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基於VERICUT的雙主軸龍門加工（gōng）中心（xīn）數控加工仿（fǎng）真技術應（yīng）用

2016-8-25 來源：南車青島四方機車車輛股份有限公（gōng）司作者：宋福田（tián）王忠平（píng）王泰吉

摘　要（yào）:數控仿真（zhēn）是數控加（jiā）工在虛擬（nǐ）環境中的映射,它為產品的可製造性分析提供關鍵數據。通過基於VERICUT軟件的虛擬製造軟（ruǎn）件平台,可以仿真零（líng）件數控加工的完整製造過程,包括驗證數控程序的正確（què）性,減少零件首件調試風險以及模擬數控機床的實際運（yùn）動,檢查潛在的碰撞錯誤,降低碰撞的風險。雙主軸龍門加工中心的虛擬製造軟件平台的創（chuàng）建是通過分析機床結（jié）構和特（tè）殊指令,並結合VERICUT軟件進行機床結構樹的構建、數控係統的配置、刀具（jù）的創建和加（jiā）工（gōng）零點的設置等主（zhǔ）要切削仿真環境構建內容。重（chóng）點研究了機床上同（tóng）步和鏡像加工特殊指（zhǐ）令（lìng）的配置及（jí）開發,以及刀具創建、特殊加工坐標係原點的創（chuàng）建,總結了（le）雙主軸（zhóu）龍門加工中心這類機床（chuáng）在VERICUT軟件中構建仿真環境的方法。

關鍵詞:數控加工仿真;數控係統;雙主軸（zhóu）同步加工;雙主軸（zhóu）鏡像加工

利（lì）用數控仿真技術建立虛擬機床的應用給現代製造業的發展帶來了一次（cì）機遇。由於虛擬機床（chuáng）是檢驗產品設計、過程設計和數控程序（xù）是否正確的重要（yào）手段,通過該係統,可以減少產品的廢品率,大大縮短（duǎn）開發周期,消除或減少新產品開（kāi）發以及新設備、新係統應用的試切過程,降低產品成本,減少資源利用,用經濟快捷的方式獲得（dé）資源利用的最大化。由於虛擬機床是數字（zì）模型,可以很方便地進行（háng）顯示、分析和交流,實現新設備、新係統的重新（xīn）組裝。虛（xū）擬（nǐ）機床數字（zì）模型最大的好處在於不利用實際的資源和人員,因此,建立數（shù）控機床的數學仿真模型,進行驗證、仿真加工,具有十分重要的現實（shí）意義[1]。

本文將討論應用VERICUT 軟件對雙銑頭龍（lóng）門加工中（zhōng）心進行機床的構建和控（kòng）製（zhì）係統特殊指令的配置。

1、研究對（duì）象

1.1　虛擬仿真平台軟件

VERICUT軟件就是數（shù）控加工仿真領域的行業標準,該軟件是美國CGTech公司開發的（de）一款專業的數控加工仿真（zhēn）軟件,是當前全球數（shù）控加工程序驗證、機床模擬和工藝程序優化軟件領域的領導者。自1988年開始推向市場以來（lái）,始（shǐ）終與（yǔ）世界先進的（de）製造（zào）技術（shù）保持同步,采用了先進的三維顯示及虛擬現實技術,可（kě）以驗證和檢測可能存在的碰撞、幹涉（shè）、過切、欠（qiàn）切和切削參數不合理等問題,被廣泛應用於航空、航天、船舶、電子、汽（qì）車、機車、模具、動力及（jí）重工業的車削、銑削(三軸（zhóu）及多軸加（jiā）工)、車銑複（fù）合、線切割和電加工等實際（jì）生產中。

1.2　雙（shuāng）銑頭龍門加工中心

雙銑頭龍（lóng）門加工中心是南車（chē）青島四方機車車輛股份有限公司生產車體長大型材的主要設備,具有如下機（jī）床結構及特性（xìng）:1)機床結構龍門（mén）式（shì）,橫（héng）梁上裝有（yǒu）雙（shuāng）銑頭,線性軸為X/Y/Z/V/W ;2)雙銑頭可（kě）進行對稱、同步和獨立運動;3)三軸聯動（dòng）加工;4)主軸（zhóu）最高（gāo）轉速為12000r/min,工作（zuò）台尺寸為27000mm×2000mm;5)控製係統為FANUC16i。

2、創（chuàng）建虛擬機床

2.1　機床分析

在建立（lì）虛擬機床模型時,首先（xiān）應構建機床（chuáng）組（zǔ）件樹,該組件樹和機床的實（shí）際結構相關,所（suǒ）以首先應分（fèn）析實際機床各個組件之間的運動關（guān）係。

在分析機（jī）床各組件運動關係時,關鍵是要抓住2條主要（yào）的運動鏈（liàn）:1)機床床身—刀具的傳動鏈;2)機床（chuáng）床（chuáng）身—毛坯的傳動鏈。這2條傳動鏈構成了數控機床的基本模型（xíng）。

雙銑頭龍門（mén）加工中心運動由5個線（xiàn）性軸構成,分別是X/Y/Z/V/W ,其中工作台固定不動,橫梁為X 軸,Y/V 軸（zhóu）掛在橫梁之上,Z/W 軸分別附著在Y/V 軸（zhóu）上,即X 軸將作為公用軸,Y/V 軸和Z/W 軸獨立控製,其位（wèi）置跟隨X 軸的變化而變化,經過（guò）上述分析可知（zhī）刀具側和（hé）毛坯側的運動（dòng）鏈關（guān）係(見表1)。

表1　傳動鏈關係表

2.2　構（gòu）建機床

根據傳動鏈,依次在工件側和刀具側按照傳動鏈的關係添加機床組件和機床模型,創建的機床（chuáng）組件樹（shù）和三維機床顯示分別如圖1和（hé）圖2所示。機床結構的特殊性是在（zài）雙主軸龍門機床（chuáng）的Z/W 軸下（xià）各附著

一個主軸和（hé）刀具組件,通過分別對這2個主軸進行驅動控製,即可進行雙主軸的加工。

圖1　機床組件樹

圖（tú）2　三維機床（chuáng）

3、控製係統特殊指（zhǐ）令

為了在一台機床上同時加工動（dòng）車關（guān）鍵零件的左（zuǒ）、右對稱件（jiàn）,需（xū）要機床（chuáng）能（néng）實現鏡（jìng）像加工,該（gāi）雙（shuāng）銑頭龍門加工中心通過添加用於同（tóng）步和鏡像加工（gōng）的專用M 代碼指令實現雙主軸的同步和鏡像加工,其中鏡像加工（gōng）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（zhōng）按照同步或鏡像的規則支持Y/Z 和V/W 軸同時運動,可以通過一個簡單的矩形輪廓軌跡來模擬數學模型(見圖3)。

圖3　模擬加工的（de）數（shù）學模（mó）型

在VERICUT軟件的標準控製器文（wén）件中（zhōng）不支持這樣的特殊指令,應（yīng）對這些指令進行配置開發。

VERICUT軟件的宏指令“SetAxisCompLink”提供了關聯多個軸運動的處理指令,可以（yǐ）使（shǐ）多個軸（zhóu）之間按照數學規則進行關聯運動。首先,應通（tōng）過宏（hóng）指令“CompToCompOffset”和“AutosetTableAxisArrayVars”,提取毛坯組件之間的偏差值及工作偏置值,並計算對稱中心線的位（wèi）置;再根據中心線的位置,使用宏（hóng）令“LinkFormula”定義數學規則。其（qí）中:1)鏡像加工（gōng）規（guī）則通過（guò）宏指（zhǐ）令CGTECH_MACRO “LinkFormula”“[-1∗ ($ - #9001/2)]”實現（xiàn）;2)同步加工規則通過（guò）宏指令CGTECH_MACRO “LinkFormula”“[1∗$+#y_stock/2]”實現（xiàn）。

設置了數（shù）學規則後,使（shǐ）用（yòng）宏“SetAxisCompLink”,可以（yǐ）使Y/V 軸和Z/W 軸按照設定的數學規則來進行鏡像和同步運動,從而實現特殊指令的仿真。具體代碼見表2。

表2　鏡像和同（tóng）步加工的機床配置及部分代碼

通（tōng）過上述宏的配（pèi）置（zhì）開發,可以實現通過M54/M56指令進行（háng）機床零件的同步或鏡（jìng）像加工仿真。

4、創建刀具庫

利（lì）用VERICUT軟件,可以創建各類真實的加工刀具,例如標準銑刀、鑽頭、測量探頭和仿形刀具等。刀具中可以含帶刀具切削部分、刀（dāo）柄、刀（dāo）片及（jí）其他部分。使用和車間現場一致的刀（dāo）具,將保證仿真（zhēn）時的切削和實際切削時一樣,從而保證仿真時校驗的精確度。

4.1　創建刀具方式

1)在刀具管理器中,在左側ID 欄中空白（bái）處,右鍵點擊添加刀具。

2)在VERICUT 軟件刀具庫（kù）窗（chuāng）口菜單“Add”(添加)中,“MillToolWinzard”(銑刀向導)可以幫助用（yòng）戶建立包括刀刃、刀杆和刀柄（bǐng）的完整銑刀。

4.2　創建刀具步驟

1)刀具(Cutter)的創建(見圖4)。應定義刀具切削刃和非切削刃部分(刀杆（gǎn）),這樣當切（qiē）削深度超過刃長（zhǎng）,VERICUT軟件就（jiù）會有相（xiàng）應（yīng）的錯誤提示。

圖4　刀具（jù）創建

2)刀柄(Holder)的創建(見圖5)。在VERICUT軟件的刀具庫中,按（àn）具體尺寸,建立機（jī）床所使用的各（gè）種規格的刀柄。複雜的刀柄也可以在一般的三（sān）維軟件中構建（jiàn）,再通過STL、WRL 或PLY 格式文件導入VERICUT軟件中。

3)在刀具庫中定義角度頭等特殊刀具（jù）,如直角（jiǎo）銑頭、特殊（shū）片鋸（jù）等(見圖6)時,“DoNotSpinWithSpindle”(不要跟主軸旋轉（zhuǎn）)用來控製角度頭模（mó）型是否和主軸一起旋轉。

4)裝夾點設（shè）定(見圖7)。根據實際工藝需求,設定裝夾點。

圖5　刀柄創建

圖6　特殊刀具創建

圖7　裝夾點設置

5)刀具命名(見圖8)。根據程序中刀具刀號或者（zhě）刀具名稱,重新給刀具命名,一定要（yào）和程序中相應刀具（jù）刀號或者刀具（jù）名稱（chēng）匹配。

5、加載設計模型和毛坯模型

該（gāi）機床可以一（yī）次裝夾同步或鏡像加工2個工件,因此,需（xū）要加載2個毛坯模（mó）型。在VERICUT中設置了2個裝夾位（wèi）置,並設定了2個裝夾位置（zhì）的關係（xì）(見圖（tú）9)。

圖8　刀具命名（míng）　　　　圖9　夾具毛坯模型設置（zhì）

6、創建工作（zuò）偏置(加工坐標（biāo）係零點)

NC代碼采用G54.P1指令執行加工坐標係的選擇,因此,在VERICUT 軟件中（zhōng）應（yīng）創建該坐標係,該坐標係除（chú）了應考慮（lǜ）X、Y 和Z 軸的原點外,還應設定V、W 軸的原點(見圖10)。通過（guò）定義額外的偏置來（lái）確定V、W 軸的原點位置(見圖11)。

圖10　程序零點設置（zhì）

圖11　V/W 軸零點位置

圖12　漏加工區域　　　　　圖13　刀具幹涉

8、結語

在進行機床仿真（zhēn）時,經常會遇到機床廠商為實現特（tè）殊功能而編寫的數控指令,VERICUT 軟件的標準控製器文件一般不能識別這些指令,需（xū）要進行重新（xīn）配置或開發（fā）才能夠支持。本文通過編寫VERICUT軟（ruǎn）件的宏語言進（jìn）行（háng）鏡像/同步加（jiā）工指令的配（pèi）置,提供了機床（chuáng）仿真（zhēn）支持特殊指令的方法,使得（dé）仿真可以和真實加工場景一致。

在數控加工中,NC程序的編（biān）製相當複雜,不論是（shì）采用CAD/CAM 技術由計算機自（zì）動生成NC 程（chéng）序,還是手工編寫NC程序,都應確（què）保程序的正確性和（hé）高效性。在程序編製過程中應用VERICUT 軟件對其進行驗證、分析和優化,可有效地保證刀具路徑精度、零件（jiàn）質量,避免機床碰撞。

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