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快走丝线切割虚拟机床的开发

本文运用Pro/ENGINEER建立了线切割机床的关键零部件模型，输入VERICUT后构建出机床的三维结构模型。通过对现有指令系统的修改建立了与线切割机床相匹配的控制系统。定制了便于操作的虚拟线切割机床界面，设定了一些常用的快捷按钮。用该虚拟线切割机床可以仿真线切割加工，包括动态显示切割过程和检测加工面的质量等。该虚拟线切割机床可应用于线切割编程、调试和教学培训。
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。
VERICUT是美国CGTech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CAD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VERICUT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VERICUT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TP-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Pro/ENGINEER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
VERICUT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chr200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(MachineZero)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VERICUT的缺省界面较复杂，操作不够直观。利用VERICUT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CustomInterface功能即可对界面进行