UG/CAM系統(tǒng)的模版功能在船模加工中的應(yīng)用

石 磊 溫珍平

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

0 引 言

船模試驗是檢驗和優(yōu)化船舶設(shè)計方案的主要手段，而船模加工的精度直接影響船模試驗的質(zhì)量。由于船體表面屬于三維復(fù)雜曲面，材質(zhì)一般為木板膠壓而成，其數(shù)控銑削具有特殊性和復(fù)雜性，銑削程序的編制難度較大。如何建立和優(yōu)化銑削程序并通過這些優(yōu)化程序的儲存、繼承和發(fā)展，進一步提高加工質(zhì)量和效率，是數(shù)控加工領(lǐng)域普遍關(guān)心的問題。

作為一個全球知名的CAM軟件，UG/CAM系統(tǒng)具備豐富的編程手段。它不僅具有平面銑、型腔銑、曲面銑等多種銑削方式，而且具備定軸銑削、變軸銑削等多種刀軸控制功能，以及各種典型的刀具路徑規(guī)劃方案［1］。這些編程手段的充分應(yīng)用能有效提高復(fù)雜型線船舶模型的可制造性和數(shù)控程序編程質(zhì)量。不過，正因為UG/CAM系統(tǒng)具備強大而豐富的編程功能，因此不同的編程人員應(yīng)用該系統(tǒng)對同一船舶模型進行數(shù)控編程時，可能產(chǎn)生不同的數(shù)控程序。對于特定型號船舶模型的加工環(huán)境和某一確定型線的船舶模型，不同的數(shù)控程序?qū)a(chǎn)生不一樣的加工效果，因此，選擇并確定船舶模型的有效加工程序就成為穩(wěn)定船舶模型銑削質(zhì)量必須面對的問題。通過繼承加工經(jīng)驗和熟練掌握CAM系統(tǒng)功能的知識，不僅能有效解決上述問題，而且能大幅提高數(shù)控程序的編制效率。本文介紹應(yīng)用UG/CAM系統(tǒng)的模版功能進行船模加工的過程和效果。

1 UG/CAM的模版功能

UG/CAM系統(tǒng)通過定制和管理模版船舶模型，能有效實現(xiàn)船舶模型加工知識的管理和重用。具體而言，對船舶模型加工知識的存儲體現(xiàn)在：通過模版船舶模型的定制，可將典型型號船舶模型（既可以是實際船舶模型也可以是虛擬船舶模型）的工步內(nèi)容設(shè)置、工步次序安排、加工切削模式選擇、銑削刀具選用、銑削參數(shù)確定等等加工信息進行存儲；對船舶模型加工知識的重用則體現(xiàn)在模版船舶模型的調(diào)用上。當模版船舶模型被調(diào)用后，與之相關(guān)的加工信息將被直接調(diào)入新船舶模型的加工環(huán)境，因此模版船舶模型的載入過程也就是加工知識的重用過程。當新船舶模型的加工信息與模版船舶模型相同時，則一次操作就可全部生成所有NC程序的參數(shù)配置，否則可進行局部修改來完成新船舶模型數(shù)控編程的參數(shù)配置［2］?？梢姡琔G/CAM系統(tǒng)的知識管理與重用功能不僅對NC程序的標準化和優(yōu)化，以及在顯著提高程序的編制效率等方面均具有重大的推進作用。

2 船舶模型銑削程序編制及模版定制和調(diào)用

2.1 船舶模型銑削程序編制

如前所述，標準的UG/CAM系統(tǒng)提供了豐富的編程功能，但由于船舶模型實際銑削的復(fù)雜性，CAM系統(tǒng)所提供的功能能否滿足船舶模型的實際銑削要求，還需進行進一步調(diào)查、分析。一般而言，對于船舶模型銑削程序編制包括：工步內(nèi)容設(shè)置、工步次序安排、加工切削模式選擇、銑削刀具選用、銑削參數(shù)確定等多項編程的參數(shù)配置工作［3］。

2.1.1 工步內(nèi)容設(shè)置

此工序編制過程是在建模工作環(huán)境下，著重根據(jù)“船模加工技術(shù)要求”的參數(shù)要求（如：船模主尺度、基準站、基線、舯縱剖面等等參數(shù)信息），重置工件坐標系的位置。應(yīng)注意的是，工件坐標系方向的定義必須和五軸數(shù)控船模切削機的機床坐標系所設(shè)定的方向一致［4］。

2.1.2 工步次序安排

船舶模型銑削的工步次序安排大致可以根據(jù)銑削步驟、銑削類型及船舶模型不同部位等類別來劃分：以銑削步驟來劃分，主要可以分為船舶模型的粗加工銑削、半精加工銑削及精加工銑削；以銑削類型來劃分，主要可以分為船舶模型的平面加工銑削、曲面加工銑削及孔加工銑削；以船舶模型不同部位來劃分，主要可以分為船舶模型的船艏、船舯、船艉、左舷/右舷、底部基準面及上甲板面銑削。

在實際運用時，應(yīng)先按照船舶模型的左舷/右舷來劃分，然后按照船舶模型的船艏、船舯及船艉來劃分，再按照船舶模型的平面加工銑削、曲面加工銑削來劃分。對于具有雙艉鰭或復(fù)雜球艏等型線的船舶模型而言，必須在上述工步次序的基礎(chǔ)上再添加雙艉鰭和復(fù)雜球艏的銑削加工工步。需要注意的是，無論船舶模型銑削的工步次序如何進行劃分，都必須以提高船舶模型表面銑削質(zhì)量、提高船舶模型銑削效率以及刀具/刀具夾持器與船舶模型不產(chǎn)生干涉、碰撞為前提［5］。

2.1.3 加工切削模式選擇

在船舶模型平面加工銑削程序編制時，平面加工銑削主要選取“跟隨周邊”和“往復(fù)”兩種切削模式（如圖1與圖2所示）。相對兩種切削模式，“往復(fù)”式走刀銑削效率較高，但容易使銑削平面相銜接邊角的木材撕裂，影響船舶模型的表面銑削質(zhì)量。所以，平面加工銑削選擇“往復(fù)”切削模式時，銑削平面所銜接的面最好是光順過渡的曲面（例如，常規(guī)船舶模型底部基準平面的銑削）?！案S周邊”切削模式的銑削效率較低，但是能夠使得銑削平面相銜接的邊角銑削平整，船舶模型的表面銑削質(zhì)量較高。所以，平面加工銑削選擇“跟隨周邊”切削模式時，銑削平面所銜接的面可以是棱角過渡的曲面也可以是平面（例如，常規(guī)船舶模型艉封板和艉軸管出口端面的銑削）。

圖1 “往復(fù)”走刀方式

圖2 “跟隨周邊”走刀方式

一般木制船舶模型的各層拼板是按照船長方向拼接，并從基線底部基準面開始往上甲板面一層一層疊加拼板。所以，在確保船舶模型銑削效率的同時，為保證船舶模型曲面精加工銑削后的表面質(zhì)量達到光順、無明顯毛刺的要求，在船舶模型的曲面加工銑削程序編制時，“區(qū)域銑削驅(qū)動方法”界面中的切削模式設(shè)定為“往復(fù)”，切削角設(shè)定應(yīng)選擇“指定”選項，設(shè)定球頭銑刀的加工走刀方向沿船長方向并與船舶模型型寬方向上成一定角度（一般為5°～30°，如圖3所示）。通過船舶模型曲面加工實際銑削的效果比對，當球頭銑刀的加工走刀角度越趨近船舶模型流線的走向角度，船舶模型精加工銑削后的表面越光順。

圖3 曲面加工銑削時切削角設(shè)定模式

2.1.4 銑削刀具選用

船舶模型銑削主要是平面加工銑削、曲面加工銑削。所以，銑削刀具采用能與機床相匹配使用的立銑刀和球頭銑刀即可滿足一般船舶模型平面和曲面的加工銑削要求。值得注意的是，為保證船舶模型精加工銑削后的表面質(zhì)量和加工精度，船舶模型精加工銑削時，應(yīng)盡量使用新的銑削刀具。用鈍的刀具經(jīng)過修磨后，最好用于粗加工銑削和半精加工銑削。

2.1.5 銑削參數(shù)確定

對船舶模型銑削而言，關(guān)鍵是銑削進給量和步距參數(shù)如何確定。銑削進給量和步距參數(shù)的確定，要綜合考慮船舶模型的材質(zhì)、表面銑削質(zhì)量要求、銑刀的材質(zhì)及參數(shù)要求以及機床結(jié)構(gòu)的承載能力等因素。一般而言，船舶模型粗加工、半精加工和精加工銑削時，銑削進給量的設(shè)定應(yīng)使得船舶模型的實際最大銑削量小于立銑刀的刃長，刀具銑削步距的設(shè)定應(yīng)小于立銑刀直徑。設(shè)定實際銑削量和銑削步距具體參數(shù)值時，必須確保刀頭所承載的切削力滿足機床結(jié)構(gòu)的承載力要求，精加工后的船舶模型表面無刀具的銑削接痕。

2.2 模版定制和調(diào)用

2.2.1 模板定制

在完成上述船舶模型模版文件銑削程序的編制、優(yōu)化和檢驗后，方可進行船舶模型加工的模版定制和調(diào)用。

船舶模型數(shù)控銑削編程模版文件的定制主要包括船模幾何形狀、程序、刀具與加工方法等參數(shù)的設(shè)置。其中，船模幾何形狀參數(shù)設(shè)置是根據(jù)船舶型線配置船模銑削所用的工步內(nèi)容和加工切削模式；程序參數(shù)設(shè)置是根據(jù)不同船模類型，將所用的加工切削模式運用至工步次序安排之中，使船模不同部位具有針對性的加工方法；刀具參數(shù)設(shè)置主要是刀具刀體的參數(shù)設(shè)置。依據(jù)UG/CAM對刀具幾何參數(shù)定義的具體要求，測量并記錄特定加工環(huán)境下所用刀具的幾何參數(shù)（如刀具的直徑、刃長、長度和錐角等）；加工方法設(shè)置主要是將工步內(nèi)容、加工切削模式、工步次序安排、銑削刀具選用及參數(shù)設(shè)置和銑削參數(shù)確定等等加工配置信息與船模的不同加工區(qū)域進行匹配。

不同類型的船舶模型數(shù)控銑削編程模版文件定制完畢后，保存并復(fù)制到“UG NX安裝目錄＼MACH＼resource＼template_part＼metric”目錄內(nèi)。 在“UG NX 安裝目錄 ＼MACH＼resource＼template_set”目錄下，使用文本編輯軟件打開文件“cam_general.opt”，在公制文件中增加若干行“${UGII_CAM_TEMPLATE_PART_METRIC_DIR}模版文件名.prt”文字并保存。至此即在“cam_general”的配置中成功定制了若干個自定義的船舶模型數(shù)控銑削編程模版文件。

2.2.2 模板調(diào)用

圖4 新船舶模型加工環(huán)境初始化

圖5 初始化后的幾何視圖

圖6 初始化后的程序視圖

圖7 初始化后的刀具視圖

圖8 初始化后的加工方法視圖

完成船舶模型數(shù)控銑削編程模版文件的定制后，我們就可以在船模數(shù)控編程時將船模類型相類似的模版進行調(diào)用。初次讀入待加工的船舶模型并進入加工環(huán)境后，系統(tǒng)會提示選擇加工環(huán)境類型。初始化界面中，在UG/CAM會話設(shè)置中選擇相類似船模的模版，進行初始化（如圖4～圖8所示）。加工環(huán)境初始化的同時完成了工步內(nèi)容設(shè)置、工步次序安排、加工切削模式選擇、銑削刀具選用、銑削參數(shù)確定等多項編程的參數(shù)配置工作，然后再根據(jù)具體船模的型線特征，在模版的基礎(chǔ)上進行局部修改。上述參數(shù)的成功配置既體現(xiàn)了船舶模型加工知識的有效繼承，又減免了新船舶模型數(shù)控編程的大量設(shè)置工作，從而既可實現(xiàn)穩(wěn)定船舶模型加工質(zhì)量的目標，又可大幅提高編程效率［6］。

由于船模類型有限，大部分為現(xiàn)有船型，經(jīng)過一段時間的積累，即可為“模版定制和調(diào)用”提供基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，在“UG NX 安裝目錄 ＼MACH＼resource＼template_set”目錄下，“cam_general”中已包含的船舶模型數(shù)控銑削編程模版共計5個。其中，方型系數(shù)大于0.8的肥大型船模模版（如油船）有1個、方型系數(shù)在0.6～0.8之間的中等方型系數(shù)船模模版（如多用途船）有1個、方型系數(shù)小于0.6的瘦削型船模模版（如軍輔船）有1個，此外，多艉鰭或復(fù)雜球艏等型線的船模模版有2個。實際船舶模型數(shù)控銑削編程時，為了檢驗使用模版調(diào)用功能與未使用模版調(diào)用功能進行編程所存在的效率差異，特別針對垂線間長在7 m左右，上述不同類型中具有代表性的船舶模型進行實際編程操作耗時測試，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 船舶模型編程耗時測試結(jié)果比較

從表1中看出：在實際船舶模型數(shù)控銑削編程時，使用模版調(diào)用功能編程耗時約節(jié)省20%～30%?？梢姡琔G/CAM系統(tǒng)模版功能的應(yīng)用對于提高數(shù)控程序的編制效率很有幫助。

3 船舶模型模版的應(yīng)用效果

船舶模型模版定制后，UG/CAM系統(tǒng)的應(yīng)用流程如圖9所示。

圖9 UG/CAM的應(yīng)用流程

由數(shù)十艘船模加工的實踐表明，CAM系統(tǒng)模版功能在船舶模型加工方面的應(yīng)用取得了以下效果：

（1）促進NC程序的標準化。針對某一類型船舶模型，通過模版船舶模型的定制和調(diào)用，有效固化了特定加工對象的刀具路徑生成方式、所使用刀具、銑削參數(shù)等直接影響零件加工效果的關(guān)鍵設(shè)置。這些關(guān)鍵信息的固化，使相似船舶模型數(shù)控程序之間的差別就基本體現(xiàn)在點位信息的區(qū)別上，從而實現(xiàn)了 NC 程序的標準化［7］。

（2）提高NC程序的編制效率。編程效率的提高主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是編程手段的改進，促進了編程效率的提高；另一方面是模版船舶模型的應(yīng)用，使某些船舶模型的NC程序編制僅需單步操作就可完成多項編程的參數(shù)配置工作，從而大幅提高了程序的編制效率。

（3）促進先進加工知識的迅速推廣和有效繼承，穩(wěn)定船舶模型加工的質(zhì)量。將船舶模型的多種編程方式進行對比，把船舶模型加工精度高、加工表面質(zhì)量好的模式通過模版船舶模型定制這一方式進行模版定制，實現(xiàn)船舶模型高效銑削知識的存儲。然后，再通過模版的調(diào)用，實現(xiàn)先進知識的迅速推廣和有效繼承。

（4）為實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM/DNC等系統(tǒng)的集成提供了必要的技術(shù)平臺，促進產(chǎn)品信息在全生命周期內(nèi)有效流通。

4 結(jié) 論

UG/CAM系統(tǒng)具備的豐富編程手段是實現(xiàn)復(fù)雜型線船舶模型加工的有效保障。實際應(yīng)用表明：UG/CAM系統(tǒng)通過模版船舶模型的定制和調(diào)用而實現(xiàn)的知識存儲與繼承，既可成為實現(xiàn)數(shù)控程序標準化的有效手段，又便于先進加工知識的推廣應(yīng)用。因此該系統(tǒng)的建立可促進穩(wěn)定船舶模型銑削質(zhì)量并提高加工效率。

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