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VNUC數(shù)控虛擬仿真技術(shù)在FANUC車削系統(tǒng)的典型應(yīng)用
鄧宇翔
（昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 云南 昆明650093）
摘要：本文介紹了VNUC數(shù)控虛擬仿真技術(shù)在FANUC車削系統(tǒng)的應(yīng)用技巧及方法步驟，并運(yùn)用典型的加工實(shí)例進(jìn)行了仿真加工及其編程。
關(guān)健字：VNUC 虛擬仿真 數(shù)控 FANUC 編程
Typical Application to VNUC Virtual Simulation of Numerical Control Technology in FANUC Cutting Metal System
Deng Yuxiang
(Electrical and Mechanical Engineering Faculty , KMUST, Kunming, China 650093)
Abstract: Introduction to VNUC Virtual Simulation of numerical control techniques and process in FANUC cutting Metal System, and introduction to simulation method and programme by typical instances.
Keywords: VNUC, Virtual Simulation, CNC, FANUC, Programme
0 引言　　
數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的基本設(shè)備；是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；VNUC數(shù)控虛擬仿真主要應(yīng)用于數(shù)控加工程序的驗(yàn)證、數(shù)控機(jī)床模擬加工，廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)過程，VNUC采用了先進(jìn)的三維顯示和擬虛現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以驗(yàn)證和檢驗(yàn)NC程序中存在的碰撞、干涉、過切、欠切、切削參數(shù)不合理等問題。本文作者結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)說明了VNUC數(shù)控虛擬仿真在FANUC車削系統(tǒng)零件加工的具體應(yīng)用。
1 編程方法
數(shù)控編程方法有手工編程和自動(dòng)編程兩種。從零件圖樣分析、工藝處理、數(shù)值計(jì)算、編寫程序單、制作控制介質(zhì)直至程序校驗(yàn)等各步驟均由人工完成的過程，稱為“手工編程”。手工編程適應(yīng)于點(diǎn)位加工或幾何形狀不太復(fù)雜的零件、程序編制坐標(biāo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單、程序段不多、程序編制易于實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的零件(尤其是空間曲面組成的零件)，以及幾何元素不復(fù)雜但需編制程序量很大的零件，由于編程時(shí)計(jì)算數(shù)值的工作相當(dāng)繁瑣，工作量大，容易出錯(cuò)，程序校驗(yàn)也較困難，用手工編程難以完成，因此要采用自動(dòng)編程。
自動(dòng)編程也稱為計(jì)算機(jī)(或編程機(jī))輔助編程。即程序編制工作的大部分或全部由計(jì)算機(jī)完成。如完成坐標(biāo)值計(jì)算、編寫零件加工程序單、自動(dòng)輸出加工程序單，有時(shí)甚至能幫助進(jìn)行工藝處理工作。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜，尤其是需要用三軸以上聯(lián)動(dòng)加工的空間曲面組成的零件，自動(dòng)編程編出的程序還可通過計(jì)算機(jī)或自動(dòng)繪圖儀進(jìn)行刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的圖形檢查。因此編程人員可以及時(shí)檢查程序是否正確，并及時(shí)修改。
但同時(shí)我們也要看到，手工編程是自動(dòng)編程的基礎(chǔ)，無論科技發(fā)展如何，自動(dòng)編程中許多核心經(jīng)驗(yàn)都來源于手工編程，兩者相輔相成。
2 編程步驟
數(shù)控編程是指從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全部工作過程。編程工作主要包括：
具體工作流程詳見表1
鄧宇宇翔（1978~）， 男，2006級(jí)碩士研究生，研究方向：數(shù)控加工、數(shù)控仿真加工技術(shù)、
表1
面對(duì)零件加工，首先應(yīng)對(duì)零件圖紙分析，確定加工工藝過程，在進(jìn)行數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行以下幾方面的工作：數(shù)控加工工藝內(nèi)容的選擇； 數(shù)控加工工藝性分析； 數(shù)控加工工藝路線的設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)零件來說，并非全部加工工藝過程都適合在數(shù)控機(jī)床上完成,而往往只是其中的一部分工藝內(nèi)容適合數(shù)控加工。這就需要對(duì)零件圖樣進(jìn)行仔細(xì)的工藝分析，選擇那些適合、需要進(jìn)行數(shù)控加工的內(nèi)容和工序。
其次，應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，絕大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)都帶有刀補(bǔ)功能，只需計(jì)算輪廓相鄰幾何元素的交點(diǎn)(或切點(diǎn))的坐標(biāo)值，得出各幾何元素的起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓弧的圓心坐標(biāo)值即可。后，根據(jù)計(jì)算出的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)值和已確定的加工參數(shù)及輔助動(dòng)作，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定使用的坐標(biāo)指令代碼和程序段格式，逐段編寫零件加工程序單，并輸入存儲(chǔ)器中。具體步驟見表2
表2編程步驟
3典型實(shí)例分析
圖1零件圖樣
如圖所示零件，材料為45#鋼，有直徑25的內(nèi)孔棒料，小批量生產(chǎn)，使分析其數(shù)控車削加工工藝過程。
3.1工藝分析過程
首先，零件圖的工藝分析，包括零件圖的標(biāo)注正確性、輪廓描述的完整性及必要的工藝措施等。在這里，我們的仿真軟件，是理想化的把加工零件的尺寸調(diào)整為完全沒有誤差，所以零件圖我們通常都不標(biāo)注公差。在正常情況下，是沒有這種可能的，所以在零件圖的工藝分析過程，請(qǐng)用戶注意這一點(diǎn)。
該零件比較簡(jiǎn)單，由外圓柱面、順圓弧構(gòu)成，其中直徑尺寸與軸向尺寸沒有尺寸精度和表面粗糙度的要求。零件材料為45#鋼，切削加工性能較好，沒有熱處理和硬度要求。
通過上述分析，采取以下幾點(diǎn)工藝措施：
1)零件圖上面沒有公差尺寸，完全看成是理想化的狀態(tài)，故變成的時(shí)候就直接按照零件圖上面的尺寸變成即可。
2)兩端都需要加工，左右端都需要車出來，所以需要掉頭裝夾。
3)左端有薄壁，所以應(yīng)該先加工右端，次裝夾，應(yīng)該先夾住左端，加工出來右端。
其次，確定裝夾方案。外輪廓加工的時(shí)候，由于左端有薄壁，所有需要先加工右面，這就需要用三抓自動(dòng)定心卡盤夾緊左端。
第三，確定加工順序及走刀路線。加工順序的正確安排，按照由內(nèi)到外、由粗到精、由近到遠(yuǎn)的原則確定，在一次加工中盡可能的加工出來較多的表面。又去該零件為單件小批量生產(chǎn)，走刀路線設(shè)計(jì)不必考慮短進(jìn)給路線或者短空行程路線，外輪廓表面車削走刀路線可沿著零件輪廓順序進(jìn)行。
第四，刀具的選擇。兩次裝夾中，其中只有外輪廓、順圓，可以選擇45度硬質(zhì)合金端面車道，由于有順圓，可以選擇72°30″右手偏刀。
第五，切削用量的選擇。切削用量的選擇一般根據(jù)毛坯的材料、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、刀具的剛度等因素選擇。
第六，數(shù)控加工工藝卡的擬定。將前面分析的各項(xiàng)內(nèi)容綜合成數(shù)控加工工藝卡片，在這里就不做詳細(xì)的介紹，用戶在做具體的實(shí)際加工過程中必須要有這個(gè)。
3.2 加工程序
根據(jù)零件圖編寫程序如下（程序以FANUC為例）：
1)次裝夾：
%
O0002
N10 T0101
N20 G01 X70 Z10 M03 F200;
N30 G71 P40 Q90 U1 W1 F300;
N40 G01 X60;
N50 Z-20 ;
N60 X65;
N70 Z-30;
N80 X70;
N90 G00 Z10;
N100 M03 ;
N110 M05 ;
%
2)第二次裝夾：
%
O0001
N10 G54
N20 G01 X70. Z10. F200 M03;
N30 G71 P40 Q110 U1 W1 F200;
N40 G01 X36 ;
N50 Z-30 ;
N60 X50 ;
N70 Z-40;
N80 X53.066;
N90 G03 U60 W-14 R30 ;
N100 G01 X70 ;
N110 G00 Z10 ;
N120 M30;
N130 M05;
%
4 VNUC虛擬仿真加工
4.1選擇機(jī)床
進(jìn)入虛擬仿真后，選擇相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，主要參數(shù)的選擇是根據(jù)機(jī)床的工作行程，機(jī)床功率來進(jìn)行參照。
圖2參數(shù)設(shè)置
4.2機(jī)床回零點(diǎn)
數(shù)控車床通電后，須進(jìn)行回零（參考點(diǎn)）操作，其目的是建立數(shù)控車床進(jìn)行位置測(cè)量、控制、顯示的統(tǒng)一基準(zhǔn)，該點(diǎn)就是所謂的機(jī)床原點(diǎn)，它的位置由機(jī)床位置傳感器決定。由于機(jī)床回零后，刀具（刀尖）的位置距離機(jī)床原點(diǎn)是固定不變的，因此，為便于對(duì)刀和加工，可將機(jī)床回零后刀尖的位置看作機(jī)床原點(diǎn)。首先把加電開關(guān)，彈開急停按鈕，點(diǎn)擊jog，在jog狀態(tài)下面點(diǎn)擊置零按鈕，然后，就可以調(diào)節(jié)z軸正向、x軸正向的控制按鈕進(jìn)行回零了。
4.3 安裝工件和工藝裝夾

圖3毛坯設(shè)置

按照對(duì)話框提示，填寫工件要求的數(shù)值，材料特性，并且設(shè)置相對(duì)應(yīng)的裝夾方式，同時(shí)用戶可以根據(jù)材料特性（屈服強(qiáng)度、塑性、硬度）調(diào)整毛坯的位置，避免加工中發(fā)生崩刃和工件折彎得現(xiàn)像。如圖3所示。
4.4 安裝刀具
根據(jù)工藝流程和車刀刀庫，選擇相對(duì)應(yīng)的刀具，選擇好的刀具，不僅可以提高加工效率，而且可以降低成本，我們可以根據(jù)切削三要素切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量再結(jié)合刀具手冊(cè)來選擇適合自己的刀具，同時(shí)根據(jù)工藝需要選擇相應(yīng)刀柄系統(tǒng)。
圖4刀具選擇
4.5建立工件坐標(biāo)系
編程員按程序坐標(biāo)系中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)編制刀具（刀尖）的運(yùn)行軌跡。由于刀尖的初始位置（機(jī)床原點(diǎn)）與程序原點(diǎn)存在X向偏移距離和Z向偏移距離，使得實(shí)際的刀尖位置與程序指令的位置有同樣的偏移距離，因此，須將該距離測(cè)量出來并設(shè)置進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，使系統(tǒng)據(jù)此調(diào)整刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡。
對(duì)刀，其實(shí)質(zhì)就是側(cè)量程序原點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)之間的偏移距離并設(shè)置程序原點(diǎn)在以刀尖為參照的機(jī)床坐標(biāo)系里的坐標(biāo)。
為了計(jì)算和編程的方便，通常將程序原點(diǎn)設(shè)定在工件右端面的回轉(zhuǎn)心上，盡量使編程基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)、裝配基準(zhǔn)重合。首先，打開主軸進(jìn)入正轉(zhuǎn)，在控制面板里面選擇入jog狀態(tài)，調(diào)節(jié)z軸正向和x軸正向，先平一下端面，平完端面之后，我們用試切法對(duì)刀，先用一號(hào)刀在工件端面試切，如圖6
圖5對(duì)刀
測(cè)量出試切毛坯直徑72.133這個(gè)直徑值，如圖7
圖6測(cè)量毛坯
此時(shí)，假設(shè)把工件坐標(biāo)系定在工件右端面中心。
點(diǎn)擊OFSET SETTING選擇項(xiàng)，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的偏置量。
圖7偏置設(shè)置
然后點(diǎn)擊“補(bǔ)正”下面的按鈕所出現(xiàn)的畫面如下圖所示：
將光標(biāo)移動(dòng)到“G 01”行段，在輸入?yún)^(qū)域內(nèi)輸入“X72.133”點(diǎn)擊軟件“測(cè)量”即可，切削端面后，在輸入?yún)^(qū)域內(nèi)輸入“Z0”即可。這樣就建立了工件坐系。程序加工時(shí)就會(huì)從目前設(shè)置的工件原點(diǎn)進(jìn)行加工。輸入后如圖8所示
圖8參數(shù)設(shè)置
4.6上傳NC語言
首先，將控制面板調(diào)整到自動(dòng)狀態(tài)，然后，選擇“文件/加載NC代碼文件”，會(huì)出現(xiàn)這樣的對(duì)話框，到存放代碼文件夾中找尋代碼文件（即用戶口編寫的程序，此代碼文件路徑是個(gè)人規(guī)定的），找到文件后，雙擊，代碼自動(dòng)出現(xiàn)在電腦顯示窗口中。
圖9 NC代碼上傳
4.7自動(dòng)加工
圖10 仿真加工
調(diào)用完成程序，完成置零和對(duì)刀，設(shè)置好相對(duì)應(yīng)的偏置量，此時(shí)檢查倍率和主軸轉(zhuǎn)速按鈕，后開啟循環(huán)啟動(dòng)按鈕。我們可以看到虛擬仿真的過程，并在加工過程中來發(fā)現(xiàn)是否有超程，過切，欠切等現(xiàn)像，根據(jù)加工反饋的信息，及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整。
5 結(jié)束語
要實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，虛擬仿真加工是關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。將工藝專家或技工的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，來優(yōu)化的數(shù)控編程方案，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平，通過虛擬仿真縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。熟練掌握VNUC的功能后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它不僅能對(duì)NC程序進(jìn)行仿真、驗(yàn)證、分析及優(yōu)化，而且能真實(shí)的模擬出各種數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床、刀具、毛坯等數(shù)控加工工藝系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
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ADEPT TECH 90338-51010 USPP 9033851010
ADEPT TECH 10310-44530-A1 USPP 1031044530A1
ADEPT TECH 10310-54020 USPP 1031054020
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ADEPT TECH 90963-10210 NSFP 9096310210
ADEPT TECH PN# 10332-00500 VJI MODULE JOINT INTERFACE MODULE REV. A
ADEPT TECH 10310-42100 USPP 1031042100
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Adept Tech 10332-10250 VGB Robot Board Control Module
Adept Tech Binary I/O Board 1031058010 #13991
ADEPT TECH 30330-12470 NSPP 3033012470
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ADEPT TECH 10840-42160 NSPP 1084042160

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