基于NX CAM的數控工藝與機床仿真分析

汪凱 李曉光 楊全軍

摘 要：為解決復雜零件數控加工手動編程效率低、可靠性差等問題，現提出采用UG NX軟件進行三維設計、數控工藝制定、模擬仿真，在此基礎上將NX CAM后處理過的G代碼導入數控設備，進行加工特型曲面的方法。通過試驗件的檢測分析，發現該方法具有一定的合理性和準確性，能夠有效提高零件的加工效率。

關鍵詞：數控工藝；NX CAM；仿真；檢測

中圖分類號：TH162 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0005-04

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and low reliability of manual programming for computer numerical control （CNC） machining of complex parts， this paper puts forward the use of UG NX software for 3D design， CNC process formulation and simulation. On the basis of this， the post-processing G code of NX CAM is imported into the CNC equipment to process the special curved surface. It is found that this method has certain rationality and accuracy， and can effectively improve the machining efficiency of the parts through the testing and analysis of the test pieces.

Keywords： computer numerical control （CNC） process； NX CAM； simulation； detection

序言

數控加工具有高效率、高精度等優點，已被廣泛應用于機械加工領域。目前，許多學者針對數控加工的切削參數優化、工藝路線規劃、刀具路徑規劃等都做過不少研究。本文從數控設備操作者的角度出發，提出采用UG NX軟件進行三維設計、模擬仿真，以解決復雜零件數控加工手動編程效率低、可靠性差等問題。

UG NX軟件是集產品結構設計、工藝路線優化、程序輸出于一體的CAD/CAM軟件系統，具有高效能的機械設計和制圖功能，且生成代碼交互性好，可通過其后處理構造器定制化與設備實現無縫對接，進而有效提高加工效率。

本文以一個具有一般球面外形、型腔結構的零件為例，詳細介紹了代碼生成及實物加工制造過程，并對零件的尺寸、形位公差等進行了測量。結果表明，該零件各項參數均符合圖紙要求，該方法在生產實踐中具有一定的應用意義。

1 實體造型及數控工藝

常規的機加車間加工的零件具有結構復雜、種類多的特點，且大多屬于單件小批生產。目前，操作者主要采用手動編寫G代碼的方式進行加工，該方法存在效率低、可靠性差等問題，利用UG NX軟件CAM技術進行自動編程并快速輸出設備所需的數控程序可有效解決這一問題。

1.1 實體造型

如圖1所示，該零件為連接塊，它具有螺紋孔、球面、型腔等結構，整體加工難度適中[1]。通過UG NX進行三維設計，零件實體造型如圖2所示，進入UG NX的CAM模塊，利用UG NX的后處理構造器定制MAZAK四軸機床的控制系統，可生成準確控制MAZAK_PFH_4800的G代碼。

1.2 工藝分析

該連接塊由六個面組成，前、左側表面分別包含半球與型腔，另外四個均為平面，粗糙度要求Ra3.2。其中，半球與型腔是加工難點，基于生產車間實際情況，特采用以下加工方案：

零件毛坯為150mm×120mm×120mm的方料，將其裝夾到PFH_4800臥式加工中心工作臺上，先銑削四個工作平面，后加工型腔與半球平面；通過NX生成的數控程序，依次完成型腔、半球的銑削，最后鉆孔、攻螺紋，以實現零件成型加工。

1.3 數控工藝的制定

該連接塊零件的切削加工為了達到較高的表面質量和形位公差要求，毛坯加工至零件采取三次定位裝夾，先使用銑刀完成連接塊六個表面的加工，然后使用鉆頭進行預鉆孔的加工，再使用平頭銑粗銑型腔、半球面，最后使用球頭銑刀將連接塊加工至滿足圖紙要求。零件整體的加工思路是粗加工→半精加工→精加工[2]，具體的加工工序分析如下：

粗銑、半精銑毛坯表面：單次走刀銑平面，工作臺分度旋轉90°，即可完成側面四個待加工面的銑削加工，刀具路徑采用平行加工，平面度可以得到一定程度的控制。

預鉆盲孔：主要是通過鉆、精銑的工步加工成φ30孔，采用的是環繞等距加工方法，設定使用U鉆，大幅降低盲孔底部錐度，滿足零件使用要求[3]。

型腔：主要是通過粗銑型腔側壁、精銑型腔底面的工步加工Ra3.2。

半球面的銑削：主要是通過粗銑、半精銑與精銑達到表面質量要求，分別采用了型腔銑、深度加工輪廓銑與固定輪廓銑的刀軌生成方式。

螺紋孔：先鉆成四個螺紋底孔，倒角完成后，開始攻絲，走刀時選擇周邊路徑，避免出現鉆孔過程中出現干涉半球面的情況。

結合以上的數控工藝分析，最終確定切削參數如表1所示的加工工藝。

2 機床構造及加工仿真

基于UG NX軟件，建立PFH_4800機床數字化樣機、組合夾具元件與刀具，以模擬實際工況，從而實現組合夾具裝夾、碰撞檢測仿真、工時定額。

2.1 建立仿真結構Mazak_PFH_4800

首先在UG NX軟件源文件resource目錄下建立文件夾PFH_4800，然后在該目錄下建立三個子文件夾，分別用于存放機床模型、后置處理文件與機床控制文件。在此基礎上新建PFH_4800.dat，使用文本編輯器編制調用機床文件的指令，內容如下：

Mazak_PFH_4800，${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLE

D_MACHINES_DIR}Mazak_PFH_4800＼postprocessor＼Mazak_

PFH_4800_Post.tcl，

${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MACHINES_DI

R}Mazak_PFH_4800＼postprocessor＼Mazak_PFH_4800_Post.D

EFCSE_FILES， ${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MA

CHINES_DIR}Mazak_PFH_4800＼cse_driver＼Mazak_PFH_480

0.MCF

2.2 建立機床運動學關系模型

在UG NX軟件中打開機床構造器，將機床名稱修改為PFH_4800_1，開始建立機床組件，在機床PFH_4800_1上右鍵→插入→機座組件，過濾器選擇為組件，將不參與運動的機床組件都選擇為機座組件幾何體，機床零點定義在主軸端面，在MACHINE_BASE下依次插入機床組件。

建立完成后，需要進行初步的軸定義檢驗，在機床導航器空白處右鍵→預覽運動→顯示機床軸位置，拖動各軸的拖動條，觀察各軸運動情況是否正確，如需修改，選擇編輯軸的功能進行編輯。

軸的運動關系建立完成后，配置通道，將所有未指派的軸添加到通道中，然后指定主軸和各幾何軸，建立完成機床的運動學關系模型，如圖6所示，為配置器完成后的結果。

2.3 機床仿真操作

在工序導航器空白處右鍵點擊機床視圖，切換到機床視圖，從庫中調入機床，庫類選擇為MILL，選擇PFH_4800，通過采用裝配約束定位，使用組合夾具將零件裝夾到工作臺上。如圖7所示，方料通過壓板和墊塊，在工作臺上進行裝夾。

在工序導航器中，在仿真控制面板中選中顯示3D除料、顯示刀軌，選擇機床代碼仿真模式查看仿真過程。仿真完成后，關閉仿真控制面板。

3 零件檢測

通過以上數控工藝的選擇，采用試切法獲得較好的加工參數，最終完成兩個主要工作面的加工，零件完工后的實際效果如圖8所示。

在零件加工圖紙中，型腔底面要求Ra1.6，半球面SR20（+0.1，0）。試驗件加工完成后，使用表面/輪廓綜合測量儀對連接塊型腔底面進行粗糙度測量，其Ra = 1.5199μm；使用三坐標測量儀可以測得試驗加工的零件半球面SR=20.0751mm；均滿足圖紙中對零件質量的技術與尺寸要求。綜合檢查該零件，無明顯接刀痕，零件加工質量較好。

4 結束語

本文針對具有規律曲面外形的零件，通過UG NX軟件進行工藝分析、零件建模、定制后處理、制定數控工藝并制作加工仿真，使用后處理生成的NC程序進行生產加工，在PFH_4800四軸臥加上完成實體加工。這是為了生產車間一線實施的數字化樣機項目所做的前期測試階段，UG NX CAM編程結合產品生命周期管理系統PLM、車間生產一線管理系統MES可以實現統一進行上傳、校核、分發數控程序。仿真結果證明，開展數控機床設備建模、零部件加工仿真并進行生產制造是可行的，可將該方法推廣到一般的車間生產實踐中。這對于具有復雜曲面零件的加工和量產具有一定指導意義。

參考文獻：

[1]劉明.基于UG軟件的機械制圖課程虛擬化教學[J].遼寧師專學報（自然科學版）.2017，1.

[2]念勇，張榮，黃恒，等.基于四軸機床的手機實體建模與加工[J].金屬加工（冷加工），2013（3）：69-71.

[3]徐昌鴻，張樹生，黃波，面向數控工藝重用的三維CAD模型局部結構檢索，[J].計算機集成制造系統，2017，8.