基於 VERICUT 的 CKA6150 數控車床 仿真研究
2017-12-12 來源：天津機電職業技術學院產學研中心 作（zuò）者：趙華（huá），李衛兵
摘要：針對在企業生（shēng）產和教育培訓領域廣泛使（shǐ）用的 CKA6150 數控車（chē）床，在 VERICUT 中構建仿真（zhēn）模型，對仿真機床（chuáng）構建（jiàn）的一（yī）般（bān）方法和步驟進（jìn）行探討，給出了構建過程中的注意事項（xiàng）和一些實用技巧。以數控車床防護門及四工位（wèi）回轉刀（dāo）架的控製為例，重點研（yán）究了通過宏命令（lìng）子程序及特殊控製指令定製來控製（zhì）機床部件運動（dòng）的（de）方法。通（tōng）過一個仿真實例的運行，驗證了所構建仿（fǎng）真機床的正確性，為宏程序及其它複雜車削工件加工程序校驗及教學培訓提供可靠的 CKA6150 仿真。
關鍵詞：；CKA6150 數控車床（chuáng）；宏命令；仿真
VERICUT 是一款專業（yè）的數控加工仿真（zhēn）軟件，可以對各種數控加（jiā）工設備的（de）加（jiā）工過程進行仿真，廣泛應用於（yú）生產（chǎn）和培訓領域[1]。VERICUT為用戶提供了豐富（fù）的機床及係統樣本庫，但尚不（bú）完（wán）善，數控車床案例缺（quē）乏，樣本機床形式單一，難（nán）以實現複雜運動的控（kòng）製[2]。因此，本文針對數控（kòng）臥式（shì）車床（chuáng） CKA6150 進行仿真研究，對構建仿真加工環（huán）境的一（yī）般方法和步驟（zhòu）進行探討，對通過宏命令（lìng）子程序及自定義高級指令來進行機床附件控製的方法進（jìn）行重點研究。
1 、機床構建
CKA6150 數（shù）控車床是大連機床廠生產的一（yī）款縱（Z）、橫（X）兩坐標控製的（de）數控臥式車床，配（pèi）有華中世紀星的數控係統 HNC-21T。CKA6150 數控車床采用的是平床身結構，配有氣動卡盤和四工位回轉刀架（jià），結構（gòu）及主要組成部件如圖 1 所示。
圖 1 CKA6150 數控車床結構及主要部件
分析 CKA6150 數控車床各（gè）部件之間的運動關係，組合關係和（hé）相對位置關係，根據（jù）說明書中的幾（jǐ）何參數，在 Solid Works 軟件中建立（lì）簡化的機床 3D 模型如圖 2 所示。在建立裝配體時（shí）一定（dìng）要注意繪（huì）圖區左下角的坐標係要和數控車床坐標係一致（笛卡爾直角坐標係），以便輸出的 STL 模型在導入 VERICUT 後能夠配置出正確的運動方向（xiàng）。
在 Solid Works 軟件中把整個 3D 模型（xíng）裝配體另存為 STL 格式導（dǎo）入 VERICUT，進行機床各部件（jiàn）的功能（néng）配置。VERICUT 軟件提供了不同類型的 Component（組件（jiàn）），如 Base（床身）、Spindle（主軸）、X Linear（X 軸）、Z Linear（Z 軸）、Turret（刀架）、Stock（毛坯）等。通過建立不同類型的 Component（組件）並添加 3D 模型到某（mǒu）一類（lèi）型的 Component（組件），對導入 VERICUT 的每一個 3D 模型（xíng）進行功能配置。各個 Component（組件）之間可以設置從屬或者並列的關（guān）係，根據（jù）數控車床各部件之間的實際運動層（céng）次關係（xì）建立（lì） Project Tree（項目樹），即機床部件運動拓撲關係。CKA6150 數控車床 Project Tree（項目（mù）樹）及各部件名稱及（jí）Component（組件）類型如（rú）圖 3 所示。
圖 2 CKA6150 數控車床 3D 模型
圖 3 CKA6150 數控車床 Project Tree 簡圖
VERICUT 機床（chuáng）構建過程中，一個重要的（de）環節是坐標係的建立及各部件坐標位（wèi）置的調整。VERICUT 中可以建立多個坐標係，並設置其中之一作（zuò）為當前坐標（biāo），同時 VERICUT 還具有多（duō）個性質的坐標係，如 ZModel、ZComponent、ZMachine 等。每一（yī）個（gè） Component（組件（jiàn））都有一個組件坐標係 ZComponent，它決定著該Component（組件）的運動方向（xiàng）。組件坐標係隨著 Component（組（zǔ）件）位置的改變而改變。
Component（組（zǔ）件（jiàn））的位置及其 Component（組件（jiàn））下（xià）屬的 3D 模型位置決定著屏幕上 3D 模型的實際位置，正確理解這一點，對正（zhèng）確構建仿真模型極其重要。對於（yú）四工位回轉刀架 Turret可以借助（zhù） Configure Component＞Turret Aid 進行設置（zhì）。但是由於 VERICUT 默認（rèn）的回轉刀架回轉軸與 Z 軸平行，這時就需要（yào）沿 Turret 的組件坐標（biāo）係的 X 軸旋轉 90°，可以通過 Configure Component＞Rotate＞Angles，設置旋轉角度為（90 0 0），同時把 Turret 下屬的所有 3D 模型沿相反方向旋轉 90°，即設置旋轉角度為（-90 0 0），才能得到正確的回轉刀架運動。對於（yú）三爪（zhǎo）卡盤，隻設置 U Linear（U 軸）一種 Component（組件），然後通過對（duì）相應組件坐標係的設置（zhì）來調整卡爪的實際運動方向，這（zhè）樣可以簡化控製係統的定義。具體操（cāo）作方法為，複製 JAW1兩次，分別（bié）重命名（míng）為 JAW2 和 JAW3，通過Configure Component ＞ Rotate ＞ Angles 設 置JAW2 的旋轉角度為（wéi）（0 0 120），JAW3 的（de）旋轉（zhuǎn）角度為（wéi）（0 0 -120）。
2 、係統配置（zhì）
CKA6150 數控車床配置了華中世（shì）紀星的數（shù）控係統 HNC-21T。由於該係統與 FUNAC 係統非常相似，因此可以直接調用 FUNAC 0T 作為模板進行配置（zhì），下麵以機床防護門及（jí）三爪卡盤的控製為（wéi）例，探討係統高級控製功（gōng）能的配置。 由於機床防護門 DOOR1 和 DOOR2 都采用了 Z Linear（Z 軸（zhóu））作為 Component（組件）類型，為了（le）加以區分，通過 Configure Component＞Component＞Sub System 進行 Sub System 的（de）ID 設置，分別設（shè）置（zhì）為（wéi） DOOR1 和 DOOR2。本（běn）文（wén）采用在 NC Subroutines 添加子（zǐ）程序，在數控程序調用子程序的方（fāng）式實現控製，例如關門子程序及注釋如下所示。
對於三爪卡盤，由於已經通過對相應組件坐標係的設置，使每（měi）一個（gè）卡爪的運動方向 U 和整個機床的 X 方向（xiàng）平行（háng），因此可以通過統一的指令設置來實現三個卡爪的同時向心運動。任何（hé）數控編碼（指令、變量及字符）都必須首先進行字格式的預定義，才能被虛擬數控（kòng）係統識別和解釋[3]。通過 Configuration＞Word Format＞Add 對卡盤控製所需的（de）字格式進行定義，如圖（tú） 4所示。
圖 4 字格式的定義
字格式定義（yì）之後，通過 Configuration＞G-Code Processing＞Add 對這些字的功能進行配置。由於三爪卡盤的初始狀態是張開的極限位置，因此卡爪（zhǎo）鬆開控製時，卡（kǎ）爪相對初始位置無需移動，通過字 OPEN 調用 VERICUT 的宏命令 UAxis Machine Motion（U 軸移動）使卡爪沿各自組件坐標係的 X 軸移動距離為 0；卡爪夾緊控製時（shí），通過字 CLOSE 調用宏命（mìng）令UAxis Machine Motion 使卡爪沿各（gè）自組件坐（zuò）標係（xì）的 X軸移動，調用宏（hóng）命（mìng）令（lìng） Component Name（接觸到的零件名（míng）稱（chēng））及 Touch（保持運動直到接觸到某工（gōng）件）使（shǐ）爪接觸到 Stock（工件）後停止運（yùn）動（dòng）。具體定義如圖（tú） 5 所示，指令 OPEN CHUCK 使卡（kǎ）爪鬆開，指令 CLOSE CHUCK 使卡爪夾緊工件。
圖 5 卡爪控製指令配置
圖 6 仿真實例驗證結果
3 、結語
基於 VERICUT 虛擬加工仿真軟件，本（běn）文構建了 CKA6150 數控車床，介紹了仿真機床構建（jiàn）的一般方（fāng）法和步驟，探討（tǎo）了構建過程中一些實用技巧，重點研究了子程序及特殊控製指（zhǐ）令的定製方法（fǎ），給出了數控車床防護門和四工位回轉刀架的控製指令的配置（zhì）方法。在該仿（fǎng）真機床上對（duì）一個外輪（lún）廓車削的教學實例進行仿真加工，程序運行（háng）前後如圖 6 所示，驗證（zhèng）了本文所構建的仿真機床（chuáng）的正確性。
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