秦 磊

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島266041）

基于UG6.0 IS&V模塊的機(jī)床仿真

秦 磊

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島266041）

介紹了UG6.0中IS&V模塊的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，并在IS&V環(huán)境下建立了一臺(tái)三軸立式加工中心模型，在該機(jī)床模型上對需要切削加工的零部件進(jìn)行虛擬機(jī)床仿真，真實(shí)展現(xiàn)實(shí)際切削加工中機(jī)床、刀具、零部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，評(píng)估了實(shí)際切削加工中可能出現(xiàn)的碰撞及刀軌過切、過剩的問題，提高了生產(chǎn)效率。

IS&V模塊；碰撞；機(jī)床模型；刀具路徑

在機(jī)械CAD/CAM領(lǐng)域中，數(shù)控加工仿真是廣泛應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。其通過可視化的操作，將機(jī)床、工裝夾具、刀具及零部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系得以在電腦上真實(shí)呈現(xiàn)，將程序中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤、運(yùn)動(dòng)中可能出現(xiàn)的碰撞提前展現(xiàn)給操作員或是編程員，從而避免了切傷工件、折斷刀具甚至撞斷機(jī)床主軸等損失發(fā)生。目前大多數(shù)生產(chǎn)單位雖然也應(yīng)用了CAD/CAM的相關(guān)模塊來提高生產(chǎn)效率，但大多數(shù)集中在CAM軟件的NC程序建立上，并不考慮其中的機(jī)床行為，當(dāng)NC程序建立后就直接進(jìn)入機(jī)床進(jìn)行加工，由此會(huì)帶來機(jī)床、刀具及工件產(chǎn)生碰撞的問題，本文即根據(jù)目前各企業(yè)及我司普遍存在的這個(gè)問題應(yīng)用軟件UG6.0中的IS&V模塊探討下機(jī)床仿真技術(shù)。

1 軟件概述

UG軟件是集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數(shù)化高端軟件，其提供的產(chǎn)品全生命周期的解決方案廣泛的應(yīng)用于航空、航天、汽車、軌道交通、通用機(jī)械等行業(yè)領(lǐng)域，其中的IS&V模塊，是一個(gè)完全可定制的機(jī)床仿真與檢驗(yàn)專用模塊，可以模擬整個(gè)機(jī)床的切削加工過程，使得操作者或編程員可以對整個(gè)加工過程情況進(jìn)行更精確的了解與直觀的觀察。

1.1 IS&V模塊組成

IS&V模塊是由機(jī)床驅(qū)動(dòng)器MTD（Machine Tool Driver）和仿真驗(yàn)證引擎S&V Engine（Simulation&Verification Engine）兩大核心組成，而 UG CAM、NC代碼輸出及圖形反饋輸出都是以此模塊為前提[1]，具體原理見圖1.

圖1 IS&V模塊仿真原理

MTD拓展了傳統(tǒng)的Post功能，它不只是生成了一個(gè)NC程序，而且也作為一個(gè)模擬驅(qū)動(dòng)器

參與所有的制造過程，處理所有的機(jī)床動(dòng)作。MTD調(diào)用IS&V模塊了解仿真與檢驗(yàn)命令，然后由該模塊收集、處理并將所有最終信息反饋到圖形顯示設(shè)備或仿真控制面板上。當(dāng)仿真機(jī)床時(shí)，系統(tǒng)將精確仿真機(jī)床運(yùn)動(dòng)并完全復(fù)制整個(gè)加工環(huán)境，全方面生成可視化的仿真加工動(dòng)畫，使得機(jī)床編程更為安全與方便[2]。

1.2 IS&V模塊的優(yōu)點(diǎn)

IS&V模塊具有很多的優(yōu)點(diǎn)，具體如下：

1）模擬機(jī)床、工裝夾具、刀具和加工件之間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)的檢查碰撞。

2）驗(yàn)證NC程序，消除昂貴和耗時(shí)的試切及空運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。

3）可動(dòng)態(tài)直觀的顯示出零部件在加工過程中的材料切削去除情況。

4）可以定性、定量的對最終零部件進(jìn)行分析，從而評(píng)估其切削精度。

5）優(yōu)化NC程序，降低刀具磨損從而提高刀具使用周期。

6）可以用來培訓(xùn)新操作員及編程員，增加現(xiàn)有機(jī)床的的使用率。

2 IS&V模塊的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

盡管NX IS&V自帶的機(jī)床庫包含了很多默認(rèn)的數(shù)控仿真機(jī)床模型，但我司有專屬的數(shù)控加工機(jī)床，如圖2所示北一大隈三軸立式加工中心。為更好的貼近生產(chǎn)解決實(shí)際問題，需依我司機(jī)床為參考建立符合公司需求的機(jī)床仿真模型，并在該機(jī)床模型上對我司零部件進(jìn)行機(jī)床仿真。應(yīng)用IS&V模塊解決實(shí)際問題的的主要點(diǎn)就是建立與單位機(jī)床一致的機(jī)床仿真模型，下面將在UG6.0軟件上以我司的北一大隈三軸立式加工中心為例來簡要介紹建立過程。圖3即為所建立的機(jī)床模型。

圖2 北一大隈三軸立式加工中心

圖3 機(jī)床模型

2.1 測量、建立機(jī)床3D裝配模型

測量現(xiàn)有大隈機(jī)床的幾何尺寸，并根據(jù)幾何尺寸建立機(jī)床的3D裝配模型；機(jī)床的各子件需在UG裝配模塊中進(jìn)行裝配，且機(jī)床子件必須是獨(dú)立的組件存在，因?yàn)闄C(jī)床子件在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中須是可運(yùn)動(dòng)部件。

2.2 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

要獲得逼真的機(jī)床仿真，對機(jī)床模型建立符合機(jī)床真實(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)定義是不可缺少的，且機(jī)床驅(qū)動(dòng)器MTD必須是在定義了運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)床模型上通過后處理文件才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)。為此，可以進(jìn)入軟件中的機(jī)床構(gòu)造器（machine tool builder）進(jìn)行定義建立。

2.3 存儲(chǔ)到庫中

建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型后，為讓IS&V模塊可以識(shí)別且調(diào)取該機(jī)床模型，首先將該機(jī)床模型添加到軟件的機(jī)床庫中，其次利用后處理構(gòu)件庫建立一個(gè)用于大隈機(jī)床模型的OKUMA后處理文件。

2.4 建立機(jī)床驅(qū)動(dòng)器

只有定建立機(jī)床驅(qū)動(dòng)器MTD大隈機(jī)床模型才能可以真正動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)器主要通過UG的后處理構(gòu)建器來完成。在UG軟件Post Builder中指定了所要用到的后處理文件、虛擬NC控制器（VNC）后就可以自動(dòng)生成MTD所需要的一些文件，包括pui、tcl、def等文件。

2.5 建立工件模型。

在加工模型中建立工件運(yùn)動(dòng)組件，通過UG軟件的自動(dòng)裝配功能在大隈機(jī)床模型上安裝后，才能夠進(jìn)行綜合仿真與檢查。

3 IS&V環(huán)境下的仿真

上述機(jī)床模型建立后，即對需要切削加工的零部件進(jìn)行虛擬機(jī)床仿真了；下面以一個(gè)薄壁帶多處導(dǎo)向槽的零部件的來介紹如何操作應(yīng)用UG6.0 IS&V模塊的虛擬機(jī)床仿真，零部件見圖4。

圖4 薄壁零件

3.1 NC程序建立

應(yīng)減重需要，此薄壁件最薄處壁厚為4 mm，但是平面度要求較高；多處導(dǎo)向槽因需配合，其尺寸精度要求比較高，且圓角處更不能與配合的其余部件產(chǎn)生干涉，故為保證零部件的相關(guān)精度擬采取先整體粗加工、待應(yīng)力釋放后再整體精加工的加工方式。在UG CAM模塊通過對零部件毛坯、零部件最終模型、切削工藝、切削刀具、切削參數(shù)等進(jìn)行創(chuàng)建和設(shè)置，最終生成了NC程序及刀軌路徑，即圖5所示。從刀軌可視化驗(yàn)證圖6中可以看出，UG CAM模塊的刀軌驗(yàn)證過程中零部件與切削刀具的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系與真實(shí)切削加工過程是顛倒的，故需要應(yīng)用UG IS&V模塊進(jìn)行機(jī)床仿真以便獲取真實(shí)的切削加工情況。

圖5 NC程序及刀軌路徑

圖6 刀軌可視化驗(yàn)證

3.2 機(jī)床仿真應(yīng)用

接上步，調(diào)出圖3建立好的機(jī)床模型，組成機(jī)床-零件系統(tǒng)模型圖7，很明顯整個(gè)切削加工過程清楚的展現(xiàn)在面前，在該零部件的虛擬機(jī)床仿真切削加工中，可通過放大縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作直觀的觀察零部件在虛擬機(jī)床上的切削加工動(dòng)作。此外還可以通過“仿真控制面板”上的“碰撞檢測”選項(xiàng)來設(shè)置刀具、工件及夾具的碰撞關(guān)系，從而模擬出真是的碰撞情況，具體見碰撞情況檢測圖8.還可以通過“仿真控制面板”上“分析”和“通過顏色顯示厚度”來具體的查看在刀軌生成階段編制的參數(shù)是否正確，具體見過切、過剩云圖及測量圖9.在圖9中很明顯可以由“通過顏色顯示厚度”選項(xiàng)中圖的顏色及旁邊的云圖對照，看出數(shù)控加工的過切或未切，且很容易從“分析”菜單中的“測量”選項(xiàng)能定量的測量出加工部分材料的過切與過剩。

圖7 機(jī)床-零件系統(tǒng)模型

圖8 碰撞情況檢測

圖9 過切、過剩云圖及測量

3.3 機(jī)床仿真的實(shí)踐驗(yàn)證

通過IS&V模塊機(jī)床仿真驗(yàn)證，若數(shù)控程序存在碰撞、過切或過剩等情況，則可回“刀軌生成”模塊修改相應(yīng)設(shè)置，直到數(shù)控程序不再有碰撞或過切等問題，這樣便可將數(shù)控代碼輸入到機(jī)床上進(jìn)行加工生產(chǎn)。此零件的數(shù)控程序經(jīng)IS&V模塊機(jī)床仿真并輸入到數(shù)控機(jī)床上后，無需試切及空運(yùn)行，便可高效的加工出質(zhì)量合格的零件，大大的提高了編程的效率及生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

通過UG6.0 CAM模塊編制了零部件的NC程序，應(yīng)用IS&V模塊將建立的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型及編制的NC程序進(jìn)行了機(jī)床仿真，虛擬的展示了零部件切削過程；此虛擬仿真可以代替試切發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的碰撞及程序過切、過剩等現(xiàn)象，降低生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)、提高了單位的生產(chǎn)效率；同時(shí)機(jī)床仿真技術(shù)作為虛擬制造技術(shù)中的一個(gè)重要發(fā)展方向，由于其可降低生產(chǎn)成本、縮短開發(fā)周期等特點(diǎn)將會(huì)極大的促進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。

[1]楊曉京，傅中裕，劉劍雄.基于UG IS&V的數(shù)控機(jī)床加工仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（07）：46-47.

[2]張 磊．UGNX6后處理技術(shù)培訓(xùn)教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009．

[3]其木格，李 強(qiáng)．基于UG的虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007（05）：26-29.

Machine Tool Simulation Based on UG6.0 IS&V Module

QIN Lei
（CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266041，China）

Introduce the structure and working principle of UG6.0 IS&V module ，and build an 3-Axis vertical maching center model on the IS&V module，Virtual machine tool simulation is carried out for parts to be machined in the machine model ，demonstrate the actual movement of machine tool、cutting tool and parts in actual machining，the possible collision and excessive cutting and excess of tool path in actual cutting process are evaluated，finally the production efficiency is improved.

IS&V module；collision；machine model；tool path

TG659；TP391.73

B

1672-545X（2017）08-0237-04

2017-05-19

秦 磊（1983-），男，山東青島人，工程師，本科學(xué)歷，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造工藝。