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(yàn)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(yàn)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?yàn)槔M(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(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)。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(yùn)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(diǎn)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(xiàng)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(diǎn)需要注意：首先是對刀點(diǎn)（在對刀儀上測量刀具長度的測量點(diǎn)），在NX10建模過程中基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)必須與對刀點(diǎn)在Z方向上同一截面；其次是裝夾點(diǎn)（刀柄裝入主軸錐孔以后與主軸端面重合的點(diǎn)），裝夾點(diǎn)中Z向的數(shù)值就是對刀點(diǎn)和裝夾點(diǎn)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(yùn)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(shí)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(bǔ)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(shí)際長度和半徑補(bǔ)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(shí)際生產(chǎn)中用于查看每把刀具的加工節(jié)拍。只需要在“項(xiàng)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(xiàng)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(shí)際加工不同的運(yùn)動軌跡，就會造成很大風(fēng)險。

4.設(shè)定坐標(biāo)系

在項(xiàng)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(diǎn)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(xiàng)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(diǎn)的工藝孔號）。

在項(xiàng)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(diǎn)4B999。“計(jì)算相對位置”設(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(yùn)動行程極限。其中“允許運(yùn)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(yùn)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(yàn)。本文的難點(diǎn)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(yùn)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.