UG三維數(shù)控加工仿真分析

陳振國

摘 要：五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)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(gè)仿真系統(tǒng)的幾何功能有所限制，加工零件和機(jī)床模型必須借助其他CAD軟件才能建模，整個(gè)模型的仿真精度不高?；赨G軟件創(chuàng)建五軸數(shù)控機(jī)床仿真模型，能夠準(zhǔn)確讀出數(shù)控代碼，并未機(jī)床的各個(gè)部件實(shí)施三維仿真，同時(shí)對零件加工環(huán)節(jié)機(jī)床各部件之間的干涉進(jìn)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(xiàn)標(biāo)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(jī)器對機(jī)械零件進(jìn)行加工的過程，與傳統(tǒng)機(jī)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(shí)現(xiàn)多軸同時(shí)加工等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(jī)床有高效率、高精度的特點(diǎn)，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(yùn)用UG對五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床加工過程進(jìn)行模擬仿真分析，能夠更好地檢驗(yàn)數(shù)控機(jī)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(jī)床仿真

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

虛擬數(shù)控機(jī)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(jī)床可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)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(jī)床加工全過程仿真分析，能夠較為精確地對零件程序進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中的錯(cuò)誤，有效地避免現(xiàn)實(shí)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(shí)的材料，速度更快、效率更高、成本更低，有利于實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的集成[1]。UG是當(dāng)前較為流行的三維模具設(shè)計(jì)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(jìn)行仿真，而運(yùn)用UG，可將三維設(shè)計(jì)與數(shù)控仿真加工結(jié)合在一起，彌補(bǔ)CAD/CAM的不足，更好地對零件程度進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 UG在數(shù)控仿真中的應(yīng)用

利用UG進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)、創(chuàng)建操作、生成和檢驗(yàn)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(shí)際需求，從UG刀庫中調(diào)出相應(yīng)的刀具；

父節(jié)點(diǎn)組的創(chuàng)建包括創(chuàng)建幾何體、設(shè)置加工坐標(biāo)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(gè)包含了引用零件信息的裝配主模型。主模型只可讀，不能進(jìn)行修改，其作用主要是對零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行保護(hù)，編程人員可通過對裝配文件的修改對幾何模型進(jìn)行裝配；完成幾何體的建立后，進(jìn)入Geometry視圖，選擇“MCS”打開“MILLORIENT”，對加工坐標(biāo)系原點(diǎn)和安全平面的位置進(jìn)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(jìn)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(gè)內(nèi)容，主要是根據(jù)實(shí)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(jìn)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(jī)床系統(tǒng)的后處理。

由于數(shù)控機(jī)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(jì)的程序與實(shí)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(jìn)行加工過程仿真。首先根據(jù)機(jī)床的機(jī)構(gòu)尺寸，建立機(jī)床幾何模型；再利用Machine Tool Builder，通過設(shè)置機(jī)床零點(diǎn)、運(yùn)動軸位置、范圍、方向等，建立機(jī)床運(yùn)動模型。利用后處理模塊生成機(jī)床驅(qū)動文件后，啟動UG集成仿真功能，對程序進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果修改NC代碼中的錯(cuò)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(jì)算機(jī)虛擬系統(tǒng)中，以不消耗能源和資源真實(shí)加工系統(tǒng)的映射，虛擬環(huán)境的操作應(yīng)于實(shí)際加工系統(tǒng)所具備的功能相互一致。五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床建立的仿真系統(tǒng)具體流程如圖1。五坐標(biāo)聯(lián)動機(jī)床進(jìn)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(shí)際加工操作基于UG環(huán)境下創(chuàng)建刀具、工件等模型，進(jìn)一步方便對這些模型的尺寸進(jìn)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(jìn)入運(yùn)動分析模塊。為了方便在仿真系統(tǒng)內(nèi)合理控制機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動部件，在開展仿真操作前要對機(jī)床模型中的幾何體實(shí)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(gè)機(jī)床加工環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真操作，必須準(zhǔn)確解釋機(jī)床NC代表代表的抑郁，把代碼指令進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而得到機(jī)場不同軸的運(yùn)動。機(jī)床NC代碼是由大量繁亂的機(jī)床運(yùn)動指令組成，每次讀取的代碼都必須進(jìn)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(jī)床各個(gè)軸的位移。

3.1.4 基于三維造型仿真加工過程

使用三維實(shí)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(jìn)行計(jì)算，準(zhǔn)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(gè)軸的位移，并對其運(yùn)動情況實(shí)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(shí)際顯示時(shí)可以進(jìn)行放大、縮小及變換視角等操作?；谌S造型對整個(gè)加工環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真操作，能夠準(zhǔn)確展現(xiàn)出空間內(nèi)實(shí)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(jìn)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(jìn)行干涉。因整個(gè)仿真過程采用三維實(shí)體造型的模式，因此干涉檢查就是對機(jī)床模型運(yùn)動時(shí)是否相交進(jìn)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(jì)算。如果運(yùn)動部件遭到干涉，創(chuàng)建干涉產(chǎn)生的實(shí)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(biāo)機(jī)床仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

文中以五坐標(biāo)聯(lián)動機(jī)床為研究對象，為該機(jī)床建立仿真模型，同時(shí)為三元葉輪的銑削加工環(huán)節(jié)實(shí)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(dú)具代表性的零件。根據(jù)數(shù)控機(jī)床具體的傳動尺寸，基于UG環(huán)境創(chuàng)建仿真模型，對機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動方向及副作性質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)把建立的模型存儲為模板文件。五坐標(biāo)聯(lián)動機(jī)床的運(yùn)動軸是由2個(gè)轉(zhuǎn)動軸，和三個(gè)移動軸組合而成。根據(jù)實(shí)際機(jī)床部件的具體尺寸，使用UG/Modeling模塊為機(jī)床部件創(chuàng)建各自的實(shí)體模型，隨后使用UG/Assemblies模塊把不同部件進(jìn)行裝配操作，從而形成完整的實(shí)體模型。在UG/Motion運(yùn)動分析模塊挑選工作臺等機(jī)床部件定義成連桿，移動副由機(jī)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(jī)床傳動軸運(yùn)動方向進(jìn)行操作，同時(shí)設(shè)定運(yùn)動副其驅(qū)動方式是Articulation。

對仿真完成的機(jī)床模型進(jìn)行保存，就能加載各類工件、刀具及夾具，如此采用同個(gè)機(jī)床對各類工件進(jìn)行加工時(shí)，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(shí)輸入待裝部件的位置，采用UF_ASSEM_assembly函數(shù)對部件進(jìn)行裝配，并把部件實(shí)體指針設(shè)置為運(yùn)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(jìn)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。基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的數(shù)控加工機(jī)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(shí)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(jìn)行檢驗(yàn)?；赨G建立的數(shù)控加工仿真模型，可以對整個(gè)加工過程機(jī)床干涉、碰撞等情況進(jìn)行檢查，為合理修改刀位提供有效依據(jù)，提升整個(gè)數(shù)據(jù)加工的工作效率，具有優(yōu)良的實(shí)用性。

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