基于UG的曲面零件的造型設計與數控加工仿真研究

胡小青， 覃才友， 李小汝

（四川工程職業技術學院，四川 德陽 618000）

0 引言

在機械零件的實際加工生產中，我們通常以G01、G02、G03為基本指令，手工編制由直線與圓弧構成的平面輪廓的零件程序，或者由平面輪廓、槽、孔等元素構成的較復雜零件的實體。曲面輪廓通常是由數學表達的方程曲線，如橢圓、雙曲線、星型曲線等和不能用數學方程和函數表達的列表曲線，如蚌線、心臟線等［1］。而這些曲面輪廓中雖然有些曲面輪廓可以用宏程序和R參數化進行手工編程，這要求編程人員具有較深厚編程知識和數值分析計算能力，且耗時較長。因此，曲面輪廓的零件無論從編程方程和加工方面來說難度系數較大。為了保證曲面輪廓零件在真實加工過程中的順利進行，因此之前都要經過加工仿真［2］。而UG軟件不僅具有三維造型功能，同時具有自動生成程序功能以及仿真加工等功能，為程序的編制節省了時間。在此僅以曲面輪廓為載體研究基于UG的數控加工仿真。

曲面輪廓零件通常分為兩類：平面曲線輪廓零件和立體曲面輪廓零件。

1 平面曲線輪廓零件數控仿真加工

常見的平面曲線輪廓有拋物線方程曲線、橢圓方程曲線輪廓、玫瑰花瓣方程曲線輪廓等。

如圖1所示是一個玫瑰花瓣輪廓的零件，其主要外形是由極坐標方程表示的平面曲線構成的平面輪廓凸臺，玫瑰花方程是：RP＝100sin（3AP），其中 100 表示玫瑰花外接圓半徑，3表示玫瑰花瓣的數量，AP為極角，取值范圍在0°～360°內，但是在每兩個花瓣有R30.5 mm的圓弧相連，也就是說，AP極角的取值在 0°～360°是間斷的，即：7.5°～52.5°，127.5°～172.5°，247.5°～292.5°。毛坯尺寸為φ200 mm×50 mm。

1.1 工藝的裝夾

玫瑰花瓣零件的毛坯外形為圓柱形，圖中僅有玫瑰花瓣輪廓需要加工，表面粗糙度有一定的要求，其余為非加工表面，可預先在車床上車出工件的外圓及端面表面粗糙度值達Ra6.3即可，以便加工輪廓時的裝夾與找正。選擇在數控加工中心機床上仿真加工玫瑰花瓣形狀工件。選用自定心卡盤裝夾工件，先將自定心卡固定工作臺上，校正自定心卡盤與工作臺面平行。

圖1 玫瑰花瓣零件圖

1.2 基于U G的玫瑰花瓣零件的三維造型及仿真加工

UG軟件起源于美國麥道飛機公司，它不僅具有強大的實體造型、曲面造型虛擬裝配等功能，而且可用UG建立的三維模型直接生成數控代碼，用于數控的加工仿真［3］。在UG中首先建立圖1玫瑰花瓣零件的三維模型和毛坯模型，如圖2所示。為了在毛坯中顯示玫瑰花瓣零件的輪廓，將毛坯設置為透明狀態。選用φ24mm立式銑刀順銑方式仿真加工玫瑰花瓣形狀外形輪廓，主軸轉速1000r/min，進給率為500 mm/min。刀具長度補償為H01，半徑補償為D01。考慮到玫瑰花瓣零件的曲面空間的復雜性，提高加工效率應允許刀具側刃參與切削，刀軸設置為側刃驅動體，切削參數設置中“部件余量便置”2 mm。非切切削移動參數中的“進刀類型”為線性。長度為60%刀具，切削模式選擇跟隨部件。其余相關參數的由系統自動生成默認值。在玫瑰花瓣零件在UG中生成的刀具路徑，在界面中以不同顏色的線框或實體形式仿真刀具路線。用戶可直觀地觀看刀具動態仿真加工過程，通過創建刀具軌跡和創建幾何體毛坯來實現刀具路徑可視化的驗證過程。玫瑰花瓣零件的加工仿真2D狀態下刀具軌跡如圖3。

圖2 玫瑰花瓣零件加工仿真參數擬定

圖3 玫瑰花瓣零件加工仿真過程的2D圖

1.3 程序的后置處理

UG后置處理在讀取了玫瑰花零件的刀具位置的點位和控制刀具運動的其他信息，經后置處理生成NC指令，進而生成適合指定機床的NC代碼。但生成加工程序段比較長（NC程序省略），用戶可以在自動生成的程序基礎進行編輯修改，得到真實加工的NC程序。

2 立體曲面輪廓零件的仿真加工

如圖4所示為立體半橢球，是以半圓為母線，經回轉形成的幾何特征形體。用平行于坐標平面的平面去截取橢球，得到的截形均為橢圓，體現真正意義上的立體曲面［4］。如圖 5 所示不周截平面所獲得的橢圓方程式 X＝acosβ，Y＝bsinβ，它的長半徑a、短半徑b是變化的。若采常用的仿真步驟是首先進行手工編程然后再進仿真加工。這就必須找出每一層橢圓的變化規律來，如圖4上所示的P點半橢球上的任意一點，過P點的水平截平面，是主視圖上是一條直線，在其它圖的上投影均為橢圓，需通過變量α求得每一層的橢圓輪廓。因此橢球程序編制需解決以下四個問題：1）如何分層及層數的循環與控制。2）每層的加工循環與控制。3）各軸的坐標計算。4）加工方向的確定。

圖4 立體半橢球零件圖

由以上分析可以看出，手工編制橢圓球的程序難大較大，盡管宏程序可以對立體橢球中變量進行賦值、且變量之間可以運算，并能實現邏輯判斷［5］。但即使編制出來，將會耗費大量的時間和精力，同時需要編程人員具有較強的數值分析和計算能力，且直接影響到下一步的仿真加工。但如果我們運用UG軟件強大的造型和仿真和仿真功能，可以不需要進行手工編程，只需要進行三個過程，即可完成仿真加工和程序編制。

第一步，直接根據立體半橢球圖4的零件圖在UG中畫出零件草圖，然后經過回轉命令，造出橢球的三維實體，如圖5所示。在裝夾立體橢球的毛坯裝夾時，選用機用平口鉗裝夾毛坯。

圖5 立體半橢球三維實體圖和毛坯圖

第二步，通過創建刀具、創建幾何體、創建操作等模塊進行仿真加工，在創建刀具中，視橢圓大小選用合適的平底鍵槽銑刀進行立體橢球粗加工仿真，精加工仿真時，選擇球頭銑刀進行立體橢球的精加工外形輪廓仿真。創建幾何體時，選擇毛坯的上表面為機床坐標系，依次選毛坯和要加工最終零件加工所得幾何體，分別為圖中長方體毛坯和透明方體內立體半橢球，如圖5所示。粗加工仿真時選逆順方式從上向下一層一層向下加工,如圖6所示。精加工仿真時順銑方式進行加工。

圖6 立體半橢球仿真加工圖

第三步，再通過創建程序模塊生成立體半橢球的程序，以下是UG中程序創建生成的部分程序段內容，但UG中生成的程序段一般比較長，因此需要我們經過進一步的修改、刪減，編輯成最終實際加工所需的程序。

3 結語

UG軟件既可以完成精度的代數曲面的設計，也可以完成復雜多變的自由曲面的設計［6］。本文首先在UG環境完成了玫瑰花瓣零件和立體半橢球零件的曲面三維造型，在分析數控加工工藝分析的基礎上，通過創建刀具、創建幾何體、創建操作、后置處理。對玫瑰花瓣零件和立體半橢球零件的刀具軌跡的仿真加工。打破了先進行手工編程再進行仿真加工的慣用的仿真加工方法，為平面曲面零件和立體曲面輪廓的仿真加工提供了一般方法和步驟。因此充分運用UG軟件強大曲面造型設計功能和數控加工仿真研究的一般方法，為實際加工提供刀具軌跡參考和程序參考，對實際生產有很強的實際指導作用。

［1］ 鞠華.逆向工程中自由曲面的數據處理與誤差補償研究［D］.杭州：浙江大學，2003.

［2］ 李俊濤，吳讓利.基于UG NX6.0的整體葉輪數控加工仿真研究［J］.陜西國防工業職業技術學院學報，2011（6）：45-47.

［3］ 汪小芳,邵娟琴.基于UG的齒輪油泵參數化設計與運動仿真［J］.常州工程職業技術學院學報，2012(4):38-40.

［4］ 楊順田.新編數控編程100例［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［5］ 周岳，姚素芹.凸橢球數控粗銑加工路徑分析及程序設計［J］.制造業自動化，2010（11）：15-17.

［6］ 王素玉，姜斌.基于UG的曲面設計與數控加工仿真［J］.煤礦機械，2013（2）：141-143.