陸龍福，趙世田

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北黃岡438002)

基于UG NX的數(shù)控機(jī)床多軸加工碰撞仿真研究

陸龍福，趙世田

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北黃岡438002)

對數(shù)控編程計(jì)算機(jī)碰撞仿真加工進(jìn)行分析和研究：通過在UG NX中進(jìn)行二次開發(fā)，探討了在UG NX中開發(fā)數(shù)控機(jī)床切削仿真加工環(huán)境的方法，并以DMU 70cV萬能數(shù)控銑五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為例，詳細(xì)介紹了在UG NX中對特殊結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床的切削仿真加工環(huán)境進(jìn)行開發(fā)的方法，開發(fā)了DMU 70eV在UG NX中的碰撞仿真加工環(huán)境。

數(shù)控機(jī)床;多軸加工;碰撞仿真

碰撞仿真的重點(diǎn)是機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的空間位置關(guān)系。檢查機(jī)床運(yùn)動(dòng)是否出現(xiàn)碰撞、干涉等現(xiàn)象，適用于機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件相對運(yùn)動(dòng)狀況比較復(fù)雜，難以用傳統(tǒng)的方法檢查和控制的三軸以上數(shù)控加工。實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中數(shù)控加工存在的碰撞問題主要有：機(jī)床主軸與工作臺(tái)、夾具的干涉等。未經(jīng)檢驗(yàn)的錯(cuò)誤的數(shù)控加工程序可能會(huì)導(dǎo)致加工出報(bào)廢的產(chǎn)品，嚴(yán)重的情況會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)事故，例如折斷刀具、撞壞機(jī)床的主軸或銑削了機(jī)床工作臺(tái)，更嚴(yán)重的情況甚至?xí)＜暗讲僮魅藛T的生命安全等。下面將從三個(gè)方面對數(shù)控機(jī)床多軸加工碰撞仿真進(jìn)行論述。

1 UG NX模擬數(shù)控仿真加工的建立

UG NX當(dāng)中提供了結(jié)構(gòu)比較簡單的機(jī)床的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，可以進(jìn)行碰撞仿真加工，首先建立DMU 70eV機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，然后建立其虛擬控制器，再將機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型集成到UG NX集成系統(tǒng)中，最后實(shí)現(xiàn)在UG NX集成系統(tǒng)中建立工件實(shí)體模型、進(jìn)行刀路規(guī)劃與切削仿真，調(diào)用機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行碰撞仿真，模擬數(shù)控機(jī)床加工進(jìn)行加工程序的驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后傳輸加工程序至數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)加工，從而真正實(shí)現(xiàn)CAD/CAM一體化技術(shù)的無縫集成。

下面將以DMU_70eV加工中心為例介紹建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的方法和過程。

1.1 機(jī)床模型化與機(jī)床建模

通過分析DMU_70eV的機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對機(jī)床各運(yùn)動(dòng)組件模型化并建立機(jī)床模型，機(jī)床模型共包括六部分運(yùn)動(dòng)組件，分別是：機(jī)床床身、X軸運(yùn)動(dòng)組件、Y軸運(yùn)動(dòng)組件、Z軸運(yùn)動(dòng)組件、B軸運(yùn)動(dòng)組件和C軸運(yùn)動(dòng)組件。

1.2 機(jī)床零件建模與裝配機(jī)床模型

在UG NX中分別建立機(jī)床六個(gè)運(yùn)動(dòng)組件的零件實(shí)體模型并分別存儲(chǔ)，各部分運(yùn)動(dòng)組件及其對應(yīng)零件名如下：

(1)機(jī)床的床身machine_base.prt

(2)機(jī)床的X軸運(yùn)動(dòng)組件x_slide.prt

(3)機(jī)床的Y軸運(yùn)動(dòng)組件y_slide.prt

(4)機(jī)床的z軸運(yùn)動(dòng)組件z_slide.prt

(5)機(jī)床的B軸運(yùn)動(dòng)組件b_slide.prt

(6)機(jī)床的c軸運(yùn)動(dòng)組件c_slide.prt

新建一個(gè)機(jī)床裝配模型文件DMU_70eV 5.Axis_assetll title B_axis.prt，進(jìn)入 UG NX 的裝配模塊，采用從底向上的設(shè)計(jì)方法建立機(jī)床裝配模型。

1.3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的設(shè)置

打開機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型零件DMU_70eV_zsq.prt進(jìn)入機(jī)床構(gòu)建器模塊。打開機(jī)床導(dǎo)航條看到機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的名字No_name，將其重新命名為DMU_70EV、FIVE-AX、BC-TAB、XYZBC，命名規(guī)則含義如表1。

表1 機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型命名規(guī)則含義

1.4 虛擬裝配工件組的建立

虛擬裝配工件組是指我們在機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型中預(yù)留了零件、毛坯和夾具在機(jī)床中的裝配位置，這樣在調(diào)入機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行程序代碼模擬加工時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零件、毛坯和夾具與機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的自動(dòng)裝配。

創(chuàng)建一個(gè)由虛擬的零件、毛坯和夾具構(gòu)成的裝配工件組SETUP。裝配工件組下包括的組件有：工件PART、毛坯BLANK和夾具FIXTURE。在C_SLIDE組件下面插入一個(gè)運(yùn)動(dòng)組件SETUP，采用同樣的方式在 SETUP下面創(chuàng)建 PART、BLANK和FIXTURE三個(gè)運(yùn)動(dòng)組件。

選擇SETUP右鍵點(diǎn)擊，對其迸行分類，選擇SETUP_ELEMENT，同樣的方式對其包含的三個(gè)組件進(jìn)行分類，經(jīng)過分類后它們的類型如下：

PART：PART 和 SETUP_ELEMENT;

BLANK：WORKPIECE和SETUP_ELEMENT;

F1XTLIRE：SETUP_ELEMENT。

1.5 機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型聯(lián)接點(diǎn)的建立

該機(jī)床需要?jiǎng)?chuàng)建聯(lián)接點(diǎn)主要有以下幾個(gè)：機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn) MACHINE_ZERO、刀具裝配聯(lián)接點(diǎn)TOOL_MOUNT_JCT、兩個(gè)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)聯(lián)接點(diǎn)ROT_C_ZSQ和ROT_B_ZSQ(B和c軸的旋轉(zhuǎn)中心)以及裝配工件組與機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型自動(dòng)裝配聯(lián)接點(diǎn)PART_MOUNT_JUNCTION_ZSQ。1.6 機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)軸的建立

創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸，即對機(jī)床進(jìn)行各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的分配，DMU_70eV萬能數(shù)控銑是五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，需要建立的運(yùn)動(dòng)軸是X、Y、Z、B和C軸，以及它們的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)等。

首先建立x軸，右鍵點(diǎn)擊X SLIDE，選擇insert-axis，輸入名字x，選擇直線運(yùn)動(dòng)軸x軸的參考基準(zhǔn)聯(lián)接點(diǎn)，三個(gè)直線軸均參考聯(lián)接點(diǎn)機(jī)床原點(diǎn)MACHINE ZERO，選擇聯(lián)接點(diǎn)處的坐標(biāo)系的方向?yàn)?x向，定義該軸類型為直線軸，輸入機(jī)床該軸的運(yùn)動(dòng)范圍上限750和下限0。

類似的方法建立了Y、z、B和c軸，完成機(jī)床坐標(biāo)軸的建立，其中B、c軸的類型為旋轉(zhuǎn)軸，參考機(jī)床的聯(lián)接點(diǎn)分別為ROT_B_ZSQ和ROT_C_ZSQ，最終完成DMU_70eV萬能數(shù)控銑五軸聯(lián)動(dòng)加工中心機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的建立。

2 裝配工件組與機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的自動(dòng)裝配

為了實(shí)現(xiàn)裝配工件組與機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的自動(dòng)裝配，需要做如下工作：

1、首先建立零件模型，可采用UG NX或者其它CAD/CAM集成軟件系統(tǒng)已建立好的零件實(shí)體模型;

2、建立零件毛坯模型，建立夾具零件模型，夾具零件模型建立一次即可，每次根據(jù)需要選用;

3、新建一個(gè)文件夾，將零件模型文件、毛坯模型文件、夾具組文件等都放置到在該文件夾，新建立一個(gè)裝配文件名asm.part_blank，將零件、毛坯和夾具組等都裝配起來;

4、建立一個(gè)加工部件名 my_test.prt，將裝配文件作為一個(gè)部件裝配進(jìn)入加工部件，然后進(jìn)入加工模塊，創(chuàng)建工件的所有加工操作，完成了零件所有的粗加工、半精加工和精加工等操作，生成刀軌，存儲(chǔ)加工部件名my_test.part;

5、建立裝配工件組，在機(jī)床導(dǎo)航條中的設(shè)置配置器下點(diǎn)擊no_name，插入一個(gè)組件setup，在其下建立三個(gè)組件part、blank和fixture，并分別選擇幾何體，也就是圖形區(qū)中的零件、毛坯和夾具;對組件進(jìn)行分類→設(shè)置裝配工件組與機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型→實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的聯(lián)接點(diǎn)part_motmt jct，一般選擇角點(diǎn)、圓心、對稱中心點(diǎn)等;

6、在操作導(dǎo)航工具條下的刀具組中雙擊GENERIC MACHINE，選擇 replacemachine，在機(jī)床工具庫中選擇銑床類mill并雙擊，在銑床類列表中選擇新建的機(jī)床DMU 70eV zsq，替換機(jī)床對話框顯示，選擇自動(dòng)將裝配工件組定位到機(jī)床模型或者自動(dòng)定位機(jī)床模型到工件組;

7、選擇自動(dòng)將裝配工件組定位到機(jī)床模型，則裝配工件組自動(dòng)的將我們在加工部件的裝配工件組中定義的聯(lián)接點(diǎn)part_mountjct與機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型中定義的part_mountjet重合，也就是將兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，對應(yīng)的坐標(biāo)軸方向一致，這樣裝配工件組中的零件、毛坯和夾具組就自動(dòng)的定位到機(jī)床工作臺(tái)上，從而省去了手工定位的麻煩，也可以根據(jù)零件實(shí)際裝夾情況手動(dòng)定位裝配工件組。如果定位不合適，或者模擬產(chǎn)生碰撞和干涉問題，可以再重新定位裝配工件組，直到?jīng)]有碰撞和干涉問題為止。

3 利用機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型對數(shù)控加工程序進(jìn)行碰撞仿真分析

在數(shù)控模擬仿真模型建立完成后，通過UG軟件生成模型加工仿真模擬，如圖1所示，通過產(chǎn)生的模擬控制面板如圖2所示，進(jìn)行碰撞和干涉問題的檢測。

圖1 葉片模型模擬加工

圖2 模擬控制面板

仿真模擬加工最重要的一項(xiàng)就是進(jìn)行碰撞和干涉問題的檢測。UG NX模擬中有碰撞配置選項(xiàng)，可以配置要檢測碰撞和干涉問題的檢測對象，(如圖2所示)，通常的碰撞和干涉檢測對象是機(jī)床主軸和機(jī)床上面的夾具或者工作臺(tái)之間的碰撞，首先從圖形區(qū)選擇碰撞和干涉檢測對的第一組組件，完成后激活第二組組件選項(xiàng)，選擇組件，設(shè)置好檢測安全距離，比如兩者之間的距離達(dá)到1mm時(shí)就認(rèn)為是兩者發(fā)生了碰撞和干涉，所以模擬系統(tǒng)就發(fā)出警告信息，將警告信息顯示在信息窗口，并彈出對話框等待確認(rèn)是繼續(xù)進(jìn)行加工模擬還是終止模擬。在模擬加工過程中如果發(fā)生碰撞和干涉運(yùn)動(dòng)，信息窗口會(huì)顯示出發(fā)生碰撞和干涉問題的代碼程序段，由此就可以判斷出發(fā)生碰撞和干涉問題的原因，例如：

信息：Clearance SPINDLE/FIXTURE@N412 G01X4.0709 Z1.0431

通過程序窗口的上一句程序和本句程序可以判斷出，是Z向發(fā)生了碰撞和干涉，這是由于刀具長度不夠所引起的碰撞和干涉，可以重新選擇刀具，然后重新生成程序再模擬加工。

如果是由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)超程問題，例如Z向超程，則根據(jù)信息顯示和加工程序，可以判斷出超程的距離，從而參照這個(gè)距離將工件在機(jī)床工作臺(tái)上進(jìn)行重新定位，然后再模擬加工程序。

［1］王慶林，李莉敏等.UG CAM應(yīng)用案例集(NX 版)［M］.北京：清華大學(xué)出版杜，2003.

［2］陳漢軍.雕塑曲面多坐標(biāo)數(shù)控編程的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，1996.

［3］胡寅亮，熊濤等.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的后置處理方法［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003，22(增刊)：175 ～177.

［4］劉日良，張承瑞等.5軸數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)特例及其后置處理方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2002，31(3)：61 ～62.

Research on Multi-Axis Machining Crash Simulation Based on UGNXCNC Machine Tools

LU Long-fu，ZHAO Shi-tian
(Huanggang Polytechnic College Huanggang 438002 Hubei)

Analysis and research on multi-axis machining crash simulation based on UG NX CNC machine tools：through the second development of UG NX，the author discussed about the methods of the processing environment simulation in UG NX cutting CNC machine tools，taking the DMU 70cV universal five-axis CNC milling processing center as an example，described in details the methods of the processing environment simulation in UGNX cutting CNC machine tools，developed the DMU 70eV crash simulation processing environment collision in UG NX.

CNC machine tools;Multi-axis machining;Crash simulation

TP272

B

1672-1047(2011)05-0096-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2011.05.25

2011-09-08

陸龍福，男，貴州人，工程師。研究方向：模具設(shè)計(jì)及制造。

［責(zé)任編輯：倪祥明］