFF模塊支持大部分CAD/CAM系統的實體模型，可將設計表面、實體模型的外殼與被仿真零件進行比較，檢測錯誤或超出設定公差范圍的情況，并以不同顏色辨別區分擦傷、碰撞或殘余的材料。AUTO-DIFF模塊根據設定的公差要求進行分析后的顯示結果及分析報告，如圖4所示。

　　圖4 AUTO-DIFF模塊分析及分析報告

　　6結論

　　基于VERICUT軟件的虛擬制造技術能夠對具體加工過程進行仿真、優化，并對虛擬加工結果進行分析，可以預先發現和改進實際加工中出現的問題，以較優的加工工藝投入生產。基于VERICUT軟件實現了數控加工運動學仿真，通過軟件的優化處理模塊，可對數控加工代碼進行優化，提高生產效率。AUTO-DIFF模塊還可將VERICUT仿真模型與設計模型數據進行比較，檢查出仿真加工中過切或欠切區域，判斷誤差原因，提高加工質量。