UG三维数控加工仿真分析

陈振国

摘 要：五轴联动数控机床是专门用于加工复杂曲面的机床，科技含量高、精密度高，但现阶段，使用的五轴数控仿真系统通常只有二维动画仿真，且整个仿真系统的几何功能有所限制，加工零件和机床模型必须借助其他CAD软件才能建模，整个模型的仿真精度不高。基于UG软件创建五轴数控机床仿真模型，能够准确读出数控代码，并未机床的各个部件实施三维仿真，同时对零件加工环节机床各部件之间的干涉进行检查，为合理修改刀具轨迹提供可靠依据，避免因文件格式转化导致仿真精度降低的情况。

关键词：UG软件 数控加工 仿真分析 三维数控

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（c）-0072-02

数控技术是一种基于电脑程序控制机器对机械零件进行加工的过程，与传统机床相比，数控加工具有加工精度高、可加工复杂、不规则零件、效率高、可实现多轴同时加工等多个优点，经过多年发展，目前在零件加工领域中已经得到广泛的应用。五轴联动数控机床有高效率、高精度的特点，其出现适应了现代加工的要求。但加工过程中可出现碰撞、过切等，影响到零件加工质量。UG是综合CAD/CAE/CAM为一体的参数化软件，运用UG对五轴联动数控机床加工过程进行模拟仿真分析，能够更好地检验数控机床操作的正确性，保证数控程序的可行性，满足零件加工的要求。

1 虚拟数控机床仿真

数控机床加工过程中，为保证数控编程的正确性，需对程序进行检验。传统的零件程序检验主要是采用“空运行”或“试切”的方法，但前者只能粗略地估计机床运动的正确性，后者虽较为精确，但需要耗费材料和时间，成本较高，效率低，还存在一定的安全隐患。

虚拟数控机床是以仿真技术为基础随着虚拟制造业的发展而发展起来，利用虚拟数控机床可实现数控机床生产全过程的模拟仿真分析，通过虚拟环境下的数控机床加工全过程仿真分析，能够较为精确地对零件程序进行检验，发现其中的错误，有效地避免现实生产中存在的刀具干涉、碰撞及过切、欠切等问题，提高数控加工的质量，且仿真分析过程中不需要使用真实的材料，速度更快、效率更高、成本更低，有利于实现制造系统的集成[1]。UG是当前较为流行的三维模具设计软件，在虚拟数控仿真分析中，CAD/CAM软件只能对道具路径进行仿真，而运用UG，可将三维设计与数控仿真加工结合在一起，弥补CAD/CAM的不足，更好地对零件程度进行检验。

2 UG在数控仿真中的应用

利用UG进行数控仿真分析的过程主要包括基于UG的数控编程和基于UG的数控加工过程。在UG系统中，CAM BASE是所有加工制造模块的基本框架，其有着强大的刀具轨迹生成方法，基于UG的数控编程过程主要包括设置CAM环境、选择道具、建立父节点、创建操作、生成和检验刀轨等过程。

设置加工环境是UG数控仿真中创建操作的基础，启动UG/CAM模块后，在“Machining Enviroment”对话框中制定加工环境，通过选择相应的配置（cam general）确定设置的类型和操作的类型，再选择相应的设置（mill multi-axis），完成CAM环境的设置。

在设置好的CAM环境中，选择“operation Navigator”，切换到Machine Tool视图，根据数控加工工艺的实际需求，从UG刀库中调出相应的刀具；

父节点组的创建包括创建几何体、设置加工坐标体系和安全平面、选择加工及参数配置等，数控加工中几何模型一般包括零件、毛坯、夹具，构成两个包含了引用零件信息的装配主模型。主模型只可读，不能进行修改，其作用主要是对零件设计标准进行保护，编程人员可通过对装配文件的修改对几何模型进行装配；完成几何体的建立后，进入Geometry视图，选择“MCS”打开“MILLORIENT”，对加工坐标系原点和安全平面的位置进行设置；在切换到Method视图，选择数控加工的所需的加工方法，如精加工、粗加工等，在激活的设置窗口中，对加工余量、内外公差等参数进行设置。

操作的创建主要包括设置操作类型和设置切削参数两个内容，主要是根据实际需求，设置父几何体、刀具及加工过程中的相关参数。根据创建的操作，UG可生成刀轨，并采用图形化的方式显示刀轨。数控编程人员可采用静态材料去除、动态材料去除或高级重放等方法对刀轨进行检查；通过调用UG/Post模块，可生产相应的NC代码，完成机床系统的后处理。

由于数控机床中加工的零件结构较为复杂，生产过程中影响因素多，编程所设计的程序与实际加工情况可能存在一定的偏差，为保证的编程的正确性，还需进行加工过程仿真。首先根据机床的机构尺寸，建立机床几何模型；再利用Machine Tool Builder，通过设置机床零点、运动轴位置、范围、方向等，建立机床运动模型。利用后处理模块生成机床驱动文件后，启动UG集成仿真功能，对程序进行仿真分析，根据仿真分析结果修改NC代码中的错误之处，经过反复仿真分析和修正，最终生成正确的NC代码。

3 基于UG的三维数控仿真系统

3.1 创建三维仿真系统的步骤

3.1.1 仿真系统工作流程

三维仿真环境是基于计算机虚拟系统中，以不消耗能源和资源真实加工系统的映射，虚拟环境的操作应于实际加工系统所具备的功能相互一致。五坐标数控机床建立的仿真系统具体流程如图1。五坐标联动机床进行加工的零件极为广泛，可以综合考虑工件、道具等物品的外形、参数的变化，通过装配的形式把制作的CAD模型加入仿真系统内，从而提升仿真系统的灵活性。用户依照实际加工操作基于UG环境下创建刀具、工件等模型，进一步方便对这些模型的尺寸进行修改，在仿真系统的操作直视下，用户只要挑选最佳的部件和位置，就能把工件、夹具等模型装配至仿真系统的模板文件内。

3.1.2 初始化仿真环境

建立合理的仿真模型之后，应对UG环境展开初始化操作，随之进入运动分析模块。为了方便在仿真系统内合理控制机床的各个运动部件，在开展仿真操作前要对机床模型中的几何体实施遍历，随后获得相关几何体的指针。

3.1.3 解释NC代码语义

基于NC代码对整个机床加工环节进行仿真操作，必须准确解释机床NC代表代表的抑郁，把代码指令进行转化，从而得到机场不同轴的运动。机床NC代码是由大量繁乱的机床运动指令组成，每次读取的代码都必须进行语义解释，从而把NC代码内有用的控制命令和数据转换为机床各个轴的位移。

3.1.4 基于三维造型仿真加工过程

使用三维实体造型的办法，能在仿真环境内更改不同的视角并无需重新进行计算，准确表示刀具与工件之间的几何关系和位置。把NC代码予以转化成各个轴的位移，并对其运动情况实施仿真操作。在三维造型中把动画一帧帧的展示出来，并保存到UG后台数据库内。经过存储的仿真动画能够反复回放，可以根据各行的NC代码依次显示，实际显示时可以进行放大、缩小及变换视角等操作。基于三维造型对整个加工环节进行仿真操作，能够准确展现出空间内实体之间的位置关系，三维效果非常好。

3.1.5 干涉检查仿真过程

对仿真过程进行干涉和检查操作，主要是对加工操作中刀具、夹具、刀柄与工件之间进行干涉。因整个仿真过程采用三维实体造型的模式，因此干涉检查就是对机床模型运动时是否相交进行判断。采用模型的几何体指针，对加工环节内可能出现的干涉部件其位置关系展开检查计算。如果运动部件遭到干涉，创建干涉产生的实体，并通过UG系统获取干涉部位的深度、体积等相关信息，并输出形成干涉效果的NC代码，为合理修改刀具轨迹提供可靠依据。

3.2 五坐标机床仿真系统实现

文中以五坐标联动机床为研究对象，为该机床建立仿真模型，同时为三元叶轮的铣削加工环节实施仿真操作。整体式三元叶轮形状非常复杂，具有大量的约束条件，因此加工难度较大，这是五轴数控加工操作中独具代表性的零件。根据数控机床具体的传动尺寸，基于UG环境创建仿真模型，对机床各个轴的运动方向及副作性质进行设定，同时把建立的模型存储为模板文件。五坐标联动机床的运动轴是由2个转动轴，和三个移动轴组合而成。根据实际机床部件的具体尺寸，使用UG/Modeling模块为机床部件创建各自的实体模型，随后使用UG/Assemblies模块把不同部件进行装配操作，从而形成完整的实体模型。在UG/Motion运动分析模块挑选工作台等机床部件定义成连杆，移动副由机床的X、Y、Z轴定义，B、C轴表示转动副，根据设定的机床传动轴运动方向进行操作，同时设定运动副其驱动方式是Articulation。

对仿真完成的机床模型进行保存，就能加载各类工件、刀具及夹具，如此采用同个机床对各类工件进行加工时，不需要反复创建仿真模型。通过UF_UI_FILENAME函数弹出的对话框，挑选应该装配的部件，同时输入待装部件的位置，采用UF_ASSEM_assembly函数对部件进行装配，并把部件实体指针设置为运动副。若装配部件有必须隐藏的地方，可通过UG中Blank命令对其进行隐藏操作。

4 结语

随着现代工业的快速发展，零件的结构越来越复杂，对加工精度的要求也更高。基于计算机控制技术的数控加工机床较好地满足了现代加工业的需求。但由于零件结构复杂多变，且实际加工环境较为复杂，为保证零件程序的正确性，需对零件程序进行检验。基于UG建立的数控加工仿真模型，可以对整个加工过程机床干涉、碰撞等情况进行检查，为合理修改刀位提供有效依据，提升整个数据加工的工作效率，具有优良的实用性。

参考文献

[1] 陈常标，王保民，孙柯，等.基于UG和VERICUT数控加工与仿真研究[J].机械工程师，2014（11）：174-176.

[2] 马真宇，康文利.基于UG的五轴数控机床加工仿真探讨[J].科技风，2013（13）：5.

[3] 王春晓，张长.基于UG/ISV的数控铣床数字化加工仿真设计[J].现代电子技术，2015（3）：125-127.