基于UG的曲面零件的造型设计与数控加工仿真研究

胡小青， 覃才友， 李小汝

（四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000）

0 引言

在机械零件的实际加工生产中，我们通常以G01、G02、G03为基本指令，手工编制由直线与圆弧构成的平面轮廓的零件程序，或者由平面轮廓、槽、孔等元素构成的较复杂零件的实体。曲面轮廓通常是由数学表达的方程曲线，如椭圆、双曲线、星型曲线等和不能用数学方程和函数表达的列表曲线，如蚌线、心脏线等［1］。而这些曲面轮廓中虽然有些曲面轮廓可以用宏程序和R参数化进行手工编程，这要求编程人员具有较深厚编程知识和数值分析计算能力，且耗时较长。因此，曲面轮廓的零件无论从编程方程和加工方面来说难度系数较大。为了保证曲面轮廓零件在真实加工过程中的顺利进行，因此之前都要经过加工仿真［2］。而UG软件不仅具有三维造型功能，同时具有自动生成程序功能以及仿真加工等功能，为程序的编制节省了时间。在此仅以曲面轮廓为载体研究基于UG的数控加工仿真。

曲面轮廓零件通常分为两类：平面曲线轮廓零件和立体曲面轮廓零件。

1 平面曲线轮廓零件数控仿真加工

常见的平面曲线轮廓有抛物线方程曲线、椭圆方程曲线轮廓、玫瑰花瓣方程曲线轮廓等。

如图1所示是一个玫瑰花瓣轮廓的零件，其主要外形是由极坐标方程表示的平面曲线构成的平面轮廓凸台，玫瑰花方程是：RP＝100sin（3AP），其中 100 表示玫瑰花外接圆半径，3表示玫瑰花瓣的数量，AP为极角，取值范围在0°～360°内，但是在每两个花瓣有R30.5 mm的圆弧相连，也就是说，AP极角的取值在 0°～360°是间断的，即：7.5°～52.5°，127.5°～172.5°，247.5°～292.5°。毛坯尺寸为φ200 mm×50 mm。

1.1 工艺的装夹

玫瑰花瓣零件的毛坯外形为圆柱形，图中仅有玫瑰花瓣轮廓需要加工，表面粗糙度有一定的要求，其余为非加工表面，可预先在车床上车出工件的外圆及端面表面粗糙度值达Ra6.3即可，以便加工轮廓时的装夹与找正。选择在数控加工中心机床上仿真加工玫瑰花瓣形状工件。选用自定心卡盘装夹工件，先将自定心卡固定工作台上，校正自定心卡盘与工作台面平行。

图1 玫瑰花瓣零件图

1.2 基于U G的玫瑰花瓣零件的三维造型及仿真加工

UG软件起源于美国麦道飞机公司，它不仅具有强大的实体造型、曲面造型虚拟装配等功能，而且可用UG建立的三维模型直接生成数控代码，用于数控的加工仿真［3］。在UG中首先建立图1玫瑰花瓣零件的三维模型和毛坯模型，如图2所示。为了在毛坯中显示玫瑰花瓣零件的轮廓，将毛坯设置为透明状态。选用φ24mm立式铣刀顺铣方式仿真加工玫瑰花瓣形状外形轮廓，主轴转速1000r/min，进给率为500 mm/min。刀具长度补偿为H01，半径补偿为D01。考虑到玫瑰花瓣零件的曲面空间的复杂性，提高加工效率应允许刀具侧刃参与切削，刀轴设置为侧刃驱动体，切削参数设置中“部件余量便置”2 mm。非切切削移动参数中的“进刀类型”为线性。长度为60%刀具，切削模式选择跟随部件。其余相关参数的由系统自动生成默认值。在玫瑰花瓣零件在UG中生成的刀具路径，在界面中以不同颜色的线框或实体形式仿真刀具路线。用户可直观地观看刀具动态仿真加工过程，通过创建刀具轨迹和创建几何体毛坯来实现刀具路径可视化的验证过程。玫瑰花瓣零件的加工仿真2D状态下刀具轨迹如图3。

图2 玫瑰花瓣零件加工仿真参数拟定

图3 玫瑰花瓣零件加工仿真过程的2D图

1.3 程序的后置处理

UG后置处理在读取了玫瑰花零件的刀具位置的点位和控制刀具运动的其他信息，经后置处理生成NC指令，进而生成适合指定机床的NC代码。但生成加工程序段比较长（NC程序省略），用户可以在自动生成的程序基础进行编辑修改，得到真实加工的NC程序。

2 立体曲面轮廓零件的仿真加工

如图4所示为立体半椭球，是以半圆为母线，经回转形成的几何特征形体。用平行于坐标平面的平面去截取椭球，得到的截形均为椭圆，体现真正意义上的立体曲面［4］。如图 5 所示不周截平面所获得的椭圆方程式 X＝acosβ，Y＝bsinβ，它的长半径a、短半径b是变化的。若采常用的仿真步骤是首先进行手工编程然后再进仿真加工。这就必须找出每一层椭圆的变化规律来，如图4上所示的P点半椭球上的任意一点，过P点的水平截平面，是主视图上是一条直线，在其它图的上投影均为椭圆，需通过变量α求得每一层的椭圆轮廓。因此椭球程序编制需解决以下四个问题：1）如何分层及层数的循环与控制。2）每层的加工循环与控制。3）各轴的坐标计算。4）加工方向的确定。

图4 立体半椭球零件图

由以上分析可以看出，手工编制椭圆球的程序难大较大，尽管宏程序可以对立体椭球中变量进行赋值、且变量之间可以运算，并能实现逻辑判断［5］。但即使编制出来，将会耗费大量的时间和精力，同时需要编程人员具有较强的数值分析和计算能力，且直接影响到下一步的仿真加工。但如果我们运用UG软件强大的造型和仿真和仿真功能，可以不需要进行手工编程，只需要进行三个过程，即可完成仿真加工和程序编制。

第一步，直接根据立体半椭球图4的零件图在UG中画出零件草图，然后经过回转命令，造出椭球的三维实体，如图5所示。在装夹立体椭球的毛坯装夹时，选用机用平口钳装夹毛坯。

图5 立体半椭球三维实体图和毛坯图

第二步，通过创建刀具、创建几何体、创建操作等模块进行仿真加工，在创建刀具中，视椭圆大小选用合适的平底键槽铣刀进行立体椭球粗加工仿真，精加工仿真时，选择球头铣刀进行立体椭球的精加工外形轮廓仿真。创建几何体时，选择毛坯的上表面为机床坐标系，依次选毛坯和要加工最终零件加工所得几何体，分别为图中长方体毛坯和透明方体内立体半椭球，如图5所示。粗加工仿真时选逆顺方式从上向下一层一层向下加工,如图6所示。精加工仿真时顺铣方式进行加工。

图6 立体半椭球仿真加工图

第三步，再通过创建程序模块生成立体半椭球的程序，以下是UG中程序创建生成的部分程序段内容，但UG中生成的程序段一般比较长，因此需要我们经过进一步的修改、删减，编辑成最终实际加工所需的程序。

3 结语

UG软件既可以完成精度的代数曲面的设计，也可以完成复杂多变的自由曲面的设计［6］。本文首先在UG环境完成了玫瑰花瓣零件和立体半椭球零件的曲面三维造型，在分析数控加工工艺分析的基础上，通过创建刀具、创建几何体、创建操作、后置处理。对玫瑰花瓣零件和立体半椭球零件的刀具轨迹的仿真加工。打破了先进行手工编程再进行仿真加工的惯用的仿真加工方法，为平面曲面零件和立体曲面轮廓的仿真加工提供了一般方法和步骤。因此充分运用UG软件强大曲面造型设计功能和数控加工仿真研究的一般方法，为实际加工提供刀具轨迹参考和程序参考，对实际生产有很强的实际指导作用。

［1］ 鞠华.逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究［D］.杭州：浙江大学，2003.

［2］ 李俊涛，吴让利.基于UG NX6.0的整体叶轮数控加工仿真研究［J］.陕西国防工业职业技术学院学报，2011（6）：45-47.

［3］ 汪小芳,邵娟琴.基于UG的齿轮油泵参数化设计与运动仿真［J］.常州工程职业技术学院学报，2012(4):38-40.

［4］ 杨顺田.新编数控编程100例［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［5］ 周岳，姚素芹.凸椭球数控粗铣加工路径分析及程序设计［J］.制造业自动化，2010（11）：15-17.

［6］ 王素玉，姜斌.基于UG的曲面设计与数控加工仿真［J］.煤矿机械，2013（2）：141-143.