UG三維數控加工仿真分析

陳振國

摘 要：五軸聯動數控機床是專門用于加工復雜曲面的機床，科技含量高、精密度高，但現階段，使用的五軸數控仿真系統通常只有二維動畫仿真，且整個仿真系統的幾何功能有所限制，加工零件和機床模型必須借助其他CAD軟件才能建模，整個模型的仿真精度不高。基于UG軟件創建五軸數控機床仿真模型，能夠準確讀出數控代碼，并未機床的各個部件實施三維仿真，同時對零件加工環節機床各部件之間的干涉進行檢查，為合理修改刀具軌跡提供可靠依據，避免因文件格式轉化導致仿真精度降低的情況。

關鍵詞：UG軟件 數控加工 仿真分析 三維數控

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0072-02

數控技術是一種基于電腦程序控制機器對機械零件進行加工的過程，與傳統機床相比，數控加工具有加工精度高、可加工復雜、不規則零件、效率高、可實現多軸同時加工等多個優點，經過多年發展，目前在零件加工領域中已經得到廣泛的應用。五軸聯動數控機床有高效率、高精度的特點，其出現適應了現代加工的要求。但加工過程中可出現碰撞、過切等，影響到零件加工質量。UG是綜合CAD/CAE/CAM為一體的參數化軟件，運用UG對五軸聯動數控機床加工過程進行模擬仿真分析，能夠更好地檢驗數控機床操作的正確性，保證數控程序的可行性，滿足零件加工的要求。

1 虛擬數控機床仿真

數控機床加工過程中，為保證數控編程的正確性，需對程序進行檢驗。傳統的零件程序檢驗主要是采用“空運行”或“試切”的方法，但前者只能粗略地估計機床運動的正確性，后者雖較為精確，但需要耗費材料和時間，成本較高，效率低，還存在一定的安全隱患。

虛擬數控機床是以仿真技術為基礎隨著虛擬制造業的發展而發展起來，利用虛擬數控機床可實現數控機床生產全過程的模擬仿真分析，通過虛擬環境下的數控機床加工全過程仿真分析，能夠較為精確地對零件程序進行檢驗，發現其中的錯誤，有效地避免現實生產中存在的刀具干涉、碰撞及過切、欠切等問題，提高數控加工的質量，且仿真分析過程中不需要使用真實的材料，速度更快、效率更高、成本更低，有利于實現制造系統的集成[1]。UG是當前較為流行的三維模具設計軟件，在虛擬數控仿真分析中，CAD/CAM軟件只能對道具路徑進行仿真，而運用UG，可將三維設計與數控仿真加工結合在一起，彌補CAD/CAM的不足，更好地對零件程度進行檢驗。

2 UG在數控仿真中的應用

利用UG進行數控仿真分析的過程主要包括基于UG的數控編程和基于UG的數控加工過程。在UG系統中，CAM BASE是所有加工制造模塊的基本框架，其有著強大的刀具軌跡生成方法，基于UG的數控編程過程主要包括設置CAM環境、選擇道具、建立父節點、創建操作、生成和檢驗刀軌等過程。

設置加工環境是UG數控仿真中創建操作的基礎，啟動UG/CAM模塊后，在“Machining Enviroment”對話框中制定加工環境，通過選擇相應的配置（cam general）確定設置的類型和操作的類型，再選擇相應的設置（mill multi-axis），完成CAM環境的設置。

在設置好的CAM環境中，選擇“operation Navigator”，切換到Machine Tool視圖，根據數控加工工藝的實際需求，從UG刀庫中調出相應的刀具；

父節點組的創建包括創建幾何體、設置加工坐標體系和安全平面、選擇加工及參數配置等，數控加工中幾何模型一般包括零件、毛坯、夾具，構成兩個包含了引用零件信息的裝配主模型。主模型只可讀，不能進行修改，其作用主要是對零件設計標準進行保護，編程人員可通過對裝配文件的修改對幾何模型進行裝配；完成幾何體的建立后，進入Geometry視圖，選擇“MCS”打開“MILLORIENT”，對加工坐標系原點和安全平面的位置進行設置；在切換到Method視圖，選擇數控加工的所需的加工方法，如精加工、粗加工等，在激活的設置窗口中，對加工余量、內外公差等參數進行設置。

操作的創建主要包括設置操作類型和設置切削參數兩個內容，主要是根據實際需求，設置父幾何體、刀具及加工過程中的相關參數。根據創建的操作，UG可生成刀軌，并采用圖形化的方式顯示刀軌。數控編程人員可采用靜態材料去除、動態材料去除或高級重放等方法對刀軌進行檢查；通過調用UG/Post模塊，可生產相應的NC代碼，完成機床系統的后處理。

由于數控機床中加工的零件結構較為復雜，生產過程中影響因素多，編程所設計的程序與實際加工情況可能存在一定的偏差，為保證的編程的正確性，還需進行加工過程仿真。首先根據機床的機構尺寸，建立機床幾何模型；再利用Machine Tool Builder，通過設置機床零點、運動軸位置、范圍、方向等，建立機床運動模型。利用后處理模塊生成機床驅動文件后，啟動UG集成仿真功能，對程序進行仿真分析，根據仿真分析結果修改NC代碼中的錯誤之處，經過反復仿真分析和修正，最終生成正確的NC代碼。

3 基于UG的三維數控仿真系統

3.1 創建三維仿真系統的步驟

3.1.1 仿真系統工作流程

三維仿真環境是基于計算機虛擬系統中，以不消耗能源和資源真實加工系統的映射，虛擬環境的操作應于實際加工系統所具備的功能相互一致。五坐標數控機床建立的仿真系統具體流程如圖1。五坐標聯動機床進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、參數的變化，通過裝配的形式把制作的CAD模型加入仿真系統內，從而提升仿真系統的靈活性。用戶依照實際加工操作基于UG環境下創建刀具、工件等模型，進一步方便對這些模型的尺寸進行修改，在仿真系統的操作直視下，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的模板文件內。

3.1.2 初始化仿真環境

建立合理的仿真模型之后，應對UG環境展開初始化操作，隨之進入運動分析模塊。為了方便在仿真系統內合理控制機床的各個運動部件，在開展仿真操作前要對機床模型中的幾何體實施遍歷，隨后獲得相關幾何體的指針。

3.1.3 解釋NC代碼語義

基于NC代碼對整個機床加工環節進行仿真操作，必須準確解釋機床NC代表代表的抑郁，把代碼指令進行轉化，從而得到機場不同軸的運動。機床NC代碼是由大量繁亂的機床運動指令組成，每次讀取的代碼都必須進行語義解釋，從而把NC代碼內有用的控制命令和數據轉換為機床各個軸的位移。

3.1.4 基于三維造型仿真加工過程

使用三維實體造型的辦法，能在仿真環境內更改不同的視角并無需重新進行計算，準確表示刀具與工件之間的幾何關系和位置。把NC代碼予以轉化成各個軸的位移，并對其運動情況實施仿真操作。在三維造型中把動畫一幀幀的展示出來，并保存到UG后臺數據庫內。經過存儲的仿真動畫能夠反復回放，可以根據各行的NC代碼依次顯示，實際顯示時可以進行放大、縮小及變換視角等操作。基于三維造型對整個加工環節進行仿真操作，能夠準確展現出空間內實體之間的位置關系，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、刀柄與工件之間進行干涉。因整個仿真過程采用三維實體造型的模式，因此干涉檢查就是對機床模型運動時是否相交進行判斷。采用模型的幾何體指針，對加工環節內可能出現的干涉部件其位置關系展開檢查計算。如果運動部件遭到干涉，創建干涉產生的實體，并通過UG系統獲取干涉部位的深度、體積等相關信息，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。

3.2 五坐標機床仿真系統實現

文中以五坐標聯動機床為研究對象，為該機床建立仿真模型，同時為三元葉輪的銑削加工環節實施仿真操作。整體式三元葉輪形狀非常復雜，具有大量的約束條件，因此加工難度較大，這是五軸數控加工操作中獨具代表性的零件。根據數控機床具體的傳動尺寸，基于UG環境創建仿真模型，對機床各個軸的運動方向及副作性質進行設定，同時把建立的模型存儲為模板文件。五坐標聯動機床的運動軸是由2個轉動軸，和三個移動軸組合而成。根據實際機床部件的具體尺寸，使用UG/Modeling模塊為機床部件創建各自的實體模型，隨后使用UG/Assemblies模塊把不同部件進行裝配操作，從而形成完整的實體模型。在UG/Motion運動分析模塊挑選工作臺等機床部件定義成連桿，移動副由機床的X、Y、Z軸定義，B、C軸表示轉動副，根據設定的機床傳動軸運動方向進行操作，同時設定運動副其驅動方式是Articulation。

對仿真完成的機床模型進行保存，就能加載各類工件、刀具及夾具，如此采用同個機床對各類工件進行加工時，不需要反復創建仿真模型。通過UF_UI_FILENAME函數彈出的對話框，挑選應該裝配的部件，同時輸入待裝部件的位置，采用UF_ASSEM_assembly函數對部件進行裝配，并把部件實體指針設置為運動副。若裝配部件有必須隱藏的地方，可通過UG中Blank命令對其進行隱藏操作。

4 結語

隨著現代工業的快速發展，零件的結構越來越復雜，對加工精度的要求也更高。基于計算機控制技術的數控加工機床較好地滿足了現代加工業的需求。但由于零件結構復雜多變，且實際加工環境較為復雜，為保證零件程序的正確性，需對零件程序進行檢驗。基于UG建立的數控加工仿真模型，可以對整個加工過程機床干涉、碰撞等情況進行檢查，為合理修改刀位提供有效依據，提升整個數據加工的工作效率，具有優良的實用性。

參考文獻

[1] 陳常標，王保民，孫柯，等.基于UG和VERICUT數控加工與仿真研究[J].機械工程師，2014（11）：174-176.

[2] 馬真宇，康文利.基于UG的五軸數控機床加工仿真探討[J].科技風，2013（13）：5.

[3] 王春曉，張長.基于UG/ISV的數控銑床數字化加工仿真設計[J].現代電子技術，2015（3）：125-127.