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基於 VERICUT 的 CKA6150 數控車床仿真研究

2017-12-12 來源：天津機電職業技術學院產學研中心作者：趙華，李（lǐ）衛兵

摘要：針對（duì）在企（qǐ）業生產和教育培（péi）訓領域廣泛使用的 CKA6150 數控（kòng）車床，在 VERICUT 中構建（jiàn）仿真模型，對仿真機床構建的一般方法和步驟進行探討，給出了構建過程（chéng）中的注意事（shì）項和一些實用技巧。以數控車床防護門及四工位回（huí）轉刀架的控製為（wéi）例，重點研究了通過（guò）宏命令子（zǐ）程序及特殊控製指令定製來控製機床（chuáng）部件運動的方法。通過一個仿真實例的運行（háng），驗證了所（suǒ）構建仿真機床的正確性（xìng），為宏（hóng）程序及其它複雜車削工件加工程序校（xiào）驗及教學培（péi）訓提供可靠的 CKA6150 仿真（zhēn）。

關（guān）鍵詞：；CKA6150 數控車床；宏命令（lìng）；仿真

VERICUT 是一款專業的數控加工仿（fǎng）真軟件，可以對（duì）各種數控加工設備的加工過程進行仿真，廣泛應用於生產和培訓（xùn）領域[1]。VERICUT為用戶提供了豐富的機床及係統樣本庫，但（dàn）尚不完善，數控車床案（àn）例缺乏，樣本機床（chuáng）形式單一，難以實現複雜運動的控製[2]。因此，本文針對數控臥式車床 CKA6150 進（jìn）行仿真研究，對構建仿真加工環境的一般方法和步驟進行探（tàn）討，對通過（guò）宏（hóng）命令子程序及自定義高級指令（lìng）來進行機床附件控製的方法進行（háng）重點研究。

1 、機床構建

CKA6150 數控（kòng）車床是大連機床廠生產（chǎn）的一款縱（Z）、橫（X）兩坐標控（kòng）製的數控臥式車床，配有華中世紀（jì）星的數控係統 HNC-21T。CKA6150 數（shù）控車床采用的是平床身結（jié）構，配有氣動卡盤和四工位回轉刀架，結構及主要組成部件（jiàn）如（rú）圖 1 所示。

圖 1 CKA6150 數（shù）控車床結構及主要部件

分析（xī） CKA6150 數控車床各部件之間的運動關係（xì），組合關係和相對位置關係，根據說明書中的幾何參數，在 Solid Works 軟件中建立簡化的機床 3D 模型如圖 2 所示。在（zài）建立裝配體時一定要注意繪圖（tú）區左下角（jiǎo）的坐標（biāo）係要和數控車床坐標係一致（笛（dí）卡爾直角坐標係），以便輸出的（de） STL 模型（xíng）在導入 VERICUT 後能夠配置（zhì）出正確的運動方向。

在 Solid Works 軟件中把整個 3D 模型裝（zhuāng）配（pèi）體另存為 STL 格式導入 VERICUT，進行機床各（gè）部件的功能配置。VERICUT 軟件提供了不同類型的 Component（組件），如 Base（床身）、Spindle（主軸（zhóu））、X Linear（X 軸）、Z Linear（Z 軸）、Turret（刀架）、Stock（毛坯）等。通過建立不同類型的 Component（組件）並（bìng）添加 3D 模型到某一類型的 Component（組件），對導入 VERICUT 的每一個（gè） 3D 模型進行（háng）功能配置。各個 Component（組件）之間可以設（shè）置從屬或者並列的關係，根據數控（kòng）車床各部件之間的實際運動層次關係建立 Project Tree（項目樹），即機床部件（jiàn）運動拓撲關係。CKA6150 數控車床 Project Tree（項目樹）及各部件名稱及Component（組件）類型如圖 3 所示。

圖（tú） 2 CKA6150 數控車床 3D 模型

圖 3 CKA6150 數控車床 Project Tree 簡圖

VERICUT 機床構建過程中，一個重要的環（huán）節是坐（zuò）標（biāo）係的建立及各部件坐標位置的（de）調整。VERICUT 中可以建立多個坐標係，並設置其中之一作為當前坐標，同時 VERICUT 還具（jù）有多個性質的坐標係，如 ZModel、ZComponent、ZMachine 等（děng）。每一個 Component（組件）都（dōu）有一個（gè）組件坐標係 ZComponent，它決（jué）定著該Component（組件）的運動方向。組件坐標係隨著 Component（組件）位置（zhì）的改變而改變。

Component（組件（jiàn））的位置及其（qí） Component（組件）下屬的（de） 3D 模型位置決定著屏幕上 3D 模型的實際位置，正確理解這一點，對正確構建仿真模型極其重要。對於四工位回轉刀架（jià） Turret可以借助 Configure Component＞Turret Aid 進行設置（zhì）。但是由於 VERICUT 默認的（de）回轉刀架回（huí）轉軸與（yǔ） Z 軸（zhóu）平行，這（zhè）時就需要沿 Turret 的組件（jiàn）坐（zuò）標係的 X 軸（zhóu）旋轉 90°，可以通過（guò） Configure Component＞Rotate＞Angles，設（shè）置旋轉角（jiǎo）度為（90 0 0），同時（shí）把 Turret 下（xià）屬的所有 3D 模型沿相反方向旋轉 90°，即設置旋轉角度為（-90 0 0），才能得到正確的回轉刀架運動。對於三爪卡盤，隻設置 U Linear（U 軸）一種 Component（組件），然後通過對相應組件坐標係的設（shè）置來調整卡爪的實際運動方（fāng）向（xiàng），這樣可以簡化控製係統的定義。具體操作方法為，複製 JAW1兩次，分別重命名為 JAW2 和 JAW3，通過Configure Component ＞ Rotate ＞ Angles 設置JAW2 的（de）旋轉（zhuǎn）角度為（0 0 120），JAW3 的旋轉角度為（0 0 -120）。

2 、係統配置

CKA6150 數控車床配置了華中（zhōng）世紀星的數控係統 HNC-21T。由於該係統（tǒng）與 FUNAC 係統非常相似，因此可以（yǐ）直接調用 FUNAC 0T 作（zuò）為模板進（jìn）行（háng）配置（zhì），下麵以機床（chuáng）防護門及三（sān）爪卡盤的控製為例，探討係統高級控製功能的配置。由於機床防護門（mén） DOOR1 和（hé） DOOR2 都采用了 Z Linear（Z 軸）作為（wéi） Component（組件（jiàn））類型，為了加以區分，通（tōng）過 Configure Component＞Component＞Sub System 進行 Sub System 的ID 設置，分別設置為 DOOR1 和 DOOR2。本文采用（yòng）在 NC Subroutines 添加子程序，在數（shù）控（kòng）程序調（diào）用子（zǐ）程（chéng）序（xù）的方式實現控製，例如關門子程（chéng）序及注釋如下所示。

對於三爪卡盤，由（yóu）於已經通過（guò）對相（xiàng）應（yīng）組件坐標係的設（shè）置，使每一個卡爪的運動方向 U 和整個機床的 X 方向平行，因（yīn）此可以通過統一的指令設置來實現三個卡爪的同（tóng）時（shí）向心運動。任何數控編碼（指令、變量及字符）都必須首先進（jìn）行字格式的預定義，才能被虛擬數控係統識別和解（jiě）釋[3]。通過 Configuration＞Word Format＞Add 對卡盤控製所需的字格式（shì）進行定義，如（rú）圖 4所示。

圖 4 字格式的定義

字格式定義之（zhī）後，通過 Configuration＞G-Code Processing＞Add 對這（zhè）些（xiē）字的功能進行配置。由於三爪卡盤的初始（shǐ）狀態是（shì）張（zhāng）開的極限位置，因此卡（kǎ）爪鬆開控（kòng）製時，卡爪相對（duì）初始位置（zhì）無需移動，通過字（zì） OPEN 調（diào）用 VERICUT 的宏命令 UAxis Machine Motion（U 軸移動）使卡爪沿各自組件坐標係的 X 軸移動（dòng）距離為 0；卡爪夾緊控製時，通過字 CLOSE 調用宏命令UAxis Machine Motion 使卡爪沿各自組（zǔ）件坐標係的 X軸（zhóu）移動，調用宏命（mìng）令 Component Name（接觸到（dào）的零件名稱（chēng））及 Touch（保持運動直到接觸到某工件）使爪接觸到 Stock（工件）後停止運動（dòng）。具體定義如圖 5 所示，指令 OPEN CHUCK 使（shǐ）卡爪鬆開，指令 CLOSE CHUCK 使卡爪夾緊工件。

圖 5 卡爪控製（zhì）指令配置

圖 6 仿真實例驗證結果

3 、結語

基於 VERICUT 虛擬加工仿真軟件（jiàn），本文構建了 CKA6150 數控（kòng）車床，介紹（shào）了仿（fǎng）真機（jī）床構建的一般方法和步驟，探討了構建過程中一些實用技巧，重點研究（jiū）了子程序及特殊控（kòng）製指（zhǐ）令的定製方法，給出了數控車床防護門和四工位回轉刀架的控製指令的配置方法。在（zài）該仿真機（jī）床上對一個外輪（lún）廓車削的教學實例進行仿（fǎng）真（zhēn）加工，程序運行前後如圖 6 所示，驗證了本文所構（gòu）建的仿（fǎng）真機床的正確性。

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