基于UG NX的自動(dòng)化集成仿真與驗(yàn)證功能的研究

畢海波

摘 要：該文以基于UG的數(shù)控編程及加工自動(dòng)化研究為題展開(kāi)具體論述。首先對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，主要從數(shù)控編程方面探討了仿真研究這一問(wèn)題，著重闡述了基于該數(shù)控編程的模擬仿真系統(tǒng)與加工，要通過(guò)怎樣的結(jié)構(gòu)與聯(lián)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)一體化的問(wèn)題。希望通過(guò)討論該模擬系統(tǒng)的編程創(chuàng)建與數(shù)控車(chē)床操作系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)可以為我國(guó)在制造業(yè)領(lǐng)域的研究探討與發(fā)展提供一些可供利用的信息，以供參考。

關(guān)鍵詞：UG 數(shù)控編程 加工 自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TG386 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0003-02

伴隨時(shí)代、社會(huì)進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有了很大發(fā)展，尤其是在現(xiàn)代的工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了前所未有的作用，歐洲一些老牌制造業(yè)國(guó)家，如德國(guó)、意大利等工業(yè)已發(fā)展到了4.0階段，對(duì)各種影響其發(fā)展的因素做了最大優(yōu)化與調(diào)整，其靈活性大大提高，因而在質(zhì)量方面、生產(chǎn)效率方面都有了卓越的進(jìn)步與提升。從這些情況來(lái)看，應(yīng)用現(xiàn)代化的以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的相關(guān)數(shù)控編程與數(shù)控加工非常有利于現(xiàn)代制造業(yè)向著更為輝煌的前景邁進(jìn)。

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)考慮更多的問(wèn)題是在科學(xué)理論研究方面更多的傾向于“系統(tǒng)論”式的跨學(xué)科的綜合與交叉研究，在技術(shù)性的實(shí)踐領(lǐng)域更多的發(fā)展方向則是使各種技術(shù)通過(guò)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)手段達(dá)成進(jìn)一步的合作與聯(lián)合。從20世紀(jì)發(fā)明并在21世紀(jì)初得到重視的“3D打印”技術(shù)及應(yīng)用以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)更多的走向了更為綜合化的道路。自20世紀(jì)30年代美國(guó)哲學(xué)家杜威來(lái)我國(guó)演講以來(lái)，也有一些學(xué)者提出了關(guān)于對(duì)科學(xué)技術(shù)的全面化問(wèn)題的思考。所謂科學(xué)技術(shù)的全面化，即當(dāng)前因自然科學(xué)發(fā)展以來(lái)所產(chǎn)生的物質(zhì)生活領(lǐng)域的發(fā)展還遠(yuǎn)未達(dá)到其可能的目標(biāo)，真正的科學(xué)發(fā)展的最終目的必然是給人類(lèi)帶來(lái)最為有利的結(jié)局。因此來(lái)看，探討關(guān)于數(shù)控編程及加工的問(wèn)題，并且討論其在當(dāng)下時(shí)代的自動(dòng)化問(wèn)題，主要是為了更好的指出我國(guó)在制造業(yè)領(lǐng)域總體水平上還處于中期的發(fā)展階段，遠(yuǎn)未達(dá)到像歐美一些國(guó)家的制造業(yè)的水平，而且由于制造業(yè)的發(fā)展作為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展的支柱，總體經(jīng)濟(jì)的支柱，不但需要得到更多的關(guān)注與投入，還需要進(jìn)一步的加大對(duì)其科技研究的量的增加，只有如此，才能更好的帶動(dòng)我國(guó)的發(fā)展，更好的解放人，使現(xiàn)代化與傳統(tǒng)這兩個(gè)當(dāng)下的困難逐步隨著科學(xué)技術(shù)的完善與全面化而深入的在人類(lèi)生活中掀起新一輪的革新，使人類(lèi)從中解放出來(lái)，擺脫掉“人是機(jī)器”的魔咒。

2 現(xiàn)代制造業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)上面的初步介紹與意義價(jià)值的探討，可以對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)有一個(gè)更為直觀的感受，也即是說(shuō)，可以從中感受到當(dāng)下的時(shí)代精神正在催促人類(lèi)去努力行動(dòng)，從而解決一個(gè)個(gè)困擾著人們前進(jìn)的問(wèn)題。

從目前來(lái)看，現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出的趨勢(shì)是向集成化、自動(dòng)化或智能化、一體化方向發(fā)展，即更加向著“機(jī)器人”這一目標(biāo)前進(jìn)，由于對(duì)先前數(shù)控加工中人工編程的反思，現(xiàn)在可以更為清楚的認(rèn)識(shí)到，數(shù)控加工仿真技術(shù)可以對(duì)其中的程序錯(cuò)誤加以改善，而且可以更為有效的對(duì)機(jī)床加工整個(gè)過(guò)程中干涉性質(zhì)的碰撞事故加以檢測(cè)，并發(fā)出警告，比如對(duì)于劃傷工件、損壞夾具、折斷刀具以及碰撞等事故問(wèn)題都可以有效的進(jìn)行檢查。這樣，不但縮短了工件的加工時(shí)間，也極大地提高了數(shù)控機(jī)床的使用壽命，最終達(dá)到節(jié)省成本，提高效率的階段。該文所討論的仿真效果，主要是通過(guò)修改一些相關(guān)的切削參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到改善加工品質(zhì)及降低生產(chǎn)成本的目的，這也是現(xiàn)代制造業(yè)呈現(xiàn)出的發(fā)展趨勢(shì)。

該文通過(guò)對(duì)UG/ISV模塊功能的研究，并且以此為基礎(chǔ)，提出了構(gòu)建基于UG/ISV的NEXUS_420B四軸聯(lián)運(yùn)加工中心完善的，加工工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)體加工仿真，并且通過(guò)對(duì)其探討引入了UG NX的大環(huán)境，從而展開(kāi)深入一步的后續(xù)處理模塊的研究，以此對(duì)自動(dòng)輸出系統(tǒng)加以探究，從而提升其利用率與生產(chǎn)效率。

2.1 UG集成仿真與驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)分析

UG這款編程軟件中，有一個(gè)強(qiáng)大的功能，即集成仿真與驗(yàn)證功能，英文稱作Integrated Simulation and Verification，簡(jiǎn)稱IS—V，也是其中的一個(gè)專(zhuān)用模塊，其訂制性質(zhì)已經(jīng)表明了其優(yōu)越之處。其主要功能的表現(xiàn)是：通過(guò)加工工藝模型對(duì)CAM生成的刀具軌跡程序進(jìn)行模擬、校驗(yàn)、顯示；另一方面，即可達(dá)到上面所說(shuō)的監(jiān)控與檢查，減少事故；另外，通過(guò)它還可以將實(shí)際的生產(chǎn)加工中的數(shù)控機(jī)床與其所建立的模型相對(duì)應(yīng)，從而使后續(xù)加工中的模擬軌跡并得出具體的加工工件的實(shí)際模型。換句話說(shuō)，就是利用這一信息數(shù)據(jù)的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)直觀、形象的評(píng)估，以評(píng)估結(jié)果來(lái)校準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)所需的加工數(shù)據(jù)的精確值，從而減少其中的重復(fù)、浪費(fèi)。

該模塊的構(gòu)成：機(jī)床驅(qū)動(dòng)器、仿真驗(yàn)證引擎。這兩大核心部分中，前者由后置處理器、虛擬NC控制器組成，具備真實(shí)機(jī)床的所有特性及運(yùn)動(dòng)性能；后一個(gè)部分主要是構(gòu)成加工工藝系統(tǒng)的實(shí)體模型，比如刀具庫(kù)、夾具等。

其原理是，利用機(jī)床庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的加工工藝，一是建立其大環(huán)境模型，二是通過(guò)生成模式中的相關(guān)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬操作。主要是先建立模型，通過(guò)UG/CAM生成刀位文件，傳遞至上文中所說(shuō)的機(jī)床驅(qū)動(dòng)器部分，經(jīng)過(guò)這一模塊的處理，再在仿真驗(yàn)證引擎模塊中進(jìn)行妿工刀軌的干涉校驗(yàn)檢查，從而把其得到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為圖形，輸送至仿真控制面板，從而實(shí)現(xiàn)這一完整過(guò)程。

2.2 數(shù)控加工仿真模型的建立

雖然上面所說(shuō)的UG的IS—V模塊，其功能強(qiáng)大，還帶有很多的默認(rèn)仿真機(jī)床模型，然而實(shí)際情況是，在每個(gè)企業(yè)之中，必然會(huì)因生產(chǎn)而有一些不同型號(hào)的數(shù)控加工機(jī)床，因此，應(yīng)該從事實(shí)出發(fā)，從企業(yè)的特點(diǎn)出發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)該機(jī)床上的加工仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。所以首先應(yīng)該注重從整體上構(gòu)建的思路，搭建起與實(shí)際機(jī)床完全一致的仿真模型。具體來(lái)講，在基于UG的數(shù)控編程過(guò)程中，需要有一個(gè)三維主模型，該文主要通過(guò)其中的IS—V模型和功能來(lái)實(shí)現(xiàn)其刀具生成方法。第一是通過(guò)對(duì)其中的零件進(jìn)行工藝分析，比如，從其形狀、尺寸、質(zhì)量等方面進(jìn)行參數(shù)確定，還需要對(duì)其中的機(jī)床、刀具、夾具、加工方法等進(jìn)行參數(shù)確定；第二是對(duì)其中的模塊功能環(huán)境進(jìn)行設(shè)置、對(duì)刀具進(jìn)行選擇、對(duì)仿真模型加以建立、對(duì)刀具軌跡進(jìn)行檢查等。該文以NEXUS_410B這一較為常見(jiàn)的通用型四軸聯(lián)動(dòng)加工型機(jī)床為例進(jìn)行具體的闡釋與說(shuō)明，具體如圖1所示。

首先，對(duì)機(jī)床裝配模型進(jìn)行定義。建立起幾何裝配模型，這一模型的搭建只需采用其中的裝配功能即可，也就是利用其中的裝配模塊中的各個(gè)裝配及組件功能進(jìn)行組合。由于機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能的限制，各零部件獨(dú)立，所以需進(jìn)行單獨(dú)部件模型的組建，根據(jù)其設(shè)置與以往模擬實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，主要部建的模型搭建完成即可以達(dá)到要求。

其次，需要對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型加以定義。機(jī)床只有通過(guò)運(yùn)動(dòng)才能完成其具體操作。因而應(yīng)該從一致性出發(fā)，搭建起運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從中描述、確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)。以該文所探討的裝配模型來(lái)看，每一個(gè)裝配模型文件都必須配備或?qū)?yīng)的有一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型。其定義的位置在機(jī)床構(gòu)建器中（MTB）。定義這一運(yùn)動(dòng)模型過(guò)程，需要把實(shí)際中的機(jī)床運(yùn)動(dòng)、基座組件、K組件、運(yùn)動(dòng)軸等進(jìn)行各自的單獨(dú)定義。但是，從該文所討論的機(jī)床類(lèi)型來(lái)看，只需在主要定義位置中將X、Y、Z、A線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還需對(duì)輔助性的信息加以定義。

第三，應(yīng)該將機(jī)床入庫(kù)添加進(jìn)去，因?yàn)閯?chuàng)建好的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，在該模塊中還不能達(dá)到直接仿真，因而應(yīng)該對(duì)其功能中加入機(jī)床入庫(kù)，具體方法是在UG中的MACH下拉子菜單文件夾中加入，并在其默認(rèn)機(jī)床里加入新機(jī)床模型記錄；另外，通過(guò)在UG postprocessor文件夾中立一新文件，作為專(zhuān)用，針對(duì)銑床的后處理設(shè)置文件（DAT），這樣可以使后處理文件在保存中有一個(gè)明確的保存位置，并得到MTD的直接指定，使其方便被認(rèn)知并得到應(yīng)用。

第四，應(yīng)該對(duì)機(jī)床驅(qū)動(dòng)器加以定義，否則整個(gè)運(yùn)行無(wú)法達(dá)到，所以，應(yīng)該通過(guò)UG后處理構(gòu)造器（Post Builder）進(jìn)行具體定義，其程序操作是從“后處理工具——后處理構(gòu)造器”，進(jìn)入其界面后，選擇具備多軸后處理選項(xiàng)中的四軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)床類(lèi)型，此時(shí)，需要對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其具體是對(duì)基本技術(shù)參數(shù)中的最大行程、主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)臺(tái)平面、工作臺(tái)擺角度等等進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

但是，需要注意的是在實(shí)際的操作中，應(yīng)根據(jù)本系統(tǒng)的編程規(guī)則，依次對(duì)整個(gè)如MACHINE TOOL、PROGRAM AND TOOLPATH、N/C DATA DEFINITIONS、PUTPUT SETTINGS、PLST FILE PREVIEW等進(jìn)行數(shù)據(jù)的更改并進(jìn)行相關(guān)文件下的保存。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)自身的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成，即通過(guò)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的內(nèi)在處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 IS—V環(huán)境下的加工仿真

在加工過(guò)程的仿真中，首先應(yīng)該考慮加工工件中的零部件形狀的復(fù)雜性，因而在其幾何輪廓中需要進(jìn)行分別，并加以鑒別分析，由于是基于UG的加工過(guò)程仿真，所以在此過(guò)程中，要在刀具生成中需要排除掉有關(guān)的機(jī)床結(jié)構(gòu)、工件的裝夾方式等影響因素，因?yàn)樵诰唧w的裝夾方式中，不但有單夾方式，還有二夾方式，多頂方式，夾頂混合方式，因而在實(shí)際的生成零件程序中，肯定會(huì)有不相適應(yīng)的情況出現(xiàn)，由于這一原因的存在，也就是說(shuō)情況的復(fù)雜性質(zhì)導(dǎo)致的零件數(shù)控程序生成后，必然需要一個(gè)檢驗(yàn)過(guò)程來(lái)加以實(shí)現(xiàn)，這也是該文研究中選用該功能強(qiáng)大性能的優(yōu)越之處的旨趣所在。

以實(shí)際生產(chǎn)為例，在具體的生產(chǎn)加工中，往往可以通過(guò)“空運(yùn)行”、“試切”等方法來(lái)達(dá)到檢驗(yàn)這一要求。從性能分析，前一種方法，是對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)中是否存在干涉碰撞問(wèn)題加以檢查，但實(shí)際情況并不精準(zhǔn)，僅僅是粗略的進(jìn)行結(jié)果評(píng)估，在后一種方法中，其精準(zhǔn)性能強(qiáng)過(guò)前者，然而又有重復(fù)的問(wèn)題存在，換句話講，即是對(duì)于工作而言，需要花費(fèi)更多的時(shí)間，更多的成本，且效率低下，安全性能也不能百分之百得到保證。本次的研究所采用的這一基于UG的模塊功能，實(shí)際上是通過(guò)計(jì)算機(jī)中的三維模擬技術(shù)，利用圖形的直觀、形象，從虛擬仿真中來(lái)達(dá)到，更快、更安全、更為有效的目的，其中應(yīng)用的NC程序，到目前為止，受到了較好的評(píng)價(jià)，因?yàn)?，這一仿真結(jié)果可以使該程序在較短的時(shí)間內(nèi)使其得到實(shí)時(shí)性的更正或修改。如此，可以有效避免上面所說(shuō)的兩種方法中透露出來(lái)的不利因素，以及在質(zhì)量與效率方面的問(wèn)題。

首先，在仿真模型建立成功后，即可展開(kāi)具體的操作。所以，第一步是完成刀具路徑的仿真，這要求先有一個(gè)加工后最終得到先在模型；第二步是對(duì)UG CAM模塊中將工件、毛坯、刀具、加工方法等程序加以構(gòu)建、設(shè)置，從而生成刀軌；第三步即通過(guò)刀軌確認(rèn)命令加以檢查與驗(yàn)證，從而使生成的刀具路徑得到可行性的模擬應(yīng)用。由此可見(jiàn)，在具體的模擬加工中，路徑仿真中有一動(dòng)一靜，其中，刀具運(yùn)動(dòng)，加工零件保持靜止；最后，應(yīng)該對(duì)零件也進(jìn)行仿真，這樣效果會(huì)更為突出。

其次，當(dāng)生成刀具軌跡完成后，利用“操作導(dǎo)航器”中的“機(jī)床”中的添加自定義欄，對(duì)其中的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型NEXUS_410B_4Axis（A）進(jìn)行定義，需要選擇“刀軌”至“仿真”命令即可。其過(guò)程的操作需要對(duì)縮放、平移、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行全方位觀察，并通過(guò)其檢查來(lái)驗(yàn)證其精準(zhǔn)性，并及時(shí)對(duì)需要修改的地方加以修改。完成后即可點(diǎn)擊“保存NC程序”即可。

整體來(lái)看，通過(guò)檢驗(yàn)這一環(huán)節(jié)的設(shè)置，可以利用設(shè)置MTD專(zhuān)項(xiàng)指示性文件中的各種參數(shù)變更來(lái)處理仿真機(jī)床加工中的數(shù)據(jù)參數(shù)，從而使整個(gè)程序中的系統(tǒng)設(shè)置功能中的運(yùn)算得到應(yīng)用，以此來(lái)達(dá)到對(duì)NC程序的變更，使事實(shí)與虛擬情境相一致，通過(guò)對(duì)UG中的模塊及相關(guān)功能的探討有利于使其中的編程程序與現(xiàn)實(shí)的機(jī)床加工自動(dòng)一體化得到實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，筆者認(rèn)為通過(guò)對(duì)基于UG的數(shù)控編程及加工的自動(dòng)化研究與探討可以從其功能中建立起一個(gè)真正的仿真模擬編程的數(shù)控加工工藝系統(tǒng)模型，不但可以使真實(shí)的加工過(guò)程得到直觀具體的呈現(xiàn)，也可能降低手工編程的缺陷與不足，不但有效減少了機(jī)床試，更為重要的是提高了其精準(zhǔn)度與整體的利用效率，更好的提升了生產(chǎn)加工的生產(chǎn)效率，節(jié)省了時(shí)間成本。從而可以看出，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出一些相關(guān)的處理文件，既可使機(jī)床在編程方面的效率得到大大提高，而且也可以利用這一系統(tǒng)的研究與繼續(xù)開(kāi)發(fā)，為我國(guó)工業(yè)向未來(lái)的工業(yè)化中的“私人定制”提供更多的可能性。

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