快走丝线切割虚拟机床的开发

　　一、引言

　　虚拟机床可以在计算机上对数控加工过程进行模拟仿真，具有直 观、安全、费用低的优点，越来越受到人们的重视。随着计算机技术的发 展，对于铣床和车床的虚拟机床已经 日益完善，但是对于电火花线切割虚 拟机床的研究现在才处于起步阶段。 快走丝线切割数控机床在我国应用十分广泛，它具有经济实惠、简单快捷 等优点。机床自带的编程系统，虽然 可以动态地显示加工轨迹，但是不够 直观，尤其是对带有锥度或者上下异 形的零件，机床界面无法直观地显示零件的形状，走丝路径是否正确也无 法验证。建立快走丝线切割的虚拟机 床，可以很好地解决这些问题。

　　V E R I C U T是美国C G T e c h公司开发 的，面向制造业的数控加工仿真软 件，应用十分广泛，许多主流的C A D软 件将其作为一个基层模块收入其中。该软件不仅拥有丰富的机床库，并且 是一个开放的数控仿真平台，用户可 以根据自己的需求对软件进行二次开 发，构建出用户需要的虚拟机床。

　　本文以V E R I C U T为平台，建立快走 丝线切割的虚拟机床，并对上下异形零 件进行模拟仿真，动态地反映了加工过 程，能够很好地发现程序中的问题。

　　二、基于VERICUT的虚拟机床构建方法

　　在VERICUT中，要实现对线切割加工程序的仿真，首先建立仿真环境， 其构建的一般过程如下。

　　1.机床结构分析

　　确定机床的结构特点，线切割 机床一般由导轨、立柱、床身、运动 轴、工作台和导丝系统等部件组成。 对于部件尺寸进行测量，确定各运动轴的行程、机床坐标系统及用到的毛 坯夹具等。

　　2.几何建模

　　运用三维CAD软件建立机床重要部 件的实体几何模型。在V E R I C U T中根据 机床的结构以组件为单位建立机床运动模型即组件树，并添加各部件的几 何模型。

　　3.建立机床的控制系统

　　定制出符合该机床的数控编程指 令系统。首先调用现有的控制系统，再根据该机床的控制系统功能和指令 格式，对G代码、M代码、寄存器地址 和状态指令等进行修改设置。

　　4.机床的运动学建模

　　根据机床的几何模型和运动特 征，定义机床的坐标系统，设置机床 运动部件的行程等。

　　三、构建快走丝电火花线切割虚拟机床

　　1.机床描述

　　本次开发的虚拟机床仿真对象为 大量公司的T P-40，该机床是新加坡大 量公司生产的四轴快走丝线切割机。 加工精度比较高，在我国应用广泛。 加工最大厚度为350mm，各运动轴的行 程如表1所示。

表1 各坐标轴的行程

　　2.机床的几何建模过程

　　(1)建立部件的3D模型

　　运用P r o/E N G I N E E R野火版4.0建 模，绘制床身、X轴、Y轴、U/V轴、导 丝系统和工作台等的实体几何模型。

　　(2)建立组件树 根据该机床的结构特点，构建机床的组件树，构建好的组件树如图1所示。

　　(3)添加机床的几何模型 添加组件树上的几何模型，并对其颜色、位置等进行调整，得到我们 需要的机床模型，如图2所示。

图1 组件

图2 机床的几何模型

　　3.机床指令系统的定制

　　V E R I C U T中没有跟这台机床完全 对应的数控系统，所以先调用相近的c h r200控制系统。再通过对其修改得 到该机床的控制系统。

　　数控指令系统是由字组成的。在“Word/Address”中完成对各条指令的 修改和添加，完成对字功能的定义， 需要修改或添加的主要字功能定义如 表2所示。

　　4.机床基本参数的设置

　　根据真实线切割机床的实际情 况，需要对坐标原点、各运动轴的行 程等基本参数进行设置。

　　(1)机床组件的碰撞设置

　　仿真过程中为了发现机床和零 件以及夹具的碰撞，必须首先进行碰 撞设定，该机床设定四个碰撞检测， 如果仿真过程中以下部件发生碰撞， 则以红色显示。设置完成后，如图3 所示。

表2 需要添加和修改的主要字功能定义

图3 碰撞设置

　　(2)坐标系的设置 该虚拟机床的建模原点与机床原点(Machine Zero)重合，即为(0，0，0)。相对于机床原点，机床的初 始点设定在(0，0，20)处。

　　(3)行程极限

　　对各运动轴的行程进行设定， 当程序中出现超行程时，红色高亮显示，并且在日志文件里记录，这样可 以轻松发现程序中的错误。设置结果，如图4所示。

图4 行程设定

　　5.虚拟机床界面的定制

　　通过以上的定制，该虚拟机床已 经能够仿真数控加工过程了，从功能 上已满足我们的要求。但V E R I C U T的缺 省界面较复杂，操作不够直观。利用 V E R I C U T的界面定制功能可以定制出针 对线切割机床的简化界面，使操作更 方便。

　　利用VERICUT的Custom Interface 功能即可对界面进行设定。图5所示界 面是经过定制后针对本机床的界面。界面简洁、直观，操作方便。该界面 有两部分组成：记事本式窗口和主窗 口。记事本式窗口的上半部分给出了 虚拟机床的操作说明，下半部分布置 了需要的命令按钮和参数输入框。主窗口用于显示虚拟机床的工作情况。 在此主窗口中再划分出四个视图，用 于展现机床的整体和局部。在主窗口 的上方还有用于视图操作的工具栏。 应该说经过定制后的虚拟机床界面， 操作更简单、观测更明了。

　　6.虚拟机床的运行

　　运行V E R I C U T后系统打开一台默认 的机床，每一次仿真都要重新打开自己 定制的机床，用起来比较麻烦。通过 对该软件批处理指令的修改，可以达到 运行软件直接进入自己设定的机床的目 的。下面是修改的批处理文件。

图5 定制的界面

图6 零件图

图7 仿真结果

　　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、仿真实例

　　对于上下异形的零件，机床自带的控制界面无法直观地显示零件形状 和加工路径等。但是通过虚拟机床来仿真切割过程则相当直观，有利于对 程序的检验。

　　实例中加工的零件为上、下异形 体，上圆下方，上表面为直径为20m m 的圆，下表面为10×10m m的正方形， 零件厚度30mm。零件如图6所示。

　　仿真结果如图7所示。用该虚拟机床进行仿真加工不仅具有安全性、经济性和直观性，而且具有反馈的及 时性。也就是说，对数控机床参数的 调整或数控程序的修改，马上可以通过仿真加工来得到体现，给操作者及 时的反馈。通过对仿真结果的分析， 还可以检测出机床与工件夹具的碰 撞，避免机床的损坏;通过比较仿真结果与设计零件的差别，找到程序中的问题。

　　五、结论

　　利用数控仿真加工平台V E R I C U T构建了能够仿真T P-40快走丝线切割 的虚拟机床，具有操作简单、观测明 了的特点。并对该机床的控制系统进 行修改，定制出了与机床对应的指令 系统。通过对机床界面与快捷键的设 置，使操作界面简单方便。

　　通过对于上下异形零件的模拟仿 真，能够直观地看到加工过程，实现 对加工效果的预测。该虚拟机床具有 安全、经济和可分析性强的特点。可 以有效地提高程序质量和编程效率。