童志杰

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)被應(yīng)用到各種類型的機(jī)械零部件加工領(lǐng)域，包括各種零件的粗加工和精加工。為了解決零件數(shù)控加工的自動編程問題，UG軟件提供了功能強(qiáng)大的數(shù)控加工模塊，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜零件的數(shù)控加工的編程。拖拉機(jī)軸類零件是重型拖拉機(jī)非常重要的部件，特別是隨著農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，具有更高精度和自主作業(yè)能力的播種和收割機(jī)械被應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)作業(yè)過程中，這些機(jī)械都離不開拖拉機(jī)的牽引，為了實(shí)現(xiàn)這些要求較高的作業(yè)必須采用精度較高的拖拉機(jī)零部件。本研究將UG軟件引入到了拖拉機(jī)零部件的加工工藝設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合UG強(qiáng)大的參數(shù)化功能和后處理器支持多種數(shù)控機(jī)床功能，可迅速自動生成數(shù)控代碼，從而有效地縮短零件的加工工藝設(shè)計(jì)時間，提高零件的加工效率和加工精度。

1 UG軟件編程技術(shù)和數(shù)據(jù)加工編碼流程

UG是一個在二維和三維空間無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應(yīng)多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具，支持多種復(fù)雜的離散方案，可以實(shí)現(xiàn)多種功用的二次開發(fā)。UG軟件利用離散單元的方法可以實(shí)現(xiàn)很多工程仿真模擬，利用自適應(yīng)和多重網(wǎng)格技術(shù)使模擬的準(zhǔn)確程度與現(xiàn)實(shí)較為接近。

UG軟件屬于大型的通用型仿真系統(tǒng)，該軟件具有3個設(shè)計(jì)層次，包括組件設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。UG軟件在特征和自由建模方面表現(xiàn)出十分強(qiáng)大的功能，特別是自動編程能力，使用戶設(shè)計(jì)產(chǎn)品的速度更加快速，而且高質(zhì)量地完成復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)。其自動編程得到的代碼可以用來進(jìn)行數(shù)控加工，總體來說UG具有以下的優(yōu)勢：

1)在機(jī)械設(shè)計(jì)和型腔類零件的設(shè)計(jì)過程中，可以為設(shè)計(jì)者提供一套完整的設(shè)計(jì)、仿真模擬和數(shù)控加工的整套方案。

2)利用其編程能力，可以為用戶提供一個參數(shù)化的設(shè)計(jì)功能，從而更加高效地完成零部件和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并提供建模、裝配和仿真分析一系列的技術(shù)支持。

3)可以對零部件和產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，利用逆向工程和并行工程等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)。

4)可以創(chuàng)建復(fù)雜的自由曲面模型，模型利用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)離散化計(jì)算，同時采用區(qū)域化數(shù)據(jù)管理方案，大大節(jié)省了計(jì)算資源。

5)具有裝配分析能力，引用了集的思想，有效地節(jié)省了計(jì)算資源，提高了裝配體分析的效率。

6)可以建立數(shù)據(jù)加工的走刀路徑模型，利用仿真功能實(shí)現(xiàn)走刀路徑的優(yōu)化，并最終生成數(shù)控加工代碼。

本次研究利用UG軟件的這些優(yōu)勢，特別是自動生成加工代碼的功能，對拖拉機(jī)軸類零件進(jìn)行數(shù)控加工仿真模擬方案進(jìn)行驗(yàn)證。一個完整的UG零部件數(shù)控加工走刀路徑和加工代碼的生成流程如圖1所示。

圖1 拖拉機(jī)零件數(shù)控加工UG自動編程流程

在拖拉機(jī)零件進(jìn)行數(shù)控加工時，可以采用UG軟件完成刀具的走刀路徑規(guī)劃，并生成NC代碼進(jìn)行加工。其具體流程：先將待加工的零件模型導(dǎo)入到UG軟件中進(jìn)行工藝分析，確定機(jī)床、刀具和各種工藝參數(shù)；然后，在UG軟件中進(jìn)行工序的創(chuàng)建，并輸入這些工藝參數(shù)，生成刀具的加工軌跡，對刀具加工過程進(jìn)行檢查和優(yōu)化后在后處理生成NC程序；最后，將NC程序輸入到數(shù)控加工機(jī)床中進(jìn)行零部件的加工制造。

2 基于UG自動編程技術(shù)的零件加工技術(shù)

UG是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造(CAD/CAM)的交互性系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在汽車制造、航空航天和家電設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少，其功能非常強(qiáng)大，可以建立多種復(fù)雜的實(shí)體模型。隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，UG被廣泛地應(yīng)用在各種模具和零部件的設(shè)計(jì)、加工和編程過程中，本次研究運(yùn)用UG的建模和自動編程技術(shù)，對拖拉機(jī)部件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和加工代碼的自動生成，其主要流程如圖2所示。

圖2 加工代碼生成主要流程

在UG軟件中生成加工代碼的主要流程包括刀具和切削參數(shù)設(shè)計(jì)、生成刀具和加工軌跡、加工軌跡仿真和優(yōu)化3個過程，每個過程都可以設(shè)置和修改相應(yīng)的參數(shù)。其刀具和坐標(biāo)系的創(chuàng)建如圖3所示。

圖3 創(chuàng)建刀具和坐標(biāo)系

利用UG軟件可以建立三維實(shí)體的二維模型，然后通過拉伸、剪切等布爾操作實(shí)現(xiàn)三維模型的創(chuàng)建，想要實(shí)現(xiàn)加工代碼的自動生成需要建立刀具的加工軌跡，這就需要首先創(chuàng)建刀具和坐標(biāo)系(見圖3)，創(chuàng)建完成后進(jìn)一步對刀具和切削等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖4所示。

圖4 刀具和切削參數(shù)設(shè)置

圖4表示刀具和切削參數(shù)的一些基本設(shè)置，如刀具的類型和旋轉(zhuǎn)速度、切削深度和切削余量等，參數(shù)設(shè)置完成后便可以自動生成加工軌跡，如圖5所示。

圖5 生成刀具軌跡路徑

利用仿真模擬的方法生成的刀具加工軌跡，可以通過刀具的加工軌跡仿真檢查加工是否可行，并對加工路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工路徑確認(rèn)后便可以進(jìn)行代碼的自動生成，如圖6所示。

選擇已經(jīng)編輯設(shè)置好的MILL-3- AXIS系統(tǒng)后處理文件，指定存放位置，確認(rèn)輸出，單擊OK，完成NC程序的生成。由于生成代碼較多，選取其中的一部分，如圖7所示。

加工代碼生成后便可以利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，在下一節(jié)中將以拖拉機(jī)的零部件為例，對其關(guān)鍵軸進(jìn)行建模和刀具加工軌跡仿真，驗(yàn)證UG自動編程技術(shù)在拖拉機(jī)零部件數(shù)據(jù)加工中使用的可行性。

圖6 自動生成代碼

圖7 代碼示意圖

3 UG自動編程測試

拖拉機(jī)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)中最常用的一種機(jī)械化作業(yè)工具，從農(nóng)業(yè)運(yùn)輸?shù)讲シN機(jī)和收割機(jī)等農(nóng)業(yè)作業(yè)工具，都離不開拖拉機(jī)提供的動力。隨著農(nóng)業(yè)自動化程度的提高，拖拉機(jī)甚至開始向無人化作業(yè)發(fā)展，如圖8所示。

圖8 無人駕駛拖拉機(jī)示意圖

要實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的無人化作業(yè)必須對拖拉機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，要求拖拉機(jī)的零部件具有較高的加工精度。軸類零件是拖拉機(jī)最常用的零部件之一，采用UG自動編程技術(shù)不僅可以提高拖拉機(jī)零部件自動編程的速度，還可以提高加工精度。

如圖9所示：在拖拉機(jī)零部件加工自動編程時，首先需要形成零件的草圖，然后定義工件坐標(biāo)系和毛胚，創(chuàng)建刀具，后面的3個工序只需直接創(chuàng)建操作和模擬仿真即可。

圖9 創(chuàng)建二維草圖

如圖10所示：在數(shù)控加工之前，可以先規(guī)劃走刀路徑，然后自動生成編程代碼。走刀路徑的規(guī)劃可以根據(jù)加工需求設(shè)置參數(shù)，然后自動生成模擬仿真路徑，根據(jù)模擬路徑還可以對數(shù)控加工過程的走刀路徑的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真，如圖11所示。

圖10 數(shù)控加工模擬仿真

圖11 數(shù)控加工走刀路徑運(yùn)動仿真

為了檢查數(shù)控加工過程的走刀是否可行，還可以對數(shù)控加工的走刀路徑的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真，在檢查無誤后，便可以對數(shù)控加工結(jié)果進(jìn)行模擬仿真，如圖12所示。

圖12 數(shù)控加工螺紋仿真圖

通過仿真結(jié)果可以對加工效果進(jìn)行檢查和優(yōu)化，在數(shù)控加工之前得到最優(yōu)的走刀路徑，然后通過UG軟件可以自動生成代碼，最后進(jìn)行數(shù)控加工，從而提高數(shù)控加工的質(zhì)量和精度。

4 結(jié)論

為了提高拖拉機(jī)零部件的數(shù)控加工效率和質(zhì)量，將UG軟件引入到了零部件的加工工藝設(shè)計(jì)過程中，采用其數(shù)值仿真模擬和自動生成代碼功能，對零部件的加工走刀軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，最后生成了加工代碼，從而提高了拖拉機(jī)零部件加工的自動化水平。以拖拉機(jī)軸的加工工藝設(shè)計(jì)為例，對其加工走刀軌跡、刀具運(yùn)動過程和螺紋的加工仿真進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：采用UG軟件可以自動生成拖拉機(jī)軸的走刀軌跡、運(yùn)動軌跡和螺紋加工仿真圖，有效地提高了拖拉機(jī)零部件數(shù)控加工工藝的設(shè)計(jì)效率。