基于VERICUT的双主轴龙门加工中心数控加工仿真技术应用

宋福田，王忠平，王泰吉

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)



基于VERICUT的双主轴龙门加工中心数控加工仿真技术应用

宋福田，王忠平，王泰吉

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

摘要：数控仿真是数控加工在虚拟环境中的映射，它为产品的可制造性分析提供关键数据。通过基于VERICUT软件的虚拟制造软件平台，可以仿真零件数控加工的完整制造过程，包括验证数控程序的正确性，减少零件首件调试风险以及模拟数控机床的实际运动，检查潜在的碰撞错误，降低碰撞的风险。双主轴龙门加工中心的虚拟制造软件平台的创建是通过分析机床结构和特殊指令，并结合VERICUT软件进行机床结构树的构建、数控系统的配置、刀具的创建和加工零点的设置等主要切削仿真环境构建内容。重点研究了机床上同步和镜像加工特殊指令的配置及开发，以及刀具创建、特殊加工坐标系原点的创建，总结了双主轴龙门加工中心这类机床在VERICUT软件中构建仿真环境的方法。

关键词：数控加工仿真；数控系统；双主轴同步加工；双主轴镜像加工

利用数控仿真技术建立虚拟机床的应用给现代制造业的发展带来了一次机遇。由于虚拟机床是检验产品设计、过程设计和数控程序是否正确的重要手段，通过该系统，可以减少产品的废品率，大大缩短开发周期，消除或减少新产品开发以及新设备、新系统应用的试切过程，降低产品成本，减少资源利用，用经济快捷的方式获得资源利用的最大化。由于虚拟机床是数字模型，可以很方便地进行显示、分析和交流，实现新设备、新系统的重新组装。虚拟机床数字模型最大的好处在于不利用实际的资源和人员，因此，建立数控机床的数学仿真模型，进行验证、仿真加工，具有十分重要的现实意义[1]。

本文将讨论应用VERICUT软件对双铣头龙门加工中心进行机床的构建和控制系统特殊指令的配置。

1研究对象

1.1虚拟仿真平台软件

VERICUT软件就是数控加工仿真领域的行业标准，该软件是美国CGTech公司开发的一款专业的数控加工仿真软件，是当前全球数控加工程序验证、机床模拟和工艺程序优化软件领域的领导者。自1988年开始推向市场以来，始终与世界先进的制造技术保持同步，采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，可以验证和检测可能存在的碰撞、干涉、过切、欠切和切削参数不合理等问题，被广泛应用于航空、航天、船舶、电子、汽车、机车、模具、动力及重工业的车削、铣削(三轴及多轴加工)、车铣复合、线切割和电加工等实际生产中。

1.2双铣头龙门加工中心

双铣头龙门加工中心是南车青岛四方机车车辆股份有限公司生产车体长大型材的主要设备，具有如下机床结构及特性：1)机床结构龙门式，横梁上装有双铣头，线性轴为X/Y/Z/V/W；2)双铣头可进行对称、同步和独立运动；3)三轴联动加工；4)主轴最高转速为12 000 r/min，工作台尺寸为27 000 mm×2 000 mm；5)控制系统为FANUC 16i。

2创建虚拟机床

2.1机床分析

在建立虚拟机床模型时，首先应构建机床组件树，该组件树和机床的实际结构相关，所以首先应分析实际机床各个组件之间的运动关系。

在分析机床各组件运动关系时，关键是要抓住2条主要的运动链：1)机床床身—刀具的传动链；2)机床床身—毛坯的传动链。这2条传动链构成了数控机床的基本模型。

双铣头龙门加工中心运动由5个线性轴构成，分别是X/Y/Z/V/W，其中工作台固定不动，横梁为X轴，Y/V轴挂在横梁之上，Z/W轴分别附着在Y/V轴上，即X轴将作为公用轴，Y/V轴和Z/W轴独立控制，其位置跟随X轴的变化而变化，经过上述分析可知刀具侧和毛坯侧的运动链关系(见表1)。

表1　传动链关系表

2.2构建机床

根据传动链，依次在工件侧和刀具侧按照传动链的关系添加机床组件和机床模型，创建的机床组件树和三维机床显示分别如图1和图2所示。机床结构的特殊性是在双主轴龙门机床的Z/W轴下各附着一个主轴和刀具组件，通过分别对这2个主轴进行驱动控制，即可进行双主轴的加工。

图1　机床组件树

图2　三维机床

3控制系统特殊指令

为了在一台机床上同时加工动车关键零件的左、右对称件，需要机床能实现镜像加工，该双铣头龙门加工中心通过添加用于同步和镜像加工的专用M代码指令实现双主轴的同步和镜像加工，其中镜像加工指令M54，同步加工指令M56，通过M54、M56指令使在同一个NC程序中按照同步或镜像的规则支持Y/Z和V/W轴同时运动，可以通过一个简单的矩形轮廓轨迹来模拟数学模型(见图3)。

图3　模拟加工的数学模型

在VERICUT软件的标准控制器文件中不支持这样的特殊指令，应对这些指令进行配置开发。

VERICUT软件的宏指令“SetAxisCompLink”提供了关联多个轴运动的处理指令，可以使多个轴之间按照数学规则进行关联运动。首先，应通过宏指令“CompToCompOffset”和“AutosetTableAxisArrayVars”，提取毛坯组件之间的偏差值及工作偏置值，并计算对称中心线的位置；再根据中心线的位置，使用宏指令“LinkFormula”定义数学规则。其中：1)镜像加工规则通过宏指令CGTECH_MACRO “LinkFormula” “[-1*($-#9001/2)]”实现；2)同步加工规则通过宏指令CGTECH_MACRO “LinkFormula” “[1*$+#y_stock/2]”实现。

设置了数学规则后，使用宏“SetAxisCompLink”，可以使Y/V轴和Z/W轴按照设定的数学规则来进行镜像和同步运动，从而实现特殊指令的仿真。具体代码见表2。

表2　镜像和同步加工的机床配置及部分代码

通过上述宏的配置开发，可以实现通过M54/M56指令进行机床零件的同步或镜像加工仿真。

4创建刀具库

利用VERICUT软件，可以创建各类真实的加工刀具，例如标准铣刀、钻头、测量探头和仿形刀具等。刀具中可以含带刀具切削部分、刀柄、刀片及其他部分。使用和车间现场一致的刀具，将保证仿真时的切削和实际切削时一样，从而保证仿真时校验的精确度。

4.1创建刀具方式

1)在刀具管理器中，在左侧ID栏中空白处，右键点击添加刀具。

2)在VERICUT软件刀具库窗口菜单“Add”(添加)中，“Mill Tool Winzard”(铣刀向导)可以帮助用户建立包括刀刃、刀杆和刀柄的完整铣刀。

4.2创建刀具步骤

1)刀具(Cutter)的创建(见图4)。应定义刀具切削刃和非切削刃部分(刀杆)，这样当切削深度超过刃长，VERICUT软件就会有相应的错误提示。

图4　刀具创建

2)刀柄(Holder)的创建(见图5)。在VERICUT软件的刀具库中，按具体尺寸，建立机床所使用的各种规格的刀柄。复杂的刀柄也可以在一般的三维软件中构建，再通过STL、WRL或PLY格式文件导入VERICUT软件中。

图5　刀柄创建

3)在刀具库中定义角度头等特殊刀具，如直角铣头、特殊片锯等(见图6)。这时，“Do Not Spin With Spindle”(不要跟主轴旋转)用来控制角度头模型是否和主轴一起旋转。

图6　特殊刀具创建

4)装夹点设定(见图7)。根据实际工艺需求，设定装夹点。

图7　装夹点设置

5)刀具命名(见图8)。根据程序中刀具刀号或者刀具名称，重新给刀具命名，一定要和程序中相应刀具刀号或者刀具名称匹配。

图8　刀具命名　　　　图9　夹具毛坯模型设置

5加载设计模型和毛坯模型

该机床可以一次装夹同步或镜像加工2个工件，因此，需要加载2个毛坯模型。在VERICUT中设置了2个装夹位置，并设定了2个装夹位置的关系(见图9)。

6创建工作偏置(加工坐标系零点)

NC代码采用G54.P1指令执行加工坐标系的选择，因此，在VERICUT软件中应创建该坐标系，该坐标系除了应考虑X、Y和Z轴的原点外，还应设定V、W轴的原点(见图10)。通过定义额外的偏置来确定V、W轴的原点位置(见图11)。

图10　程序零点设置

图11　V/W轴零点位置

7仿真验证

图12　漏加工区域　　　　　图13　刀具干涉

8结语

在进行机床仿真时，经常会遇到机床厂商为实现特殊功能而编写的数控指令，VERICUT软件的标准控制器文件一般不能识别这些指令，需要进行重新配置或开发才能够支持。本文通过编写VERICUT软件的宏语言进行镜像/同步加工指令的配置，提供了机床仿真支持特殊指令的方法，使得仿真可以和真实加工场景一致。

在数控加工中，NC程序的编制相当复杂，不论是采用CAD/CAM技术由计算机自动生成NC程序，还是手工编写NC程序，都应确保程序的正确性和高效性。在程序编制过程中应用VERICUT软件对其进行验证、分析和优化，可有效地保证刀具路径精度、零件质量，避免机床碰撞。

参考文献

[1] 唐秀梅，牛昌安，杨胜群. Vericut数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

责任编辑郑练

The Dual Spindles Gantry CNC Machining Simulation Technology based on VERICUT

SONG Futian, WANG Zhongping, WANG Taiji

(CSR Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111, China)

Abstract：CNC machining simulation is mapped in a virtual environment that provides crucial data for product manufacture analysis. VERICUT simulation solution can simulate the whole manufacturing process, including the NC program verification which can reduce the actual risk of the first part testing cut, and collision check for potential errors. A dual spindle gantry CNC machine center building, based on analyzing the machine structure and special commands, is combined with VERICUT machine component tree creation, control system configuration, tooling creation and work offset setting. The keys of this research are configurations and development of this machine special synchronization commands and mirroring machining function, tooling and special work offsets setting. Summarize the dual spindles gantry CNC machine center simulation configurations in VERICUT simulation solution.

Key words:CNC machining simulation, CNC control system, dual spindles synchronization machining, dual spindles mirroring machining

收稿日期：2015-11-13

作者简介：宋福田(1980-)，男，工程师，主要从事轨道车辆铝合金零部件的制造和加工工艺等方面的研究。

中图分类号：TG 659

文献标志码:B