宋福田，王忠平，王泰吉

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

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基于VERICUT的雙主軸龍門加工中心數(shù)控加工仿真技術(shù)應(yīng)用

宋福田，王忠平，王泰吉

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

摘要：數(shù)控仿真是數(shù)控加工在虛擬環(huán)境中的映射，它為產(chǎn)品的可制造性分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過基于VERICUT軟件的虛擬制造軟件平臺，可以仿真零件數(shù)控加工的完整制造過程，包括驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性，減少零件首件調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)以及模擬數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動，檢查潛在的碰撞錯誤，降低碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。雙主軸龍門加工中心的虛擬制造軟件平臺的創(chuàng)建是通過分析機(jī)床結(jié)構(gòu)和特殊指令，并結(jié)合VERICUT軟件進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)樹的構(gòu)建、數(shù)控系統(tǒng)的配置、刀具的創(chuàng)建和加工零點(diǎn)的設(shè)置等主要切削仿真環(huán)境構(gòu)建內(nèi)容。重點(diǎn)研究了機(jī)床上同步和鏡像加工特殊指令的配置及開發(fā)，以及刀具創(chuàng)建、特殊加工坐標(biāo)系原點(diǎn)的創(chuàng)建，總結(jié)了雙主軸龍門加工中心這類機(jī)床在VERICUT軟件中構(gòu)建仿真環(huán)境的方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工仿真；數(shù)控系統(tǒng)；雙主軸同步加工；雙主軸鏡像加工

利用數(shù)控仿真技術(shù)建立虛擬機(jī)床的應(yīng)用給現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展帶來了一次機(jī)遇。由于虛擬機(jī)床是檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、過程設(shè)計(jì)和數(shù)控程序是否正確的重要手段，通過該系統(tǒng)，可以減少產(chǎn)品的廢品率，大大縮短開發(fā)周期，消除或減少新產(chǎn)品開發(fā)以及新設(shè)備、新系統(tǒng)應(yīng)用的試切過程，降低產(chǎn)品成本，減少資源利用，用經(jīng)濟(jì)快捷的方式獲得資源利用的最大化。由于虛擬機(jī)床是數(shù)字模型，可以很方便地進(jìn)行顯示、分析和交流，實(shí)現(xiàn)新設(shè)備、新系統(tǒng)的重新組裝。虛擬機(jī)床數(shù)字模型最大的好處在于不利用實(shí)際的資源和人員，因此，建立數(shù)控機(jī)床的數(shù)學(xué)仿真模型，進(jìn)行驗(yàn)證、仿真加工，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

本文將討論應(yīng)用VERICUT軟件對雙銑頭龍門加工中心進(jìn)行機(jī)床的構(gòu)建和控制系統(tǒng)特殊指令的配置。

1研究對象

1.1虛擬仿真平臺軟件

VERICUT軟件就是數(shù)控加工仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該軟件是美國CGTech公司開發(fā)的一款專業(yè)的數(shù)控加工仿真軟件，是當(dāng)前全球數(shù)控加工程序驗(yàn)證、機(jī)床模擬和工藝程序優(yōu)化軟件領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。自1988年開始推向市場以來，始終與世界先進(jìn)的制造技術(shù)保持同步，采用了先進(jìn)的三維顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以驗(yàn)證和檢測可能存在的碰撞、干涉、過切、欠切和切削參數(shù)不合理等問題，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、電子、汽車、機(jī)車、模具、動力及重工業(yè)的車削、銑削(三軸及多軸加工)、車銑復(fù)合、線切割和電加工等實(shí)際生產(chǎn)中。

1.2雙銑頭龍門加工中心

雙銑頭龍門加工中心是南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司生產(chǎn)車體長大型材的主要設(shè)備，具有如下機(jī)床結(jié)構(gòu)及特性：1)機(jī)床結(jié)構(gòu)龍門式，橫梁上裝有雙銑頭，線性軸為X/Y/Z/V/W；2)雙銑頭可進(jìn)行對稱、同步和獨(dú)立運(yùn)動；3)三軸聯(lián)動加工；4)主軸最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，工作臺尺寸為27 000 mm×2 000 mm；5)控制系統(tǒng)為FANUC 16i。

2創(chuàng)建虛擬機(jī)床

2.1機(jī)床分析

在建立虛擬機(jī)床模型時，首先應(yīng)構(gòu)建機(jī)床組件樹，該組件樹和機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)相關(guān)，所以首先應(yīng)分析實(shí)際機(jī)床各個組件之間的運(yùn)動關(guān)系。

在分析機(jī)床各組件運(yùn)動關(guān)系時，關(guān)鍵是要抓住2條主要的運(yùn)動鏈：1)機(jī)床床身—刀具的傳動鏈；2)機(jī)床床身—毛坯的傳動鏈。這2條傳動鏈構(gòu)成了數(shù)控機(jī)床的基本模型。

雙銑頭龍門加工中心運(yùn)動由5個線性軸構(gòu)成，分別是X/Y/Z/V/W，其中工作臺固定不動，橫梁為X軸，Y/V軸掛在橫梁之上，Z/W軸分別附著在Y/V軸上，即X軸將作為公用軸，Y/V軸和Z/W軸獨(dú)立控制，其位置跟隨X軸的變化而變化，經(jīng)過上述分析可知刀具側(cè)和毛坯側(cè)的運(yùn)動鏈關(guān)系(見表1)。

表1　傳動鏈關(guān)系表

2.2構(gòu)建機(jī)床

根據(jù)傳動鏈，依次在工件側(cè)和刀具側(cè)按照傳動鏈的關(guān)系添加機(jī)床組件和機(jī)床模型，創(chuàng)建的機(jī)床組件樹和三維機(jī)床顯示分別如圖1和圖2所示。機(jī)床結(jié)構(gòu)的特殊性是在雙主軸龍門機(jī)床的Z/W軸下各附著一個主軸和刀具組件，通過分別對這2個主軸進(jìn)行驅(qū)動控制，即可進(jìn)行雙主軸的加工。

圖1　機(jī)床組件樹

圖2　三維機(jī)床

3控制系統(tǒng)特殊指令

為了在一臺機(jī)床上同時加工動車關(guān)鍵零件的左、右對稱件，需要機(jī)床能實(shí)現(xiàn)鏡像加工，該雙銑頭龍門加工中心通過添加用于同步和鏡像加工的專用M代碼指令實(shí)現(xiàn)雙主軸的同步和鏡像加工，其中鏡像加工指令M54，同步加工指令M56，通過M54、M56指令使在同一個NC程序中按照同步或鏡像的規(guī)則支持Y/Z和V/W軸同時運(yùn)動，可以通過一個簡單的矩形輪廓軌跡來模擬數(shù)學(xué)模型(見圖3)。

圖3　模擬加工的數(shù)學(xué)模型

在VERICUT軟件的標(biāo)準(zhǔn)控制器文件中不支持這樣的特殊指令，應(yīng)對這些指令進(jìn)行配置開發(fā)。

VERICUT軟件的宏指令“SetAxisCompLink”提供了關(guān)聯(lián)多個軸運(yùn)動的處理指令，可以使多個軸之間按照數(shù)學(xué)規(guī)則進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)動。首先，應(yīng)通過宏指令“CompToCompOffset”和“AutosetTableAxisArrayVars”，提取毛坯組件之間的偏差值及工作偏置值，并計(jì)算對稱中心線的位置；再根據(jù)中心線的位置，使用宏指令“LinkFormula”定義數(shù)學(xué)規(guī)則。其中：1)鏡像加工規(guī)則通過宏指令CGTECH_MACRO “LinkFormula” “[-1*($-#9001/2)]”實(shí)現(xiàn)；2)同步加工規(guī)則通過宏指令CGTECH_MACRO “LinkFormula” “[1*$+#y_stock/2]”實(shí)現(xiàn)。

設(shè)置了數(shù)學(xué)規(guī)則后，使用宏“SetAxisCompLink”，可以使Y/V軸和Z/W軸按照設(shè)定的數(shù)學(xué)規(guī)則來進(jìn)行鏡像和同步運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)特殊指令的仿真。具體代碼見表2。

表2　鏡像和同步加工的機(jī)床配置及部分代碼

通過上述宏的配置開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)通過M54/M56指令進(jìn)行機(jī)床零件的同步或鏡像加工仿真。

4創(chuàng)建刀具庫

利用VERICUT軟件，可以創(chuàng)建各類真實(shí)的加工刀具，例如標(biāo)準(zhǔn)銑刀、鉆頭、測量探頭和仿形刀具等。刀具中可以含帶刀具切削部分、刀柄、刀片及其他部分。使用和車間現(xiàn)場一致的刀具，將保證仿真時的切削和實(shí)際切削時一樣，從而保證仿真時校驗(yàn)的精確度。

4.1創(chuàng)建刀具方式

1)在刀具管理器中，在左側(cè)ID欄中空白處，右鍵點(diǎn)擊添加刀具。

2)在VERICUT軟件刀具庫窗口菜單“Add”(添加)中，“Mill Tool Winzard”(銑刀向?qū)?可以幫助用戶建立包括刀刃、刀桿和刀柄的完整銑刀。

4.2創(chuàng)建刀具步驟

1)刀具(Cutter)的創(chuàng)建(見圖4)。應(yīng)定義刀具切削刃和非切削刃部分(刀桿)，這樣當(dāng)切削深度超過刃長，VERICUT軟件就會有相應(yīng)的錯誤提示。

圖4　刀具創(chuàng)建

2)刀柄(Holder)的創(chuàng)建(見圖5)。在VERICUT軟件的刀具庫中，按具體尺寸，建立機(jī)床所使用的各種規(guī)格的刀柄。復(fù)雜的刀柄也可以在一般的三維軟件中構(gòu)建，再通過STL、WRL或PLY格式文件導(dǎo)入VERICUT軟件中。

圖5　刀柄創(chuàng)建

3)在刀具庫中定義角度頭等特殊刀具，如直角銑頭、特殊片鋸等(見圖6)。這時，“Do Not Spin With Spindle”(不要跟主軸旋轉(zhuǎn))用來控制角度頭模型是否和主軸一起旋轉(zhuǎn)。

圖6　特殊刀具創(chuàng)建

4)裝夾點(diǎn)設(shè)定(見圖7)。根據(jù)實(shí)際工藝需求，設(shè)定裝夾點(diǎn)。

圖7　裝夾點(diǎn)設(shè)置

5)刀具命名(見圖8)。根據(jù)程序中刀具刀號或者刀具名稱，重新給刀具命名，一定要和程序中相應(yīng)刀具刀號或者刀具名稱匹配。

圖8　刀具命名　　　　圖9　夾具毛坯模型設(shè)置

5加載設(shè)計(jì)模型和毛坯模型

該機(jī)床可以一次裝夾同步或鏡像加工2個工件，因此，需要加載2個毛坯模型。在VERICUT中設(shè)置了2個裝夾位置，并設(shè)定了2個裝夾位置的關(guān)系(見圖9)。

6創(chuàng)建工作偏置(加工坐標(biāo)系零點(diǎn))

NC代碼采用G54.P1指令執(zhí)行加工坐標(biāo)系的選擇，因此，在VERICUT軟件中應(yīng)創(chuàng)建該坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系除了應(yīng)考慮X、Y和Z軸的原點(diǎn)外，還應(yīng)設(shè)定V、W軸的原點(diǎn)(見圖10)。通過定義額外的偏置來確定V、W軸的原點(diǎn)位置(見圖11)。

圖10　程序零點(diǎn)設(shè)置

圖11　V/W軸零點(diǎn)位置

7仿真驗(yàn)證

圖12　漏加工區(qū)域　　　　　圖13　刀具干涉

8結(jié)語

在進(jìn)行機(jī)床仿真時，經(jīng)常會遇到機(jī)床廠商為實(shí)現(xiàn)特殊功能而編寫的數(shù)控指令，VERICUT軟件的標(biāo)準(zhǔn)控制器文件一般不能識別這些指令，需要進(jìn)行重新配置或開發(fā)才能夠支持。本文通過編寫VERICUT軟件的宏語言進(jìn)行鏡像/同步加工指令的配置，提供了機(jī)床仿真支持特殊指令的方法，使得仿真可以和真實(shí)加工場景一致。

在數(shù)控加工中，NC程序的編制相當(dāng)復(fù)雜，不論是采用CAD/CAM技術(shù)由計(jì)算機(jī)自動生成NC程序，還是手工編寫NC程序，都應(yīng)確保程序的正確性和高效性。在程序編制過程中應(yīng)用VERICUT軟件對其進(jìn)行驗(yàn)證、分析和優(yōu)化，可有效地保證刀具路徑精度、零件質(zhì)量，避免機(jī)床碰撞。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐秀梅，牛昌安，楊勝群. Vericut數(shù)控加工仿真技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

責(zé)任編輯鄭練

The Dual Spindles Gantry CNC Machining Simulation Technology based on VERICUT

SONG Futian, WANG Zhongping, WANG Taiji

(CSR Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111, China)

Abstract：CNC machining simulation is mapped in a virtual environment that provides crucial data for product manufacture analysis. VERICUT simulation solution can simulate the whole manufacturing process, including the NC program verification which can reduce the actual risk of the first part testing cut, and collision check for potential errors. A dual spindle gantry CNC machine center building, based on analyzing the machine structure and special commands, is combined with VERICUT machine component tree creation, control system configuration, tooling creation and work offset setting. The keys of this research are configurations and development of this machine special synchronization commands and mirroring machining function, tooling and special work offsets setting. Summarize the dual spindles gantry CNC machine center simulation configurations in VERICUT simulation solution.

Key words:CNC machining simulation, CNC control system, dual spindles synchronization machining, dual spindles mirroring machining

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：宋福田(1980-)，男，工程師，主要從事軌道車輛鋁合金零部件的制造和加工工藝等方面的研究。

中圖分類號：TG 659

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B