趙　華，許　超

(天津機電職業(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機床虛擬仿真研究

趙華，許超

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

摘要：針對臺灣友嘉機床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，進行虛擬制造環(huán)境的構(gòu)建及仿真。探討了機床硬件和控制系統(tǒng)構(gòu)建的一般方法和技巧，并以圓盤式刀庫為例，重點研究了通過編寫宏命令子程序來自定義高級控制系統(tǒng)文件，完成復(fù)雜動作的仿真。該虛擬加工環(huán)境能夠逼真反映實際教學(xué)設(shè)備，為實訓(xùn)教學(xué)提供了計算機虛擬制造環(huán)境，大大提高了實訓(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)是利用計算機以可視化、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，對虛擬加工技術(shù)的研究可以分成兩大方面：其一是著重對虛擬加工硬件環(huán)境的研究，追求逼真的視覺效果；其二是著重對加工過程的研究，包括幾何驗證和物理驗證2個方面[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軟件，不僅可以構(gòu)建逼真的加工硬件，而且在幾何驗證方面也有卓越的表現(xiàn)。本文以天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)中心購置的臺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控制文件定制的關(guān)鍵技術(shù)。

1機床分析

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

表1　臺灣友嘉VB-825機床主要參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，應(yīng)用SolidWorks軟件對機床主體結(jié)構(gòu)進行簡化建模(見圖1)，注意機床坐標(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)系獲得正確的運動方向。其中，主軸箱帶動主軸沿Z軸導(dǎo)軌上下運動，X軸導(dǎo)軌及其上的工作臺沿Y軸導(dǎo)軌前后運動，工作臺沿X軸導(dǎo)軌左右運動。

圖1　VB-825機床簡化三維SolidWorks模型

VB-825機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)選動作；2)使用M06指令完成刀具的交換動作。具體的換刀動作可以分解為如下步驟：刀庫刀盤旋轉(zhuǎn)完成刀具預(yù)選動作→主軸準(zhǔn)定并到達換刀點→刀座向下旋轉(zhuǎn)90°完成倒刀動作→刀臂旋轉(zhuǎn)65°完成扣刀動作→機械手垂直向下運動完成拔刀動作→刀臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°完成刀具交換動作→機械手垂直向上運動完成裝刀動作→刀臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至360°完成回歸定位動作→刀套向上旋轉(zhuǎn)90°完成回歸定位動作，至此整個換刀過程完畢[2-3]。

表2　VB-825圓盤式刀庫主要參數(shù)

2機床硬件構(gòu)建

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

圖2　VB-825虛擬機床運動節(jié)點及對應(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)建機床的效率，可以采用如下技巧：SolidWorks機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)機床的運動關(guān)系，在“Base”下添加運動節(jié)點，然后把對應(yīng)的STL模型通過拖拽的方法添加到相應(yīng)節(jié)點的Model，得到各節(jié)點運動拓撲關(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，巧妙地使用坐標(biāo)系可以大大提高效率：一是在關(guān)鍵點建立坐標(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”把模型從一個坐標(biāo)系移動到另一個坐標(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)雜運動控制功能，還需要根據(jù)實際情況進行自定義。針對VB-825機床，以圓盤式刀庫換刀運動控制功能為例，以FANUC 0M為模板，通過編寫宏命令子程序來實現(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)

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軸移動到達換刀點)

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

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

CGTECH_MACRO "MountTool" "Tool_Select" #4120

CGTECH_MACRO "UnMountTool" "Tool_Preselect"

CGTECH_MACRO "UnloadToolToCompName" "Tool_Return"

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Tool_Changer" -117(機械手垂直向下移動-117完成拔刀動作)

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

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Tool_Changer" 0(機械手垂直向上運動完成裝刀動作)

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°完成回歸定位動作)

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

CGTECH_MACRO "ToolChainFromCompName" "Tool_Preselect"

CGTECH_MACRO "ProcessTimeOnOff" "" 1

CGTECH_MACRO "RestoreUnits"

N99

CGTECH_MACRO "EndSub"

4結(jié)語

本文針對實訓(xùn)車間購置的臺灣友嘉機床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，重點研究了通過編寫宏命令子程序配置高級控制系統(tǒng)來完成復(fù)雜動作仿真的方法，通過1個簡單加工實例(見圖3)的仿真，驗證了VERICUT軟件虛擬機床VB-825的正確性。通過利用先進的虛擬制造技術(shù)構(gòu)建虛擬機床進行數(shù)控仿真加工，為實訓(xùn)教學(xué)提供了計算機虛擬實訓(xùn)平臺，不僅可以豐富教學(xué)手段，大大提高實訓(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機床及驗證實例

參考文獻

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

[2] 華紅芳，鄒曄，嚴(yán)勇，等.圓盤式刀庫加工中心隨機換刀系統(tǒng)的研究[J]. 機床與液壓，2010, 38(18)：26-27.

[3] 龔志堅，馮培鋒，閆勇剛.FMS環(huán)境下FANUC系統(tǒng)加工中心換刀機構(gòu)故障分析[J]. 機床與液壓，2012,40(16)：111-113.

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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：TG 543

文獻標(biāo)志碼:B