基于VERICUT子程序的VB-825機床虛擬仿真研究

趙　華，許　超

(天津機電職業技術學院 產學研中心，天津 300131)

基于VERICUT子程序的VB-825機床虛擬仿真研究

趙華，許超

(天津機電職業技術學院 產學研中心，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，進行虛擬制造環境的構建及仿真。探討了機床硬件和控制系統構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文件，完成復雜動作的仿真。該虛擬加工環境能夠逼真反映實際教學設備，為實訓教學提供了計算機虛擬制造環境，大大提高了實訓教學的效率。

關鍵詞：VERICUT；虛擬制造技術；宏命令；子程序

虛擬加工技術是利用計算機以可視化、逼真的形式來直觀表示零件數控加工過程的技術手段。目前，對虛擬加工技術的研究可以分成兩大方面：其一是著重對虛擬加工硬件環境的研究，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]。隨著技術的不斷改善，虛擬加工技術在加工制造業中得到了廣泛的應用，在企業培訓和學校教學中的應用也日益增多。VERICUT是一款專業的虛擬加工仿真平臺軟件，不僅可以構建逼真的加工硬件，而且在幾何驗證方面也有卓越的表現。本文以天津機電職業技術學院實訓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的虛擬加工硬件構建，及通過宏命令子程序完成高級控制文件定制的關鍵技術。

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控機床，該機床采用FANUC 0i MD系統，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軸導軌、X軸導軌、工作臺、主軸箱、Z軸導軌和刀庫組成。VB-825機床的主要結構及運動參數見表1。

表1　臺灣友嘉VB-825機床主要參數

根據上述參數，應用SolidWorks軟件對機床主體結構進行簡化建模(見圖1)，注意機床坐標系應和繪圖區左下角的坐標系方向一致，以便導入VERICUT后，調整坐標系獲得正確的運動方向。其中，主軸箱帶動主軸沿Z軸導軌上下運動，X軸導軌及其上的工作臺沿Y軸導軌前后運動，工作臺沿X軸導軌左右運動。

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見表2。圓盤式刀庫的換刀過程分兩步：1)調用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：刀庫刀盤旋轉完成刀具預選動作→主軸準定并到達換刀點→刀座向下旋轉90°完成倒刀動作→刀臂旋轉65°完成扣刀動作→機械手垂直向下運動完成拔刀動作→刀臂繼續旋轉180°完成刀具交換動作→機械手垂直向上運動完成裝刀動作→刀臂繼續旋轉至360°完成回歸定位動作→刀套向上旋轉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

2機床硬件構建

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格式的系統文件。VERICUT軟件自帶的庫中提供了大量的機床和系統文件樣本供用戶選配，但不能覆蓋所有的機床及型號，難以實現某些特定機床或者復雜運動的準確仿真；因此，要想實現VB-825機床的精確仿真，應根據該機床的參數及功能自定義機床和系統。

圖2　VB-825虛擬機床運動節點及對應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入的方式。VERICUT軟件支持導入的三維格式有IGES、STL等，本文選用SolidWorks作為建模軟件[4]，選用STL作為導出文件格式。為了提高構建機床的效率，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”一次性地全部導入VERICUT軟件。根據機床的運動關系，在“Base”下添加運動節點，然后把對應的STL模型通過拖拽的方法添加到相應節點的Model，得到各節點運動拓撲關系及Component類型(見圖2)。其中，VERICUT規定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。在構建機床的過程中，各關鍵零部件的位置及坐標系的設置比較繁瑣，而且很容易出錯，巧妙地使用坐標系可以大大提高效率：一是在關鍵點建立坐標系，通過激活不同的坐標系來改變模型的參考系；二是在“Configure Model”→“Csys”中，使用“From”/“Move”/“to”把模型從一個坐標系移動到另一個坐標系來改變模型的位置。

3控制系統構建

VERICUT軟件的仿真控制系統具有良好的適應性和可擴展性，可以自定義G指令、M指令及其他非標準功能。VERICUT軟件庫提供了多個數控系統廠商的控制文件，其中包含大部分FANUC控制系統版本，可以執行標準化的基本數控指令，但是一些特殊指令及復雜運動控制功能，還需要根據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。在“Configuration”→“G-Code Processing”→“M_Misc”→“M6”添加宏命令“ToolChangeMachineSubroutine”，以在執行M6時調用名為“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90°完成倒刀動作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Changer_Arm" 65(刀臂旋轉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(刀臂繼續旋轉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(刀臂繼續旋轉至360°完成回歸定位動作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" " Pocket_Drop " 0(刀套向上旋轉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結語

本文針對實訓車間購置的臺灣友嘉機床VB-825，探討了VERICUT軟件構建虛擬制造環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來完成復雜動作仿真的方法，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構建虛擬機床進行數控仿真加工，為實訓教學提供了計算機虛擬實訓平臺，不僅可以豐富教學手段，大大提高實訓教學效率，還可以改善因設備昂貴、資金短缺而造成的學生多設備少的情況。

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.虛擬加工技術研究[J].機床與液壓，2003(3)：119-144.

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

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

[4] 王建軍，吳海濤，劉泓濱.基于SolidWorks平臺的切片機三維建模設計[J]. 新技術新工藝，2014(5)：13-15.

責任編輯彭光宇

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，主要從事數控技術和CAD/CAM等方面的研究。

中圖分類號：TG 543

文獻標志碼:B