雙主軸加工中心的模擬仿真

薛飛 黃忠 王冬 王其龍 王鳴 王康輝 黃迪

摘要：通過Vericut軟件對GROB雙主軸加工中心的加工過程進(jìn)行模擬，節(jié)省停機(jī)調(diào)試時間，檢驗程序加工過程中刀具主軸和夾具的干涉情況，降低撞機(jī)風(fēng)險，還能作為對機(jī)床操作者編程能力培訓(xùn)的一種輔助手段。

關(guān)鍵詞：Vericut；雙主軸加工中心；模擬仿真

上海大眾汽車有限公司目前整條發(fā)動機(jī)機(jī)加工生產(chǎn)線都是由GROB公司負(fù)責(zé)的交鑰匙工程，這樣縮短了發(fā)動機(jī)的投產(chǎn)周期。交鑰匙之后的工藝存在些許小問題需要用戶方人員進(jìn)行程序優(yōu)化，還可以對后續(xù)的發(fā)動機(jī)型號自主編程。而對程序的模擬是檢驗和學(xué)習(xí)編程的重要方式之一，對加工程序的仿真有著重要的意義。

仿真環(huán)境的構(gòu)建過程

目前市場上的數(shù)控仿真軟件種類較多，考慮到GROB程序中大量使用用戶變量，雙主軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)只有Vericut較為合適。Vericut仿真環(huán)境構(gòu)建主要包括機(jī)床/夾具結(jié)構(gòu)配置、毛坯夾具配置、刀具配置、控制系統(tǒng)配置及設(shè)定坐標(biāo)系和碰撞干涉/行程極限。

生產(chǎn)線的GROB機(jī)床主要分為缸蓋線的G325和缸體的G520。這兩種機(jī)床是同一系列的機(jī)床，結(jié)構(gòu)布局完全一樣，只是規(guī)格尺寸有所區(qū)別，而每一道工序僅是夾具不同。本文以缸蓋三線的AF50工序為例進(jìn)行說明。

1.機(jī)床/夾具結(jié)構(gòu)配置

Vericut除了自帶的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床模型，還可以通過導(dǎo)入其他建模軟件繪制的機(jī)床模型實現(xiàn)機(jī)床構(gòu)建，這樣可以使得模擬刀具與機(jī)床、夾具干涉更為準(zhǔn)確。在建模和導(dǎo)出的過程中要注意各個運動部件的依附關(guān)系，尤其在導(dǎo)入Vericut后，如果要移動某一機(jī)床部件，要注意區(qū)分模型和組件的概念，模型是依附在組件上的。

采用NX10.0軟件對機(jī)床建模，如圖1所示。由于GROB公司并沒有提供詳細(xì)的機(jī)床圖樣，在建模過程要充分利用好機(jī)床維修說明書上的示意圖和主要裝配尺寸（見圖2），例如機(jī)床兩根主軸之間的距離、機(jī)床的運動極限尺寸、夾具的回轉(zhuǎn)半徑及主軸的換刀位置等。然后，結(jié)合對機(jī)床加工區(qū)域的測繪完成夾具的建模（見圖3）。測繪建模過程越精密，碰撞干涉仿真的結(jié)果也越真實。在NX10.0軟件中完成機(jī)床三維建模之后使用 “編輯—移動”命令，將Z1、Z2軸移動到主軸端面和回轉(zhuǎn)中心線重合的位置，然后導(dǎo)出各個運動部件的STL格式。導(dǎo)入后在Z1、Z2軸組件下的模型向Z正方向移動825mm，使機(jī)床的機(jī)械原點和回轉(zhuǎn)中心線一致。

2.刀具配置

由于汽車發(fā)動機(jī)是大批量生產(chǎn)，為提高生產(chǎn)效率，需要大量采用成形刀具和復(fù)合刀具。Vericut不但有自帶的功能新建面銑刀、立銑刀、牛鼻刀和麻花鉆這些結(jié)構(gòu)簡單的刀具，還可以導(dǎo)入其他建模軟件繪制的成形刀具。先在NX10.0中根據(jù)刀具調(diào)整圖（見圖4）完成刀具的建模，并導(dǎo)出成STL格式，再到VERICUT項目樹中打開“刀具管理器”，單擊鼠標(biāo)右鍵“添加刀具—新—銑削”，彈出“刀具ID”對話框，選擇“模型文件—STL格式的刀具”，然后保存就能完成刀具的導(dǎo)入（見圖5）。

這里有兩點需要注意：首先是對刀點（在對刀儀上測量刀具長度的測量點），在NX10建模過程中基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點必須與對刀點在Z方向上同一截面；其次是裝夾點（刀柄裝入主軸錐孔以后與主軸端面重合的點），裝夾點中Z向的數(shù)值就是對刀點和裝夾點之間的距離，也是輸入機(jī)床的刀具幾何長度。

3.控制系統(tǒng)配置

GROB加工中心使用的是西門子840Dsl控制系統(tǒng)。程序完全由德國供應(yīng)商編制，其中有大量的變量、子程序和GROB機(jī)床特有的一些輔助功能命令。這些程序需要通過在”配置—文字格式”中定義解釋給Vericut軟件，才能在運行程序的時候進(jìn)行識別模擬出正確的加工軌跡。以下做一些簡要的舉例說明。

N490 T_1051：

N495 TIME_WRITE? ? ;? TOOLTIME WRITE

N500 DBR_SPI1_CONTROL_L1=293 DBR_SPI1_CONTROL_R=0 DBR_SPI2_CONTROL_L1=293 DBR_SPI2_CONTROL_R=0

N505 SPEED1=4000 FEED1=1600

N510 A_POS=40

N515 G0 G512 G60 G603

N520 S_PROG=SPEED1

N525 RT_START

N530 M6 ; T1051 BORINGBAR D=14H8

N535 RT_STOP

N540 R2=-25.811 R3=-36.811 R9=40 R10=30

N545 G0 G512 G60 G90 G601 A=A_POS

N550 IF R21==1

N555? ?X72 Y184.378

N560? ?R21=0

N565 ENDIF

N570 T2="T1052" M66

N575 T1="T1052" M66

;-------------------------- 48B2 --------------------------

N580 X72 Y184.378 Z=R9 Z_2=R9+SPI_2_L1 M1=3 M2=3 S1=SPEED1 S2=SPEED1 F=FEED1 D1 M7 M27

N585 G64 Z=R2 Z_2=R2+SPI_2_L1 M8 M52

N590 G1 G60 Z=R3 Z_2=R3+SPI_2_L1

N595 G0 G64 Z=R10 Z_2=R10+SPI_2_L1

;-------------------------- 48B1 --------------------------

N600 G60 X248

N605 G64 Z=R2 Z_2=R2+SPI_2_L1

N610 G1 G60 Z=R3 Z_2=R3+SPI_2_L1

N615 STOPRE

N620 LAST_TOOL=1052 T_COUNTER_SPI1=1 T_COUNTER_SPI2=1

N625 G0 G64 Z=R10 Z_2=R10+SPI_2_L1

N630 M=QU（9） M=QU（29） M1=QU（5） M2=QU（5） M=QU（53）

第一類就是GROB機(jī)床特有的一些輔助功能命令，M66是只換刀具毛刷不清潔刀具錐柄，M21是A軸鎖緊，M27是打開2號主軸的冷卻液。M=QU（9）是西門子的快速輔助功能輸出，作用類似于M9表示關(guān)閉冷卻液。只要查詢機(jī)床制造商的編程手冊就能知道這些命令對實際加工的刀路軌跡沒有影響，只需要在“配置—文字格式”中定義就可以（見圖6）。

第二類就是一些全局用戶變量。例如DBR_SPI1_CONTROL_L1=293、DBR_SPI1_CONTROL_R=0、DBR_SPI2_CONTROL_L1=293及DBR_SPI2_CONTROL_R=0。這4個變量分別是主軸1和主軸2的刀具標(biāo)準(zhǔn)長度和半徑補償值。這2個變量的主要作用是在執(zhí)行換刀程序時與機(jī)床刀具管理器中的實際長度和半徑補償值相比較，如果超出一定范圍機(jī)床就會報警。有些變量對加工軌跡沒有影響，但有些變量卻對加工有直接影響。例如A_POS是A軸角度的用戶變量（見圖7），如果A_POS沒有設(shè)置則軟件無法識別這是一個變量就會跳過，A軸就不會轉(zhuǎn)到程序中指定的角度。這些都要在“配置—文字格式”中定義。

第三類就是一些子程序。例如L833是攻絲的子程序，TIME_WRITE是寫錄時間的一個子程序，在實際生產(chǎn)中用于查看每把刀具的加工節(jié)拍。只需要在“項目樹”——“數(shù)控子程序”中添加相應(yīng)的的子程序。

第四類就是對原有的一些命令進(jìn)行修改。由于GROB-G325加工中心是雙主軸同時加工，需要對M6換刀命令進(jìn)行修改。在執(zhí)行M6命令時候能同時更換2把刀具。其方法是在 “文字/地址”“M-Mise”目錄下配置“M6”換刀命令（見圖8）。增加 ActiveTool2 ToolChange的命令，然后在項目樹中選擇Tool2的組件。在組件對話框中將刀具索引設(shè)為2，這時再執(zhí)行換刀命令就能在2根主軸上同時換刀。

在配置控制系統(tǒng)的時候除了要熟悉軟件設(shè)置之外，還要十分了解機(jī)床的數(shù)控程序。否則可能會出現(xiàn)仿真與實際加工不同的運動軌跡，就會造成很大風(fēng)險。

4.設(shè)定坐標(biāo)系

在項目樹中選中“坐標(biāo)系統(tǒng)添”進(jìn)入“CSYS1配置坐標(biāo)系統(tǒng)”對話框。然后在“位置”空格中輸入“-412 58.5 -97”將工件原點移動到定位銷孔，類似機(jī)床中的工件坐標(biāo)系偏置。在鼠標(biāo)選中項目樹中CSYS1右鍵選擇重命名，將CSYS1重命名為“4B999”（4B999是缸蓋工件坐標(biāo)系原點的工藝孔號）。

在項目樹中選擇“G代碼偏置”，選擇“工作偏置”。將寄存器改為54，寄存器中的數(shù)字就與應(yīng)程序中G54坐標(biāo)系向?qū)?yīng)。將“調(diào)整從位置”設(shè)置為從“組件—tool”。將調(diào)整到位置設(shè)置為坐標(biāo)原點4B999?！坝嬎阆鄬ξ恢谩痹O(shè)置為A軸相應(yīng)的角度（見圖9）。

5.碰撞干涉

選擇“配置”—“機(jī)床設(shè)定”，彈出“機(jī)床設(shè)定”對話框，選擇碰撞檢測按鈕，勾上“碰撞檢測”前的勾，結(jié)合機(jī)床可能發(fā)生的碰撞設(shè)定，例如刀具和夾具、刀具和A軸、Z軸和A軸以及Z軸和夾具進(jìn)行設(shè)定。

6.行程極限

選擇“配置”—“機(jī)床配置設(shè)定”，彈出“機(jī)床設(shè)定”對話框，選擇“行程極限”按鈕，結(jié)合機(jī)床圖樣設(shè)置各個軸的運動行程極限。其中“允許運動超出行程”不要勾選，否則機(jī)床雖然會超程報警，但還是會運動到超程的極限位置。

結(jié)語

目前Vericut使用比較廣泛，尤其在多軸加工中心的模擬仿真，但普遍只針對CAD/CAM后處理生成的數(shù)控程序進(jìn)行仿真檢驗。本文的難點主要是雙主軸以及用參數(shù)化編程的程序模擬，在汽車發(fā)動機(jī)制造行業(yè)有一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛飛，黃忠，黃迪.金屬切削過程模擬技術(shù)在缸體AF240工序刀具耐用度提升的運用[J].金屬加工冷加工，2022（8）：10-15.

[2] 薛飛.發(fā)動機(jī)缸體三刃鉆優(yōu)化解決刀柄粘屑質(zhì)量隱患[J].汽車工藝師，2021（11）：14-16.

[3] 王其龍，薛飛，李贏麗，等.缸體線節(jié)拍提升[J].汽車工藝師，2022（3）：45-49.