数控编程技术：NC程序仿真与校验
本文应用NC程序仿真校验软件VERICUT，研究了NC程序的仿真技术，分别探讨了手工编写的和由CAD/CAM软件生成的NC程序的校验方法，完成了典型零件手工编写的和由CAD/CAM软件生成的NC程序的切削加工仿真和程序校验。
一、引言
NC程序作为数控加工的信息载体，其正确与否直接影响零件的加工质量。目前实际生产使用的NC程序，在投入加工之前通常采用机床空运行和样件试切，完成NC程序的校验。该方法加工准备周期长，生产成本高，难以实现数控机床的高效率。图形仿真是目前通用的NC校验方法，一般采用离线工作方式，用三维图形直观显示机床、刀具、工件以及辅助设备（机械手等），在计算机上对检验程序进行编译，并驱动图形加工系统进行准实时加工，检查NC代码中的语法和语意错误，实现干涉校验。NC程序仿真能直观安全地模拟、验证、分析切削过程，免去了以往样件生产的样件材料损耗、刀具磨损、机床清理等，从而缩短生产准备周期，降低成本。本文选择了两个典型零件作为研究对象，探讨利用计算机辅助技术生成NC程序，然后进行仿真校验的技术问题。
以Unigraphics NX和VERICUT 5.3为工具。在Unigraphics NX/Modeling模块中做零件和模型造型，用VB和Unigraphics NX/Manufacturing等软件生成NC程序，再用VERICUT 5.3仿真软件实现NC程序仿真校验。
二、NC程序仿真与校验工作流程
VERICUT仿真校验NC程序的工作流程如图1所示。
几乎所有形式的NC程序代码都可以作为VERICUT的输入程序，包括手工编写的纯文本格式的数控加工程序。M＆G代码与APT形式的CL文件一样，都可以被VERICUT直接执行。类似真实加工的是，VERICUT需要刀具轨迹代码，需要对于被加工的原材料的描述，也需要对于切削刀具的描述。验证过程的结果之一是一个加工过的三维实体模型——产品。结果之二是一个报告——包含模拟加工过程所监测到的所有错误信息的日志报告。
三、VERICUT实现NC程序仿真校验的方法和步骤
1. 手工编写的NC程序仿真校验
对于这种情况，这里以一个用VB编写的纯文本数控加工程序为例加以说明。如图2所示的是一个已经粗加工的零件，要对其顶面进行精加工。顶面为一不能用CAD软件完成造型的三维空间曲面，原曲面上相应点的坐标是在三坐标测量机上测量得到的，只能根据这些坐标值进行编程，然后加工出曲面。用VB编写的数控程序有5万多行，程序的校验原先是在数控机床上对样件进行试切完成的，要经历试切→测量→修改程序→再试切的程序校验过程，整个过程既费工又费时，而且效果也不理想。改用VERICUT对NC程序进行仿真和校验，不仅节省时间和降低成本，而且效果很好。
本例为了获得好的仿真效果，利用Unigraphics NX制作了一个近似的实体模型。模型制作好后，输出为*.IGS文件并保存。仿真需要完成三个操作步骤：准备NC程序；准备被加工零件的原材料模型；完成仿真。
进入VERICUT主界面，首先定义工作环境，单击File→Properties，Default Units=Millimeter设置为公制毫米单位，然后单击File→New Session新建一个*.USR文件。在其中定义刀具路径、毛坯和刀具，并完成仿真。
(1)毛坯
单击VERICUT主菜单的Model→Model Definition：Import标签，单击Browse，点选保存*.IGS原材料模型文件的目录，选择预先制作好的原材料模型文件。取Tolerance=0.005，单击Apply，被加工零件的原材料模型即被输入VERICUT主界面，如图1所示。
(2)NC程序
手工编写的NC程序如图2所示。共5万多行，预先编好的NC程序保存为纯文本格式。NC程序以顶面中心为编程原点，精加工工序使用的刀具为φ20球头铣刀。NC程序调用步骤：单击Setup menu→Toolpath：Toolpath Type＝G-Code Data，单击Add，选择预先编好的程序文件，单击Ok，刀具路径文件被调入VERICUT。
(3)刀具
根据程序的要求，在VERICUT中定义刀具，可以从VERICUT附带的刀具库中选择。步骤是：单击Setup→Tool Manager→File→Open，在VERICUT的安装目录下，找到刀具库文件fanuc3xm.tls，并打开。对ID号为1的刀具进行编辑，改为φ20的球头铣刀，并将其Gage Offest设为零。删除其余刀具，将修改的结果另存至相应的目录。
(4)数控系统
这里要为VERICUT仿真环境指定一个数控系统控制文件。可直接从VERICUT的库文件中选择相应的数控系统控制文件，本例选用的控制文件是fan0m·ctl (mill)。调用步骤：单击Setup→Control→Open，在VERICUT安装目录下找到库文件fan0m·ctl，并打开。该文件是一个文本文件，包含数控系统如何处理G代码的指令、程序的格式、机器码编写规则和程序调用的规则等，用于将刀具路径编译为机床能识别的机器码。
(5)机床
要根据实际机床定义仿真的机床组件。下面以Funac-3Axis立式加工中心为例，说明如何添加机床各轴组件到组件树形关系中。
☆在Base下建立Z轴，并定义Z轴零点相对于机床零点的位置；☆在Z轴上建立刀具Tool，并定义其相对于机床零点的位置；☆再在Base下建立Y轴，在Y轴上建立X轴；☆然后利用剪切、粘贴功能，将组件树形关系调整为如图（4）所示结构。
说明：机床组件中各轴零点均设在毛坯底面中心，刀具Tool的Z坐标根据程序中的G92指令和毛坯顶面中心至底面中心的高度设置，类似于在数控机床上将工件坐标零点设置在毛坯顶面的中心。
(6)仿真
这里要确保刀具路径的原点与机床各组件的零点相符。本例根据以上的设置将刀具路径原点设在Stock_Origin。设置步骤：单击Setup menu→Toolpath：在刀具原点列表下拉菜单中，点选Stock_Origin，然后单击Ok。
单击Play to End图标即可仿真刀具切削过程。仿真过程中，打开Info/Status窗口，则在动态切削过程的同时，还能实时得到其相应的刀具位置、错误信息、警告信息、刀具信息等，如图5所示。
查看日志文件，可得到VERICUT记录的错误信息和警告信息。如有错误，则会显示发生错误的程序段。如记录数均为零，则说明NC程序通过了VERICUT的验证。
2. Unigraphics NX/Manufacturing中生成的NC程序仿真校验
对于这种情况，本文着重探讨NC程序的仿真校验。尽管在Unigraphics NX/Manufacturing中，生成刀具路径时，Unigraphics NX/Manufacturing提供了加工仿真功能，但是对一些复杂零件的刀具路径在实际加工前还应对NC程序进行进一步的验证。如图6所示的零件，在Unigraphics NX/Manufacturing中编制刀具路径时，经加工仿真未发现问题，用默认的三轴铣后处理器将刀具路径后处理生成NC程序，再用VERICUT进行验证，却出现了错误报告，错误程序段为N3340 G2 X59.026 Y33.681 I-33.91 F250，圆弧插补缺少J地址字，对应的刀具路径如图6a所示。类似的错误有好几处，这样的错误一般难以检查发现。但用VERICUT软件很容易就能发现问题。经VERICUT仿真的NC程序，除了能在动态切削过程的同时，实时得到其相应的刀具位置、错误信息、警告信息、刀具信息外，还生成相应的日志报告。报告中详细记载了错误的性质和相应的程序段，通过路径重放还能再现错误发生的过程，而且能立即在路径重放窗口中对相应的程序段进行修改。如图6b为原错误程序段修改后的路径重放。
三、结束语
利用VERICUT仿真校验NC程序可以在计算机上模拟整个NC机床的切削环境，而不必在实际的机床上运行。它降低甚至消除了在机床上验证输出的必要性。利用该技术不仅节省了编程和调试的时间，还减少了重复性的工作、消除了损坏零件及损坏机床的可能性。
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