基于VERICUT子程序的VB-825机床虚拟仿真研究

赵　华，许　超

(天津机电职业技术学院 产学研中心，天津 300131)

基于VERICUT子程序的VB-825机床虚拟仿真研究

赵华，许超

(天津机电职业技术学院 产学研中心，天津 300131)

摘要：针对台湾友嘉机床VB-825，选择SolidWorks作为三维建模软件，选择VERICUT 7.3作为虚拟加工仿真平台，进行虚拟制造环境的构建及仿真。探讨了机床硬件和控制系统构建的一般方法和技巧，并以圆盘式刀库为例，重点研究了通过编写宏命令子程序来自定义高级控制系统文件，完成复杂动作的仿真。该虚拟加工环境能够逼真反映实际教学设备，为实训教学提供了计算机虚拟制造环境，大大提高了实训教学的效率。

关键词：VERICUT；虚拟制造技术；宏命令；子程序

虚拟加工技术是利用计算机以可视化、逼真的形式来直观表示零件数控加工过程的技术手段。目前，对虚拟加工技术的研究可以分成两大方面：其一是着重对虚拟加工硬件环境的研究，追求逼真的视觉效果；其二是着重对加工过程的研究，包括几何验证和物理验证2个方面[1]。随着技术的不断改善，虚拟加工技术在加工制造业中得到了广泛的应用，在企业培训和学校教学中的应用也日益增多。VERICUT是一款专业的虚拟加工仿真平台软件，不仅可以构建逼真的加工硬件，而且在几何验证方面也有卓越的表现。本文以天津机电职业技术学院实训中心购置的台湾友嘉立式加工中心VB-825为例，介绍基于VERICUT 7.3的虚拟加工硬件构建，及通过宏命令子程序完成高级控制文件定制的关键技术。

1机床分析

友嘉精密机械有限公司的VB系列重切削立式加工中心VB-825是一款高度自动化的数控机床，该机床采用FANUC 0i MD系统，可以进行钻、铣、镗和攻螺纹等加工。VB-825机床主体由底座、立柱、Y轴导轨、X轴导轨、工作台、主轴箱、Z轴导轨和刀库组成。VB-825机床的主要结构及运动参数见表1。

表1　台湾友嘉VB-825机床主要参数

根据上述参数，应用SolidWorks软件对机床主体结构进行简化建模(见图1)，注意机床坐标系应和绘图区左下角的坐标系方向一致，以便导入VERICUT后，调整坐标系获得正确的运动方向。其中，主轴箱带动主轴沿Z轴导轨上下运动，X轴导轨及其上的工作台沿Y轴导轨前后运动，工作台沿X轴导轨左右运动。

图1　VB-825机床简化三维SolidWorks模型

VB-825机床采用的圆盘式刀库(刀臂式)是一种常见的刀库形式，虚拟仿真需要的主要参数见表2。圆盘式刀库的换刀过程分两步：1)调用T**指令，搜索刀库中的刀具，在加工过程就可以完成刀具的预选动作；2)使用M06指令完成刀具的交换动作。具体的换刀动作可以分解为如下步骤：刀库刀盘旋转完成刀具预选动作→主轴准定并到达换刀点→刀座向下旋转90°完成倒刀动作→刀臂旋转65°完成扣刀动作→机械手垂直向下运动完成拔刀动作→刀臂继续旋转180°完成刀具交换动作→机械手垂直向上运动完成装刀动作→刀臂继续旋转至360°完成回归定位动作→刀套向上旋转90°完成回归定位动作，至此整个换刀过程完毕[2-3]。

表2　VB-825圆盘式刀库主要参数

2机床硬件构建

VERICUT软件中，每一个仿真项目都有2个最基本的文件，一个是mch格式的机床文件，一个是ctl格式的系统文件。VERICUT软件自带的库中提供了大量的机床和系统文件样本供用户选配，但不能覆盖所有的机床及型号，难以实现某些特定机床或者复杂运动的准确仿真；因此，要想实现VB-825机床的精确仿真，应根据该机床的参数及功能自定义机床和系统。

图2　VB-825虚拟机床运动节点及对应Component类型

VERICUT软件自带的建模功能有限，因此，可以选择在其他三维软件进行建模然后再导入的方式。VERICUT软件支持导入的三维格式有IGES、STL等，本文选用SolidWorks作为建模软件[4]，选用STL作为导出文件格式。为了提高构建机床的效率，可以采用如下技巧：SolidWorks机床装配体通过另存为STL格式，一次性输出所有的STL格式的三维零件模型，然后把所有STL格式的模型通过“Project Tree”→“Setup”→“CNC Machine”→“Machine”→“Base”→“Add Model”一次性地全部导入VERICUT软件。根据机床的运动关系，在“Base”下添加运动节点，然后把对应的STL模型通过拖拽的方法添加到相应节点的Model，得到各节点运动拓扑关系及Component类型(见图2)。其中，VERICUT规定Tool_Chain中必须包含的格式为swp的零件，该格式是软件自带的建模功能中的一种扫描格式。在构建机床的过程中，各关键零部件的位置及坐标系的设置比较繁琐，而且很容易出错，巧妙地使用坐标系可以大大提高效率：一是在关键点建立坐标系，通过激活不同的坐标系来改变模型的参考系；二是在“Configure Model”→“Csys”中，使用“From”/“Move”/“to”把模型从一个坐标系移动到另一个坐标系来改变模型的位置。

3控制系统构建

VERICUT软件的仿真控制系统具有良好的适应性和可扩展性，可以自定义G指令、M指令及其他非标准功能。VERICUT软件库提供了多个数控系统厂商的控制文件，其中包含大部分FANUC控制系统版本，可以执行标准化的基本数控指令，但是一些特殊指令及复杂运动控制功能，还需要根据实际情况进行自定义。针对VB-825机床，以圆盘式刀库换刀运动控制功能为例，以FANUC 0M为模板，通过编写宏命令子程序来实现特殊控制功能定制。在txt格式中编写宏程序，保存后，后缀名改为sub格式，其主体关键部分及注释如下所示。通过“Configuration”→“Machine Settings”→“Subroutines”→“Add”添加该sub子程序到控制系统。在“Configuration”→“G-Code Processing”→“M_Misc”→“M6”添加宏命令“ToolChangeMachineSubroutine”，以在执行M6时调用名为“toolchange”的子程序。

CGTECH_MACRO "SubroutineSequence" "toolchange"(子程序名称为toolchange)

IF [#4120 EQ#1000] GOTO 99(变量4120：指令T后的数字；变量1000：主轴上刀具的刀具号)

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(主轴沿Z轴移动到达换刀点)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Pocket_Drop" -90(刀座向下旋转90°完成倒刀动作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Changer_Arm" 65(刀臂旋转65°完成扣刀动作)

CGTECH_MACRO "MountTool" "Tool_Select" #4120

CGTECH_MACRO "UnMountTool" "Tool_Preselect"

CGTECH_MACRO "UnloadToolToCompName" "Tool_Return"

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Tool_Changer" -117(机械手垂直向下移动-117完成拔刀动作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Changer_Arm" 245(刀臂继续旋转180°完成刀具交换动作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" "Tool_Changer" 0(机械手垂直向上运动完成装刀动作)

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(刀臂继续旋转至360°完成回归定位动作)

CGTECH_MACRO "ProcessCompNameValue" " Pocket_Drop " 0(刀套向上旋转90°完成回归定位动作)

CGTECH_MACRO "ToolChainFromCompName" "Tool_Preselect"

CGTECH_MACRO "ProcessTimeOnOff" "" 1

CGTECH_MACRO "RestoreUnits"

N99

CGTECH_MACRO "EndSub"

4结语

本文针对实训车间购置的台湾友嘉机床VB-825，探讨了VERICUT软件构建虚拟制造环境的一般方法和一些技巧，重点研究了通过编写宏命令子程序配置高级控制系统来完成复杂动作仿真的方法，通过1个简单加工实例(见图3)的仿真，验证了VERICUT软件虚拟机床VB-825的正确性。通过利用先进的虚拟制造技术构建虚拟机床进行数控仿真加工，为实训教学提供了计算机虚拟实训平台，不仅可以丰富教学手段，大大提高实训教学效率，还可以改善因设备昂贵、资金短缺而造成的学生多设备少的情况。

图3　VERICUT虚拟VB-825机床及验证实例

参考文献

[1] 黄新燕，李小宁.虚拟加工技术研究[J].机床与液压，2003(3)：119-144.

[2] 华红芳，邹晔，严勇，等.圆盘式刀库加工中心随机换刀系统的研究[J]. 机床与液压，2010, 38(18)：26-27.

[3] 龚志坚，冯培锋，闫勇刚.FMS环境下FANUC系统加工中心换刀机构故障分析[J]. 机床与液压，2012,40(16)：111-113.

[4] 王建军，吴海涛，刘泓滨.基于SolidWorks平台的切片机三维建模设计[J]. 新技术新工艺，2014(5)：13-15.

责任编辑彭光宇

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

作者简介：赵华(1984-)，女，讲师，硕士，主要从事数控技术和CAD/CAM等方面的研究。

中图分类号：TG 543

文献标志码:B