基于VERICUT子程序的VB-825機(jī)床虛擬仿真研究

趙　華，許　超

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 產(chǎn)學(xué)研中心，天津 300131)

基于VERICUT子程序的VB-825機(jī)床虛擬仿真研究

趙華，許超

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 產(chǎn)學(xué)研中心，天津 300131)

摘要：針對(duì)臺(tái)灣友嘉機(jī)床VB-825，選擇SolidWorks作為三維建模軟件，選擇VERICUT 7.3作為虛擬加工仿真平臺(tái)，進(jìn)行虛擬制造環(huán)境的構(gòu)建及仿真。探討了機(jī)床硬件和控制系統(tǒng)構(gòu)建的一般方法和技巧，并以圓盤式刀庫為例，重點(diǎn)研究了通過編寫宏命令子程序來自定義高級(jí)控制系統(tǒng)文件，完成復(fù)雜動(dòng)作的仿真。該虛擬加工環(huán)境能夠逼真反映實(shí)際教學(xué)設(shè)備，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了計(jì)算機(jī)虛擬制造環(huán)境，大大提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率。

關(guān)鍵詞：VERICUT；虛擬制造技術(shù)；宏命令；子程序

虛擬加工技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)以可視化、逼真的形式來直觀表示零件數(shù)控加工過程的技術(shù)手段。目前，對(duì)虛擬加工技術(shù)的研究可以分成兩大方面：其一是著重對(duì)虛擬加工硬件環(huán)境的研究，追求逼真的視覺效果；其二是著重對(duì)加工過程的研究，包括幾何驗(yàn)證和物理驗(yàn)證2個(gè)方面[1]。隨著技術(shù)的不斷改善，虛擬加工技術(shù)在加工制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，在企業(yè)培訓(xùn)和學(xué)校教學(xué)中的應(yīng)用也日益增多。VERICUT是一款專業(yè)的虛擬加工仿真平臺(tái)軟件，不僅可以構(gòu)建逼真的加工硬件，而且在幾何驗(yàn)證方面也有卓越的表現(xiàn)。本文以天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心購置的臺(tái)灣友嘉立式加工中心VB-825為例，介紹基于VERICUT 7.3的虛擬加工硬件構(gòu)建，及通過宏命令子程序完成高級(jí)控制文件定制的關(guān)鍵技術(shù)。

1機(jī)床分析

友嘉精密機(jī)械有限公司的VB系列重切削立式加工中心VB-825是一款高度自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床采用FANUC 0i MD系統(tǒng)，可以進(jìn)行鉆、銑、鏜和攻螺紋等加工。VB-825機(jī)床主體由底座、立柱、Y軸導(dǎo)軌、X軸導(dǎo)軌、工作臺(tái)、主軸箱、Z軸導(dǎo)軌和刀庫組成。VB-825機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表1。

表1　臺(tái)灣友嘉VB-825機(jī)床主要參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)床主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模(見圖1)，注意機(jī)床坐標(biāo)系應(yīng)和繪圖區(qū)左下角的坐標(biāo)系方向一致，以便導(dǎo)入VERICUT后，調(diào)整坐標(biāo)系獲得正確的運(yùn)動(dòng)方向。其中，主軸箱帶動(dòng)主軸沿Z軸導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，X軸導(dǎo)軌及其上的工作臺(tái)沿Y軸導(dǎo)軌前后運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)沿X軸導(dǎo)軌左右運(yùn)動(dòng)。

圖1　VB-825機(jī)床簡(jiǎn)化三維SolidWorks模型

VB-825機(jī)床采用的圓盤式刀庫(刀臂式)是一種常見的刀庫形式，虛擬仿真需要的主要參數(shù)見表2。圓盤式刀庫的換刀過程分兩步：1)調(diào)用T**指令，搜索刀庫中的刀具，在加工過程就可以完成刀具的預(yù)選動(dòng)作；2)使用M06指令完成刀具的交換動(dòng)作。具體的換刀動(dòng)作可以分解為如下步驟：刀庫刀盤旋轉(zhuǎn)完成刀具預(yù)選動(dòng)作→主軸準(zhǔn)定并到達(dá)換刀點(diǎn)→刀座向下旋轉(zhuǎn)90°完成倒刀動(dòng)作→刀臂旋轉(zhuǎn)65°完成扣刀動(dòng)作→機(jī)械手垂直向下運(yùn)動(dòng)完成拔刀動(dòng)作→刀臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°完成刀具交換動(dòng)作→機(jī)械手垂直向上運(yùn)動(dòng)完成裝刀動(dòng)作→刀臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至360°完成回歸定位動(dòng)作→刀套向上旋轉(zhuǎn)90°完成回歸定位動(dòng)作，至此整個(gè)換刀過程完畢[2-3]。

表2　VB-825圓盤式刀庫主要參數(shù)

2機(jī)床硬件構(gòu)建

VERICUT軟件中，每一個(gè)仿真項(xiàng)目都有2個(gè)最基本的文件，一個(gè)是mch格式的機(jī)床文件，一個(gè)是ctl格式的系統(tǒng)文件。VERICUT軟件自帶的庫中提供了大量的機(jī)床和系統(tǒng)文件樣本供用戶選配，但不能覆蓋所有的機(jī)床及型號(hào)，難以實(shí)現(xiàn)某些特定機(jī)床或者復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確仿真；因此，要想實(shí)現(xiàn)VB-825機(jī)床的精確仿真，應(yīng)根據(jù)該機(jī)床的參數(shù)及功能自定義機(jī)床和系統(tǒng)。

圖2　VB-825虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)Component類型

VERICUT軟件自帶的建模功能有限，因此，可以選擇在其他三維軟件進(jìn)行建模然后再導(dǎo)入的方式。VERICUT軟件支持導(dǎo)入的三維格式有IGES、STL等，本文選用SolidWorks作為建模軟件[4]，選用STL作為導(dǎo)出文件格式。為了提高構(gòu)建機(jī)床的效率，可以采用如下技巧：SolidWorks機(jī)床裝配體通過另存為STL格式，一次性輸出所有的STL格式的三維零件模型，然后把所有STL格式的模型通過“Project Tree”→“Setup”→“CNC Machine”→“Machine”→“Base”→“Add Model”一次性地全部導(dǎo)入VERICUT軟件。根據(jù)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在“Base”下添加運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，然后把對(duì)應(yīng)的STL模型通過拖拽的方法添加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的Model，得到各節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系及Component類型(見圖2)。其中，VERICUT規(guī)定Tool_Chain中必須包含的格式為swp的零件，該格式是軟件自帶的建模功能中的一種掃描格式。在構(gòu)建機(jī)床的過程中，各關(guān)鍵零部件的位置及坐標(biāo)系的設(shè)置比較繁瑣，而且很容易出錯(cuò)，巧妙地使用坐標(biāo)系可以大大提高效率：一是在關(guān)鍵點(diǎn)建立坐標(biāo)系，通過激活不同的坐標(biāo)系來改變模型的參考系；二是在“Configure Model”→“Csys”中，使用“From”/“Move”/“to”把模型從一個(gè)坐標(biāo)系移動(dòng)到另一個(gè)坐標(biāo)系來改變模型的位置。

3控制系統(tǒng)構(gòu)建

VERICUT軟件的仿真控制系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，可以自定義G指令、M指令及其他非標(biāo)準(zhǔn)功能。VERICUT軟件庫提供了多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)廠商的控制文件，其中包含大部分FANUC控制系統(tǒng)版本，可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化的基本數(shù)控指令，但是一些特殊指令及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制功能，還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自定義。針對(duì)VB-825機(jī)床，以圓盤式刀庫換刀運(yùn)動(dòng)控制功能為例，以FANUC 0M為模板，通過編寫宏命令子程序來實(shí)現(xiàn)特殊控制功能定制。在txt格式中編寫宏程序，保存后，后綴名改為sub格式，其主體關(guān)鍵部分及注釋如下所示。通過“Configuration”→“Machine Settings”→“Subroutines”→“Add”添加該sub子程序到控制系統(tǒng)。在“Configuration”→“G-Code Processing”→“M_Misc”→“M6”添加宏命令“ToolChangeMachineSubroutine”，以在執(zhí)行M6時(shí)調(diào)用名為“toolchange”的子程序。

CGTECH_MACRO "SubroutineSequence" "toolchange"(子程序名稱為toolchange)

IF [#4120 EQ#1000] GOTO 99(變量4120：指令T后的數(shù)字；變量1000：主軸上刀具的刀具號(hào))

T#4120

CGTECH_MACRO "ProcessTimeOnOff" "" 0

CGTECH_MACRO "ModeAbsolute"

CGTECH_MACRO "SaveUnits"

CGTECH_MACRO "UnitsMetric"

CGTECH_MACRO "MotionRapid"

CGTECH_MACRO "ToolChainToCompName" "Tool_Preselect"

CGTECH_MACRO "ZAxisMachineMotion" " " 0(主軸沿Z軸移動(dòng)到達(dá)換刀點(diǎn))

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Pocket_Drop" -90(刀座向下旋轉(zhuǎn)90°完成倒刀動(dòng)作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Changer_Arm" 65(刀臂旋轉(zhuǎn)65°完成扣刀動(dòng)作)

CGTECH_MACRO "MountTool" "Tool_Select" #4120

CGTECH_MACRO "UnMountTool" "Tool_Preselect"

CGTECH_MACRO "UnloadToolToCompName" "Tool_Return"

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Tool_Changer" -117(機(jī)械手垂直向下移動(dòng)-117完成拔刀動(dòng)作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Changer_Arm" 245(刀臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°完成刀具交換動(dòng)作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Tool_Changer" 0(機(jī)械手垂直向上運(yùn)動(dòng)完成裝刀動(dòng)作)

CGTECH_MACRO "UnMountTool" "Tool_Select"

CGTECH_MACRO "ToolChange"

CGTECH_MACRO "MountTool" "Tool_Preselect" #1000

CGTECH_MACRO "UnMountTool" "Tool_Return"

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Changer_Arm" 360(刀臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至360°完成回歸定位動(dòng)作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" " Pocket_Drop " 0(刀套向上旋轉(zhuǎn)90°完成回歸定位動(dòng)作)

CGTECH_MACRO "ToolChainFromCompName" "Tool_Preselect"

CGTECH_MACRO "ProcessTimeOnOff" "" 1

CGTECH_MACRO "RestoreUnits"

N99

CGTECH_MACRO "EndSub"

4結(jié)語

本文針對(duì)實(shí)訓(xùn)車間購置的臺(tái)灣友嘉機(jī)床VB-825，探討了VERICUT軟件構(gòu)建虛擬制造環(huán)境的一般方法和一些技巧，重點(diǎn)研究了通過編寫宏命令子程序配置高級(jí)控制系統(tǒng)來完成復(fù)雜動(dòng)作仿真的方法，通過1個(gè)簡(jiǎn)單加工實(shí)例(見圖3)的仿真，驗(yàn)證了VERICUT軟件虛擬機(jī)床VB-825的正確性。通過利用先進(jìn)的虛擬制造技術(shù)構(gòu)建虛擬機(jī)床進(jìn)行數(shù)控仿真加工，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，不僅可以豐富教學(xué)手段，大大提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率，還可以改善因設(shè)備昂貴、資金短缺而造成的學(xué)生多設(shè)備少的情況。

圖3　VERICUT虛擬VB-825機(jī)床及驗(yàn)證實(shí)例

參考文獻(xiàn)

[1] 黃新燕，李小寧.虛擬加工技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓，2003(3)：119-144.

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[4] 王建軍，吳海濤，劉泓濱.基于SolidWorks平臺(tái)的切片機(jī)三維建模設(shè)計(jì)[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(5)：13-15.

責(zé)任編輯彭光宇

Study on the Virtual Simulation of VB-825 based on VERICUT Subroutines

ZHAO Hua，XU Chao

(Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity, Tianjin 300131, China)

Abstract：A Taiwan machine of VB-825 is choosed as the tool of virtual simulation platform with VERICUT 7.3. It is built and simulated using a 3D modeling software called SolidWorks. Some general methods and techniques for constructing hardware and building control system are discussed. Focuse on customizing advanced control system by writing macro subroutine, in order to complete the simulation of complex movement by simulating the turntable style tool magazine as an example. The virtual machining environment can realistically reflect the actual machine tool, providing a virtual manufacturing environment in computers for school, which greatly improves the efficiency of practical teaching.

Key words:VERICUT，virtual manufacturing technology，macro，subroutine

收稿日期：2015-01-29

作者簡(jiǎn)介：趙華(1984-)，女，講師，碩士，主要從事數(shù)控技術(shù)和CAD/CAM等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 543

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B