UG基礎(chǔ)上的數(shù)控編程和加工過程仿真

劉艷華

（云南工業(yè)技師學(xué)院，云南 曲靖 655000）

UG NX是美國西門子公司（SIEMENS）的集CAD/CAE/CAM功能于一體的軟件集成系統(tǒng)，可對許多不同的應(yīng)用再利用，其功能非常強(qiáng)大，集成了二維草圖設(shè)計(jì)、三維實(shí)體建模、自由曲面建模、零部件裝配體的構(gòu)建、裝配體和零件工程圖的繪制、鈑金工藝以及模具設(shè)計(jì)等功能。UG軟件廣泛應(yīng)用于機(jī)械、家電、航空、玩具、汽車等領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，過程仿真和制造，軟件集成了有限元分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真模擬等模塊，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。UG NX的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的功能強(qiáng)大，主要可進(jìn)行銑削加工、點(diǎn)位加工、車削加工和線切割加工四類的輔助制造，具有效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工就必須要進(jìn)行數(shù)控編程，借助計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和CAM能夠生成所需的刀具軌跡，通過后置處理把刀軌翻譯成具體機(jī)床的數(shù)控加工程序，再輸入數(shù)控機(jī)床中，讓數(shù)控機(jī)床根據(jù)生成的程序指令完成操作，是目前工業(yè)現(xiàn)場廣泛采取的方法。

1 數(shù)控編程簡介

數(shù)控技術(shù)是多學(xué)科交叉的技術(shù)，集機(jī)械、電子、電氣控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，綜合性很強(qiáng)。數(shù)控加工基礎(chǔ)條件是根據(jù)工件構(gòu)型已確定的軌跡，憑借數(shù)控系統(tǒng)來操控?cái)?shù)控機(jī)床，按照程序指定和加工參數(shù)展開表面成型運(yùn)動(dòng)行為，并最終完成產(chǎn)品加工的目標(biāo)。數(shù)控編程就是生成具體型號(hào)機(jī)床加工零件的程序指令的過程。數(shù)控程序的好壞將影響數(shù)控加工的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量以及機(jī)床和刀具的使用壽命等。數(shù)控編程的方法有很多種，其主要包括四個(gè)步驟：分析零件圖樣與工藝；計(jì)算加工過程中刀具軌跡；編制具體機(jī)床的數(shù)控加工程序單和上機(jī)測試數(shù)控程序。程序可通過手工或計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程獲得。計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程需借助數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)輔助生成零件的加工程序。編程人員只需借助數(shù)控編程系統(tǒng)就能完成對加工過程的描述，由編程系統(tǒng)自動(dòng)完成加工程序的編制。UG NX在數(shù)控加工中的應(yīng)用可貫穿整個(gè)零件的加工過程，從建立零件的三維模型、設(shè)計(jì)和仿真加工過程、修改加工參數(shù)，到后置處理、生成數(shù)控程序等一系列任務(wù)都可全權(quán)參與，減少編程員的工作量，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

高精度、高效率的復(fù)雜形狀的零件加工對數(shù)控編程提出了更高的要求，數(shù)控編程技術(shù)將向著高度集成化、自動(dòng)化、智能化和簡單易操作化的編程方向發(fā)展。對復(fù)雜形狀零件的加工的研究一直都是數(shù)控編程技術(shù)重點(diǎn)，數(shù)控加工的效率與質(zhì)量取決于加工方案和加工參數(shù)的選擇，高度集成化是將指數(shù)控編程系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)、加工過程控制系統(tǒng)等更加高度地集成為一個(gè)系統(tǒng)。三維建模軟件有許多種，如SolidWorks、Inventor、Pro/E等，Pro/E也是許多企業(yè)正在使用的軟件，Creo軟件是Pro/E的升級版本，由于Pro/E的操作命令沒有SolidWorks的簡單方便，建模命令常使人感覺到抽象和不易理解，所以許多高校的三維CAD基礎(chǔ)教程都選擇使用SolidWorks軟件。SolidWorks還集成了許多模擬仿真插件，如注塑過程數(shù)值模擬插件（Plastics）、有限元分析插件（Simulation）、動(dòng)力學(xué)仿真插件（Motion）、逆向工程插件（Scan3D）等，其插件的操作難度不大，但計(jì)算精度不如一些專業(yè)的分析軟件高，如專業(yè)的流體分析插件Fluent，多功能的多種物理場分析軟件ANSYS，ANSYS的分析的分析能力涵蓋了機(jī)械結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)分析、電場和磁場分析、不同物理量的耦合分析等。

2 UG數(shù)控編程與仿真

UG NX為機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的生命周期中提供了一整套的解決方案。我國有很多企業(yè)使用UG NX的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）模塊，應(yīng)用UG NX的CAM模塊可建立與實(shí)際情況相一致的虛擬制造環(huán)境。在該環(huán)境中，可對數(shù)控機(jī)床和刀具等進(jìn)行定義，可將刀具軌跡和零件的毛坯模型輸入到虛擬環(huán)境中，對整個(gè)加工制造過程進(jìn)行仿真模擬。

2.1 UG數(shù)控編程模板

UG NX軟件為數(shù)控建模提供了非常強(qiáng)大的三維建模功能，無需復(fù)雜的編程過程，就能解決數(shù)控建模中的一大難題。UG NX為數(shù)控編程提供了加工程式模板、加工對象模板、刀具模板和刀具軌跡模板，可以通過建立模板文件把加工步驟、工藝參數(shù)與切削參數(shù)都設(shè)置好，這樣就能夠形成流水線式的零件加工方式，能夠提高數(shù)控編程的效率與質(zhì)量。用戶可以使用UG NX本身自帶數(shù)控編程模板，對于特定的應(yīng)用實(shí)際，使用者還可以自定義編程模板，應(yīng)用于符合本公司、本企業(yè)的數(shù)控加工，自定義數(shù)控加工模板的功能為用戶提供了很大的自由開發(fā)的空間，借助自定義模板，用戶無需再對模板中的加工參數(shù)重新設(shè)置，提高了編程效率。

2.2 刀具軌跡的生成與修改

生成刀具軌跡是數(shù)控加工的重要環(huán)節(jié)，UG NX為生成刀具軌跡提供了多種加工模塊：平面銑削、型腔銑削、等高加工銑削、固定軸銑削、變軸銑削和自動(dòng)清根模塊。計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程后的程序可能會(huì)出現(xiàn)空刀現(xiàn)象，所以用戶必須在正式進(jìn)行工件的加工之前就把數(shù)控加工的程序改好。UG NX能夠?qū)Φ毒叩能壽E進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，方便對加工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)的修正。UG NX對生成的刀軌信息可通過在模型中實(shí)時(shí)顯示的方式讓用戶直觀地觀察到，即便在沒有進(jìn)行數(shù)控加工的仿真之前，用戶就可以通過顯示的刀具軌跡判斷出哪些部位會(huì)出現(xiàn)刀具不連續(xù)加速度等現(xiàn)象，從而能夠及時(shí)對會(huì)出現(xiàn)問題的地方進(jìn)行修補(bǔ)和糾正。

2.3 加工過程仿真

UG NX可對零件的加工過程仿真，以人機(jī)交互的方式對零件的數(shù)控加工過程進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。通過UG NX的加工過程仿真可發(fā)現(xiàn)加工過程中出現(xiàn)的問題并及時(shí)進(jìn)行糾正，如圖1顯示了球面半精加工的仿真過程。

圖1 球面半精加工導(dǎo)軌驗(yàn)證

正是由于UG NX具備數(shù)控加工和自動(dòng)完成加工程序編制的功能，并且生成的代碼程序效率高，偏差小等，才能使其在數(shù)控加工領(lǐng)域廣受歡迎，相對于SolidWorks、Pro/E等軟件，用戶往往更加青睞于UG NX。

2.4 后置處理

將所得的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具體機(jī)床的程序代碼的過程稱為后置處理。后置處理一般包括：機(jī)床運(yùn)動(dòng)變換、非線性運(yùn)動(dòng)誤差校驗(yàn)、進(jìn)給速度校驗(yàn)和數(shù)控加工程序的生成。機(jī)床運(yùn)動(dòng)變換是將刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)床軸的行程范圍。由于機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)軸線性合成的實(shí)際刀位會(huì)偏離編程直線，所以應(yīng)對非線性運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行檢驗(yàn)，若超過允許的誤差應(yīng)作及時(shí)的修正。進(jìn)給速度的校驗(yàn)應(yīng)根據(jù)機(jī)床伺服電機(jī)的能力及切削負(fù)荷能力進(jìn)行校驗(yàn)和修正。

2.5 UG數(shù)控雕刻編程示例

傳統(tǒng)雕刻效率低、成本高、隨意性強(qiáng)，使得雕刻加工向自動(dòng)化發(fā)展成為必然趨勢。數(shù)控雕刻編程過程：（1）零件三維建模。進(jìn)入U(xiǎn)G NX的三維建模模塊，建立雕刻產(chǎn)品的三維模型。（2）生成加工刀軌。在“工序?qū)Ш狡鳌钡摹皫缀我晥D”中設(shè)置機(jī)床坐標(biāo)系“MCSMILL”的零點(diǎn)。再點(diǎn)開“MCS-MILL”設(shè)置“workpiece”，選擇部件和毛坯。進(jìn)入創(chuàng)建工序?qū)υ捒?，選擇要雕刻的平面文本，點(diǎn)擊“生成刀路”。主要切削參數(shù)設(shè)置包括主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度和雕刻深度。（3）代碼生成。在UG NX軟件的“工序?qū)Ш狡鳌边x項(xiàng)卡中的幾何視圖中選中“PLANAR_TEXT”刀路，右鍵點(diǎn)“后處理”，進(jìn)入后處理的設(shè)置對話框。設(shè)置好后置處理對話框后，點(diǎn)“確定”，即可自動(dòng)生成數(shù)控加工的G程序代碼。對于復(fù)雜平面輪廓的雕刻，UG NX的優(yōu)勢就更加突出了。復(fù)雜平面輪廓主要是由字母、數(shù)字、圖形符號(hào)等組成的圖文信息的輪廓，如品牌標(biāo)識(shí)、公司logo和其它個(gè)性化標(biāo)志等。使用UGNX對復(fù)雜平面文本和圖形的雕刻將更加美觀。

3 結(jié)語

UG NX為機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的生命周期中提供了一整套的解決方案，可選擇數(shù)控編程模板，生成刀具軌跡并可修改刀具軌跡，通過對加工過程的仿真可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行糾正，其后置處理模塊可生成具體機(jī)床的數(shù)控程序代碼。

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