陳振國

摘 要：五軸聯(lián)動數(shù)控機床是專門用于加工復(fù)雜曲面的機床，科技含量高、精密度高，但現(xiàn)階段，使用的五軸數(shù)控仿真系統(tǒng)通常只有二維動畫仿真，且整個仿真系統(tǒng)的幾何功能有所限制，加工零件和機床模型必須借助其他CAD軟件才能建模，整個模型的仿真精度不高?；赨G軟件創(chuàng)建五軸數(shù)控機床仿真模型，能夠準確讀出數(shù)控代碼，并未機床的各個部件實施三維仿真，同時對零件加工環(huán)節(jié)機床各部件之間的干涉進行檢查，為合理修改刀具軌跡提供可靠依據(jù)，避免因文件格式轉(zhuǎn)化導(dǎo)致仿真精度降低的情況。

關(guān)鍵詞：UG軟件 數(shù)控加工 仿真分析 三維數(shù)控

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0072-02

數(shù)控技術(shù)是一種基于電腦程序控制機器對機械零件進行加工的過程，與傳統(tǒng)機床相比，數(shù)控加工具有加工精度高、可加工復(fù)雜、不規(guī)則零件、效率高、可實現(xiàn)多軸同時加工等多個優(yōu)點，經(jīng)過多年發(fā)展，目前在零件加工領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。五軸聯(lián)動數(shù)控機床有高效率、高精度的特點，其出現(xiàn)適應(yīng)了現(xiàn)代加工的要求。但加工過程中可出現(xiàn)碰撞、過切等，影響到零件加工質(zhì)量。UG是綜合CAD/CAE/CAM為一體的參數(shù)化軟件，運用UG對五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工過程進行模擬仿真分析，能夠更好地檢驗數(shù)控機床操作的正確性，保證數(shù)控程序的可行性，滿足零件加工的要求。

1 虛擬數(shù)控機床仿真

數(shù)控機床加工過程中，為保證數(shù)控編程的正確性，需對程序進行檢驗。傳統(tǒng)的零件程序檢驗主要是采用“空運行”或“試切”的方法，但前者只能粗略地估計機床運動的正確性，后者雖較為精確，但需要耗費材料和時間，成本較高，效率低，還存在一定的安全隱患。

虛擬數(shù)控機床是以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)隨著虛擬制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來，利用虛擬數(shù)控機床可實現(xiàn)數(shù)控機床生產(chǎn)全過程的模擬仿真分析，通過虛擬環(huán)境下的數(shù)控機床加工全過程仿真分析，能夠較為精確地對零件程序進行檢驗，發(fā)現(xiàn)其中的錯誤，有效地避免現(xiàn)實生產(chǎn)中存在的刀具干涉、碰撞及過切、欠切等問題，提高數(shù)控加工的質(zhì)量，且仿真分析過程中不需要使用真實的材料，速度更快、效率更高、成本更低，有利于實現(xiàn)制造系統(tǒng)的集成[1]。UG是當前較為流行的三維模具設(shè)計軟件，在虛擬數(shù)控仿真分析中，CAD/CAM軟件只能對道具路徑進行仿真，而運用UG，可將三維設(shè)計與數(shù)控仿真加工結(jié)合在一起，彌補CAD/CAM的不足，更好地對零件程度進行檢驗。

2 UG在數(shù)控仿真中的應(yīng)用

利用UG進行數(shù)控仿真分析的過程主要包括基于UG的數(shù)控編程和基于UG的數(shù)控加工過程。在UG系統(tǒng)中，CAM BASE是所有加工制造模塊的基本框架，其有著強大的刀具軌跡生成方法，基于UG的數(shù)控編程過程主要包括設(shè)置CAM環(huán)境、選擇道具、建立父節(jié)點、創(chuàng)建操作、生成和檢驗刀軌等過程。

設(shè)置加工環(huán)境是UG數(shù)控仿真中創(chuàng)建操作的基礎(chǔ)，啟動UG/CAM模塊后，在“Machining Enviroment”對話框中制定加工環(huán)境，通過選擇相應(yīng)的配置（cam general）確定設(shè)置的類型和操作的類型，再選擇相應(yīng)的設(shè)置（mill multi-axis），完成CAM環(huán)境的設(shè)置。

在設(shè)置好的CAM環(huán)境中，選擇“operation Navigator”，切換到Machine Tool視圖，根據(jù)數(shù)控加工工藝的實際需求，從UG刀庫中調(diào)出相應(yīng)的刀具；

父節(jié)點組的創(chuàng)建包括創(chuàng)建幾何體、設(shè)置加工坐標體系和安全平面、選擇加工及參數(shù)配置等，數(shù)控加工中幾何模型一般包括零件、毛坯、夾具，構(gòu)成兩個包含了引用零件信息的裝配主模型。主模型只可讀，不能進行修改，其作用主要是對零件設(shè)計標準進行保護，編程人員可通過對裝配文件的修改對幾何模型進行裝配；完成幾何體的建立后，進入Geometry視圖，選擇“MCS”打開“MILLORIENT”，對加工坐標系原點和安全平面的位置進行設(shè)置；在切換到Method視圖，選擇數(shù)控加工的所需的加工方法，如精加工、粗加工等，在激活的設(shè)置窗口中，對加工余量、內(nèi)外公差等參數(shù)進行設(shè)置。

操作的創(chuàng)建主要包括設(shè)置操作類型和設(shè)置切削參數(shù)兩個內(nèi)容，主要是根據(jù)實際需求，設(shè)置父幾何體、刀具及加工過程中的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)創(chuàng)建的操作，UG可生成刀軌，并采用圖形化的方式顯示刀軌。數(shù)控編程人員可采用靜態(tài)材料去除、動態(tài)材料去除或高級重放等方法對刀軌進行檢查；通過調(diào)用UG/Post模塊，可生產(chǎn)相應(yīng)的NC代碼，完成機床系統(tǒng)的后處理。

由于數(shù)控機床中加工的零件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)過程中影響因素多，編程所設(shè)計的程序與實際加工情況可能存在一定的偏差，為保證的編程的正確性，還需進行加工過程仿真。首先根據(jù)機床的機構(gòu)尺寸，建立機床幾何模型；再利用Machine Tool Builder，通過設(shè)置機床零點、運動軸位置、范圍、方向等，建立機床運動模型。利用后處理模塊生成機床驅(qū)動文件后，啟動UG集成仿真功能，對程序進行仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果修改NC代碼中的錯誤之處，經(jīng)過反復(fù)仿真分析和修正，最終生成正確的NC代碼。

3 基于UG的三維數(shù)控仿真系統(tǒng)

3.1 創(chuàng)建三維仿真系統(tǒng)的步驟

3.1.1 仿真系統(tǒng)工作流程

三維仿真環(huán)境是基于計算機虛擬系統(tǒng)中，以不消耗能源和資源真實加工系統(tǒng)的映射，虛擬環(huán)境的操作應(yīng)于實際加工系統(tǒng)所具備的功能相互一致。五坐標數(shù)控機床建立的仿真系統(tǒng)具體流程如圖1。五坐標聯(lián)動機床進行加工的零件極為廣泛，可以綜合考慮工件、道具等物品的外形、參數(shù)的變化，通過裝配的形式把制作的CAD模型加入仿真系統(tǒng)內(nèi)，從而提升仿真系統(tǒng)的靈活性。用戶依照實際加工操作基于UG環(huán)境下創(chuàng)建刀具、工件等模型，進一步方便對這些模型的尺寸進行修改，在仿真系統(tǒng)的操作直視下，用戶只要挑選最佳的部件和位置，就能把工件、夾具等模型裝配至仿真系統(tǒng)的模板文件內(nèi)。

3.1.2 初始化仿真環(huán)境

建立合理的仿真模型之后，應(yīng)對UG環(huán)境展開初始化操作，隨之進入運動分析模塊。為了方便在仿真系統(tǒng)內(nèi)合理控制機床的各個運動部件，在開展仿真操作前要對機床模型中的幾何體實施遍歷，隨后獲得相關(guān)幾何體的指針。

3.1.3 解釋NC代碼語義

基于NC代碼對整個機床加工環(huán)節(jié)進行仿真操作，必須準確解釋機床NC代表代表的抑郁，把代碼指令進行轉(zhuǎn)化，從而得到機場不同軸的運動。機床NC代碼是由大量繁亂的機床運動指令組成，每次讀取的代碼都必須進行語義解釋，從而把NC代碼內(nèi)有用的控制命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機床各個軸的位移。

3.1.4 基于三維造型仿真加工過程

使用三維實體造型的辦法，能在仿真環(huán)境內(nèi)更改不同的視角并無需重新進行計算，準確表示刀具與工件之間的幾何關(guān)系和位置。把NC代碼予以轉(zhuǎn)化成各個軸的位移，并對其運動情況實施仿真操作。在三維造型中把動畫一幀幀的展示出來，并保存到UG后臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)。經(jīng)過存儲的仿真動畫能夠反復(fù)回放，可以根據(jù)各行的NC代碼依次顯示，實際顯示時可以進行放大、縮小及變換視角等操作。基于三維造型對整個加工環(huán)節(jié)進行仿真操作，能夠準確展現(xiàn)出空間內(nèi)實體之間的位置關(guān)系，三維效果非常好。

3.1.5 干涉檢查仿真過程

對仿真過程進行干涉和檢查操作，主要是對加工操作中刀具、夾具、刀柄與工件之間進行干涉。因整個仿真過程采用三維實體造型的模式，因此干涉檢查就是對機床模型運動時是否相交進行判斷。采用模型的幾何體指針，對加工環(huán)節(jié)內(nèi)可能出現(xiàn)的干涉部件其位置關(guān)系展開檢查計算。如果運動部件遭到干涉，創(chuàng)建干涉產(chǎn)生的實體，并通過UG系統(tǒng)獲取干涉部位的深度、體積等相關(guān)信息，并輸出形成干涉效果的NC代碼，為合理修改刀具軌跡提供可靠依據(jù)。

3.2 五坐標機床仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

文中以五坐標聯(lián)動機床為研究對象，為該機床建立仿真模型，同時為三元葉輪的銑削加工環(huán)節(jié)實施仿真操作。整體式三元葉輪形狀非常復(fù)雜，具有大量的約束條件，因此加工難度較大，這是五軸數(shù)控加工操作中獨具代表性的零件。根據(jù)數(shù)控機床具體的傳動尺寸，基于UG環(huán)境創(chuàng)建仿真模型，對機床各個軸的運動方向及副作性質(zhì)進行設(shè)定，同時把建立的模型存儲為模板文件。五坐標聯(lián)動機床的運動軸是由2個轉(zhuǎn)動軸，和三個移動軸組合而成。根據(jù)實際機床部件的具體尺寸，使用UG/Modeling模塊為機床部件創(chuàng)建各自的實體模型，隨后使用UG/Assemblies模塊把不同部件進行裝配操作，從而形成完整的實體模型。在UG/Motion運動分析模塊挑選工作臺等機床部件定義成連桿，移動副由機床的X、Y、Z軸定義，B、C軸表示轉(zhuǎn)動副，根據(jù)設(shè)定的機床傳動軸運動方向進行操作，同時設(shè)定運動副其驅(qū)動方式是Articulation。

對仿真完成的機床模型進行保存，就能加載各類工件、刀具及夾具，如此采用同個機床對各類工件進行加工時，不需要反復(fù)創(chuàng)建仿真模型。通過UF_UI_FILENAME函數(shù)彈出的對話框，挑選應(yīng)該裝配的部件，同時輸入待裝部件的位置，采用UF_ASSEM_assembly函數(shù)對部件進行裝配，并把部件實體指針設(shè)置為運動副。若裝配部件有必須隱藏的地方，可通過UG中Blank命令對其進行隱藏操作。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，零件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對加工精度的要求也更高?；谟嬎銠C控制技術(shù)的數(shù)控加工機床較好地滿足了現(xiàn)代加工業(yè)的需求。但由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，且實際加工環(huán)境較為復(fù)雜，為保證零件程序的正確性，需對零件程序進行檢驗?；赨G建立的數(shù)控加工仿真模型，可以對整個加工過程機床干涉、碰撞等情況進行檢查，為合理修改刀位提供有效依據(jù)，提升整個數(shù)據(jù)加工的工作效率，具有優(yōu)良的實用性。

參考文獻

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