一、引言

　　虛擬機(jī)床可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，具有直 觀、安全、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展，對(duì)于銑床和車床的虛擬機(jī)床已經(jīng) 日益完善，但是對(duì)于電火花線切割虛 擬機(jī)床的研究現(xiàn)在才處于起步階段。 快走絲線切割數(shù)控機(jī)床在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛，它具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡(jiǎn)單快捷 等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)床自帶的編程系統(tǒng)，雖然 可以動(dòng)態(tài)地顯示加工軌跡，但是不夠 直觀，尤其是對(duì)帶有錐度或者上下異 形的零件，機(jī)床界面無(wú)法直觀地顯示零件的形狀，走絲路徑是否正確也無(wú) 法驗(yàn)證。建立快走絲線切割的虛擬機(jī) 床，可以很好地解決這些問(wèn)題。

　　V E R I C U T是美國(guó)C G T e c h公司開(kāi)發(fā) 的，面向制造業(yè)的數(shù)控加工仿真軟 件，應(yīng)用十分廣泛，許多主流的C A D軟 件將其作為一個(gè)基層模塊收入其中。該軟件不僅擁有豐富的機(jī)床庫(kù)，并且 是一個(gè)開(kāi)放的數(shù)控仿真平臺(tái)，用戶可 以根據(jù)自己的需求對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi) 發(fā)，構(gòu)建出用戶需要的虛擬機(jī)床。

　　本文以V E R I C U T為平臺(tái)，建立快走 絲線切割的虛擬機(jī)床，并對(duì)上下異形零 件進(jìn)行模擬仿真，動(dòng)態(tài)地反映了加工過(guò) 程，能夠很好地發(fā)現(xiàn)程序中的問(wèn)題。

　　二、基于VERICUT的虛擬機(jī)床構(gòu)建方法

　　在VERICUT中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)線切割加工程序的仿真，首先建立仿真環(huán)境， 其構(gòu)建的一般過(guò)程如下。

　　1.機(jī)床結(jié)構(gòu)分析

　　確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，線切割 機(jī)床一般由導(dǎo)軌、立柱、床身、運(yùn)動(dòng) 軸、工作臺(tái)和導(dǎo)絲系統(tǒng)等部件組成。 對(duì)于部件尺寸進(jìn)行測(cè)量，確定各運(yùn)動(dòng)軸的行程、機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)及用到的毛 坯夾具等。

　　2.幾何建模

　　運(yùn)用三維CAD軟件建立機(jī)床重要部 件的實(shí)體幾何模型。在V E R I C U T中根據(jù) 機(jī)床的結(jié)構(gòu)以組件為單位建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型即組件樹，并添加各部件的幾 何模型。

　　3.建立機(jī)床的控制系統(tǒng)

　　定制出符合該機(jī)床的數(shù)控編程指 令系統(tǒng)。首先調(diào)用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，再根據(jù)該機(jī)床的控制系統(tǒng)功能和指令 格式，對(duì)G代碼、M代碼、寄存器地址 和狀態(tài)指令等進(jìn)行修改設(shè)置。

　　4.機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

　　根據(jù)機(jī)床的幾何模型和運(yùn)動(dòng)特 征，定義機(jī)床的坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)置機(jī)床 運(yùn)動(dòng)部件的行程等。

　　三、構(gòu)建快走絲電火花線切割虛擬機(jī)床

　　1.機(jī)床描述

　　本次開(kāi)發(fā)的虛擬機(jī)床仿真對(duì)象為 大量公司的T P-40，該機(jī)床是新加坡大 量公司生產(chǎn)的四軸快走絲線切割機(jī)。 加工精度比較高，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。 加工最大厚度為350mm，各運(yùn)動(dòng)軸的行 程如表1所示。

表1 各坐標(biāo)軸的行程

　　2.機(jī)床的幾何建模過(guò)程

　　(1)建立部件的3D模型

　　運(yùn)用P r o/E N G I N E E R野火版4.0建 模，繪制床身、X軸、Y軸、U/V軸、導(dǎo) 絲系統(tǒng)和工作臺(tái)等的實(shí)體幾何模型。

　　(2)建立組件樹 根據(jù)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建機(jī)床的組件樹，構(gòu)建好的組件樹如圖1所示。

　　(3)添加機(jī)床的幾何模型 添加組件樹上的幾何模型，并對(duì)其顏色、位置等進(jìn)行調(diào)整，得到我們 需要的機(jī)床模型，如圖2所示。

圖1 組件

圖2 機(jī)床的幾何模型

　　3.機(jī)床指令系統(tǒng)的定制

　　V E R I C U T中沒(méi)有跟這臺(tái)機(jī)床完全 對(duì)應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，所以先調(diào)用相近的c h r200控制系統(tǒng)。再通過(guò)對(duì)其修改得 到該機(jī)床的控制系統(tǒng)。

　　數(shù)控指令系統(tǒng)是由字組成的。在“Word/Address”中完成對(duì)各條指令的 修改和添加，完成對(duì)字功能的定義， 需要修改或添加的主要字功能定義如 表2所示。

　　4.機(jī)床基本參數(shù)的設(shè)置

　　根據(jù)真實(shí)線切割機(jī)床的實(shí)際情 況，需要對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)、各運(yùn)動(dòng)軸的行 程等基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

　　(1)機(jī)床組件的碰撞設(shè)置

　　仿真過(guò)程中為了發(fā)現(xiàn)機(jī)床和零 件以及夾具的碰撞，必須首先進(jìn)行碰 撞設(shè)定，該機(jī)床設(shè)定四個(gè)碰撞檢測(cè)， 如果仿真過(guò)程中以下部件發(fā)生碰撞， 則以紅色顯示。設(shè)置完成后，如圖3 所示。

表2 需要添加和修改的主要字功能定義

圖3 碰撞設(shè)置

　　(2)坐標(biāo)系的設(shè)置 該虛擬機(jī)床的建模原點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)(Machine Zero)重合，即為(0，0，0)。相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)，機(jī)床的初 始點(diǎn)設(shè)定在(0，0，20)處。

　　(3)行程極限

　　對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸的行程進(jìn)行設(shè)定， 當(dāng)程序中出現(xiàn)超行程時(shí)，紅色高亮顯示，并且在日志文件里記錄，這樣可 以輕松發(fā)現(xiàn)程序中的錯(cuò)誤。設(shè)置結(jié)果，如圖4所示。

圖4 行程設(shè)定

　　5.虛擬機(jī)床界面的定制

　　通過(guò)以上的定制，該虛擬機(jī)床已 經(jīng)能夠仿真數(shù)控加工過(guò)程了，從功能 上已滿足我們的要求。但V E R I C U T的缺 省界面較復(fù)雜，操作不夠直觀。利用 V E R I C U T的界面定制功能可以定制出針 對(duì)線切割機(jī)床的簡(jiǎn)化界面，使操作更 方便。

　　利用VERICUT的Custom Interface 功能即可對(duì)界面進(jìn)行設(shè)定。圖5所示界 面是經(jīng)過(guò)定制后針對(duì)本機(jī)床的界面。界面簡(jiǎn)潔、直觀，操作方便。該界面 有兩部分組成：記事本式窗口和主窗 口。記事本式窗口的上半部分給出了 虛擬機(jī)床的操作說(shuō)明，下半部分布置 了需要的命令按鈕和參數(shù)輸入框。主窗口用于顯示虛擬機(jī)床的工作情況。 在此主窗口中再劃分出四個(gè)視圖，用 于展現(xiàn)機(jī)床的整體和局部。在主窗口 的上方還有用于視圖操作的工具欄。 應(yīng)該說(shuō)經(jīng)過(guò)定制后的虛擬機(jī)床界面， 操作更簡(jiǎn)單、觀測(cè)更明了。

　　6.虛擬機(jī)床的運(yùn)行

　　運(yùn)行V E R I C U T后系統(tǒng)打開(kāi)一臺(tái)默認(rèn) 的機(jī)床，每一次仿真都要重新打開(kāi)自己 定制的機(jī)床，用起來(lái)比較麻煩。通過(guò) 對(duì)該軟件批處理指令的修改，可以達(dá)到 運(yùn)行軟件直接進(jìn)入自己設(shè)定的機(jī)床的目 的。下面是修改的批處理文件。

圖5 定制的界面

圖6 零件圖

圖7 仿真結(jié)果

　　Set CGTECH _ CODEC _ FILTER=X264 MRLE

　　Set CGTECH_My_Directory=C:JohnnyJohnnyWDEM

　　Set CGTECH_VCPROJECT=C : Johnny Johnny WDEM802smm.VcProject

　　S et CGT E CH _ F LOOR _IMAGE=%CGTECH_LIBRARY%floor.jpg

　　四、仿真實(shí)例

　　對(duì)于上下異形的零件，機(jī)床自帶的控制界面無(wú)法直觀地顯示零件形狀 和加工路徑等。但是通過(guò)虛擬機(jī)床來(lái)仿真切割過(guò)程則相當(dāng)直觀，有利于對(duì) 程序的檢驗(yàn)。

　　實(shí)例中加工的零件為上、下異形 體，上圓下方，上表面為直徑為20m m 的圓，下表面為10×10m m的正方形， 零件厚度30mm。零件如圖6所示。

　　仿真結(jié)果如圖7所示。用該虛擬機(jī)床進(jìn)行仿真加工不僅具有安全性、經(jīng)濟(jì)性和直觀性，而且具有反饋的及 時(shí)性。也就是說(shuō)，對(duì)數(shù)控機(jī)床參數(shù)的 調(diào)整或數(shù)控程序的修改，馬上可以通過(guò)仿真加工來(lái)得到體現(xiàn)，給操作者及 時(shí)的反饋。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析， 還可以檢測(cè)出機(jī)床與工件夾具的碰 撞，避免機(jī)床的損壞;通過(guò)比較仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)零件的差別，找到程序中的問(wèn)題。

　　五、結(jié)論

　　利用數(shù)控仿真加工平臺(tái)V E R I C U T構(gòu)建了能夠仿真T P-40快走絲線切割 的虛擬機(jī)床，具有操作簡(jiǎn)單、觀測(cè)明 了的特點(diǎn)。并對(duì)該機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn) 行修改，定制出了與機(jī)床對(duì)應(yīng)的指令 系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)機(jī)床界面與快捷鍵的設(shè) 置，使操作界面簡(jiǎn)單方便。

　　通過(guò)對(duì)于上下異形零件的模擬仿 真，能夠直觀地看到加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn) 對(duì)加工效果的預(yù)測(cè)。該虛擬機(jī)床具有 安全、經(jīng)濟(jì)和可分析性強(qiáng)的特點(diǎn)。可 以有效地提高程序質(zhì)量和編程效率。