基于UG的五轴数控机床加工仿真探究与发展进展分析

王亮 霍晓佩 左锋 张辉林 王联翔

（中国兵器工业集团第二0七研究所 山西省太原市 030006）

五轴联动数控机床具有科技含量高、加工精度高等一系列特点，主要用于复杂曲面的加工生产，其应用效果直接关系到国家航空、航天、军事、科研等一系列领域的发展。五轴联动数控机床在近些年来得到迅速发展，但零件数控加工仍会受到相关外部干涉的影响，造成加工误差，因此需要做好五轴联动数控机床加工仿真系统的研究工作，利用计算机对数控加工的实际开展情况进行正确性验证，发现潜在的数控程序问题并加以修正，为五轴联动数控机床有序发挥功能提供基础保障，对于成本管控、效率与质量的提升均具有积极作用。

进行五轴数控机床的加工仿真，仿真系统必须要满足以下几项条件：

（1）数控加工仿真系统必须能够显示刀具轨迹，对整体加工效率进行整理和呈现；

（2）对于加工过程中不同部件之间的故障问题，能够做到及时发现并呈现；

（3）能够实现零件加工结果与理想零件之间的对比，显示两者之间的误差。

就目前使用的数控加工仿真系统来看，其由不同功能的模块组成，最为核心的功能模块就是显示模块，根据组成数控机床加工仿真系统的显示模块类型来看，可以将其分为图形像素的仿真、对象仿真以及实体仿真。零件加工需要去除相关材料，数控机床加工仿真系统主要通过Z-buffer算法来实现，最后通过显示模块进行图像呈现，值得注意的是，目前这种依托算法来实现零件加工状态呈现的方式，存在无法结合实际需求进行视角调整的问题，在高精度数控加床加工仿真中的应用受到很大限制，往往需要使用者自己建立起数控加工仿真模型，服务于后续的仿真工作。实际应用过程中，考虑到零件造型的复杂程度，仿真模型的建立难度较高，往往需要借助CAD软件进行早期建模，之后转变为CES格式，方便导入到数控机床加工仿真系统中使用。零件CAD格式到CES格式的转换，会造成零件尺寸的偏差，随着零件曲面复杂程度的增加，这一误差的存在可能造成翘曲、裂缝等一系列问题。

数控加工仿真系统中包含了零件的各项参数，零件各个部位在空间中的信息都可以用数据进行呈现，直接利用三维软件进行零件的模型设计，之后进行运动仿真可以最大程度减少以上格式转换造成问题，也可以做到在整个加工仿真的过程中转换视角，将加工期间机床各个部位的空间位置情况呈现出来，鉴别其是否存在故障问题。除此之外，加工过程中的干涉能够以信息的形式输出出来，便于进行刀位参数的调整，对于扩展仿真系统的功能、提升编程效率的提升具有积极作用。

1 五轴数控机床加工仿真系统的功能以及研究意义

1.1 五轴数控机床加工仿真技术的工作原理

（1）仿真加工系统的开发：仿真加工系统建立起设计信息和实际生产之间，根据仿真系统可以对设计信息进行维护或者变更，更好地服务于后期生产工作。仿真加工系统的基础是CAD以及CAM等应用软件，借助这两项应用软件进行机床以及加工零部件的模型建立，之后设计相应的程序进行零部件的加工和组装，对整个生产过程进行模拟。基于此，仿真加工系统需要进行机床模型的建立、刀具模型的建立、工件模型的建立，同时进行加工信息的整理和程序的编写，服务于后续加工仿真工作。

（2）仿真加工系统的机床建模：所谓机床建模就是在仿真加工系统中生成以及数控机床的数字化模型，数字化模型应当具备几何模型、运动模型等部分，几何模型的建立要借助CAD系统来完成，要求严格符合数控机床的各项尺寸，完成几何建模后进行组装，构建出一个虚拟的数控机床。运动模型则是各种算法的集成体，一个能够运动且改变的模型。

（3）数控机床加工仿真的实现：完成数控机床模型的构建之后，要进行加工程序的检查，评估不同模型的功能状态及运行效果。还要进行碰撞试验，确保运行过程中遇到的各类故障能够被有效检出，真正实现数控机床的加工仿真。

1.2 数控机床加工仿真技术应用的重要意义

（1）有助于提升数控机床的整体效率：当下数控机床凭借其较高的生产效率，已经逐渐取代传统的加工设备，成为新型的生产工具。但数控机床的价格相对较高，实际生产过程中发生各类故障都将造成巨大的经济损失，进行数控机床加工仿真，能够将各类可能发生的加工故障问题有效预防，最大程度的提升数控机床的准确度和利用率，促使数控机床有效发挥生产价值。

（2）提升数控机床加工的精准度：仿真系统主要用于实际数控加工前，其目的在于通过模拟训练发现刀具运行中存在的各类问题，检查数控机床的运用程序是否正确，为实际生产提供佐证，基于此，数控机床加工仿真的有效运用能够在很大程度上提升其加工的精准度，确保工件的生产质量。

（3）保护数控机床，延长使用寿命：仿真系统在保护工件的同时，也能够将操作失误对机床的损害降至最低，对于价格昂贵、精密度较高的数控机床来说，能够有效延长其使用寿命，提升数控机床的整体效益。

2 基于UG的五轴数控机床加工仿真系统的结构

仿真系统的程序流程图如图1所示。

2.1 工件、夹具和刀具的装配

五轴数控机床功能强大，能够进行多种类型零部件的加工生产，但需要根据零部件的结构、类型等选择刀具和夹具，基于以上内容，进行数控机床加工仿真前，应当明确加工零部件的结构、类型特点，确定合适的刀具和夹具，之后借助CAD软件进行零部件、刀具、夹具的模型设计并导入到仿真系统中。实际进行数控机床加工仿真时，往往对刀具、夹具进行参数化调整，以简化后期刀具与夹具的调用工作。

2.2 环境初始化

进入到UG软件的运动分析模块中，进行整个仿真系统的环境初始化设置，目的是保证仿真系统的控制效果，避免加工仿真过程中意外失控的情况发生。

2.3 加工仿真

代码的解读和造型计算是加工仿真的两个关键步骤，代码解读要求仿真系统能够正确识别控制代码，将其转变为系统中机床各个轴的实际运动，造型设计则是将零部件、刀具的位置变化情况、形态变化情况等显示出来，以动画的方式通过显示模块呈现在用户面前。

2.4 干涉检查

干涉检查是指在仿真系统中对数控机床的实际运行状况进行错误识别，如期间发生的刀具相交等干涉问题。此外，仿真过程中测量模块还会对加工情况进行测量，如深度、体积等相关信息，以错误代码的形式显示出来，便于后续的设计信息变更。仿真系统的程序流程图如图1所示。

图1：仿真系统的程序流程图

3 基于UG的五轴数控机床加工仿真系统的实现

五轴数控机床选择DECKEL MAHO DMU70V，按照数控机床加工仿真的流程进行机床模型建立，包括机床结构、刀具类型等，之后模拟铣、削的加工过程。加工零部件为三元叶轮，其需要机床模拟真实的气流流动状态，在毛坯体上进行一系列加工生产，考虑到加工零部件结构复杂、加工难度大等一系列问题，加工过程中可能会出现一系列的干涉，需要积极做好记录工作。

综合以上，加工零部件选择不锈钢锻压件叶轮毛坯，直径为410mm，数控机床的铣刀选择直径12.5mm的平头圆柱铣刀，以及直径12mm，半锥角3°的圆头锥铣刀。整个加工工艺流程为：气流通道的开槽及扩槽→叶片曲面的粗加工→叶片曲面的精加工→轮毂表面的精加工。

3.1 机床仿真模型的建立

考虑到数控机床实际运行过程中的传动尺寸，利用三维软件UG CAD进行机床模型的建立，确定运动副的性质以及方向，并将建立好的模型转变为可导入仿真系统的文件。DUM65五轴数控机床的运动副分别对应三个移动轴以及两个转动轴，三个移动轴命名为X、Y、Z，两个移动轴命名为B、C。DUM65五轴数控机床模型的起始状态下，转动轴B位于YOZ构成的平面中，而且与剩余一个移动轴之间呈现为45°夹角，此外，结合五轴数控机床其他零部件的尺寸，进行整个模型的建立，并利用三维软件进行不同零部件的装配，构成一个数字化五轴数控机床，DUM65五轴数控机床的相关技术参数如表1所示。

表1：DMU65五轴数控机床主要技术参数

考虑到五轴数控机床加工仿真的实际开展效果，进行相关零部件、刀具、夹具等模型的建立和调取时，遵循严格追求功能完善，无需追求细节完善的基本原则，避免实际仿真的难度过高，造成不必要的计算资源浪费，同时预防仿真系统卡顿等一系列问题。

完成机床模型、刀具模型以及夹具模型等建立工作后，进入到UG/Motion运动分析模块中，进行相关运动部件的分析，设置机床的三个移动轴为移动副，其他两个转动轴为转动副，此外还有其他传动轴、回转中心轴等运动部件的定义。最后保存机床的运动模型，进行刀具、夹具模型的加载，这种方式能够实现在同一机床模型上加工不同类型的工件，有利于提升机床模型的整体利用效果。

3.2 添加菜单

使用UG/ OPEN Menuscript脚本语言修改系统菜单，在系统菜单中添加Machine simulation下拉菜单并指定菜单按钮对应的响应行为。

3.3 编写UG/ OPEN API程序

要做到仿真机床与数控程序能够良好匹配，需要解决数控程序中程序开始段、程序结束段、换刀功能段等程序与仿真机床匹配的问题程序开始段的定义尤为重要，机床从启动到正常切削到工件所发生的事故多于正常切削过程中发生的事故，程序开始段中包括对机床进行初始化定义、换刀程序段、接近工件的运动等内容，为保障机床安全。程序结束段为数控程序的结尾部分，负责对数控机床归位及程序的复位。

借助Microsft VC++6.0进行程序编写，考虑到实际加工零部件的状况，所设计完成的程序必须具备以下三项功能，且对应到菜单的相关按钮，确保有效响应：

（1）相关部件的装配使用UF_UI_ask_open_ part_ filename函数来弹出响应的对话框，利用指针选择合适的功能，输入装配的位置，并通过UF_ASEM_add_ part_to_ assembly函数将选定的零部件装配到机床模型上。利用UF_ ASSEM cycle_ ents_inpart_occ函数选定转配的实体，使用指针选定并添加相关的运动副，如果遇到装配部件中存在隐藏实体或者辅助线的情况，则使用UG中的Blank命令进行隐藏。

（2）打开文件并调用UF_UI_ ask_ open_ part filename函数，在相应的文件对话框内选择代码，点击运行

（3）为了保证整个仿真系统有效运行，UG/ Motion运动分析环境要正确进行初始化设置，重新定义系统中相关参数、干涉检查标准等，相关类型的对象也要做好遍历，得到机床各个轴运动副对象的指针，用于控制各运动副的位移。

仿真系统完成以上工作后可以得到整个加工过程的动画，利用显示模块进行播放，借助控制系统能够对动画进行控制，诸如暂停、前进、后退等，暂停动画时还需要具备放大和变化视角观察的功能。

3.4 刀具中心点管理

五轴数控机床不同于普通三轴数控机床，两者的刀具中心点管理（TCPM）功能有很大差异，该功能刀具支持倾斜点定位，在各种可选操作模式下均可保持刀尖位置。CAM后处理中需要正确设置TCPM功能并在Vericut软件中对其进行验证。手动验证可以通过输入刀轴的旋转中心（刀轴摆动型）和转盘的两个轴（摆动型）之间的位置观察执行结果。NC验证可以选择典型的工件进行加工，观察刀轴旋转轴的角度，观察加工结果确定程序中的线性轴的坐标值旋转坐标系的实际值，后处理程序设置正确是NC程序正确的前提。

4 基于UG的五轴数控机床加工仿真系统的发展进展

4.1 高速化发展新趋势

就目前五轴数控机床加工仿真系统的研究状况来看，其朝着高速化的方向发展，最高的进给速度已经超过80m/min，统计空运行的速度发现，最高速度已经超过100m/min。国内以上海通用汽车公司为首，逐渐导入高速加工中心，用于替代以往的组合式机床。美国在数控机床的研究方面仍处于领先地位，其研发的Hypermach机床最大的进给速度已经达到60m/min，主轴转速达到6000转/min，进行薄壁的飞机零件加工只需要30min，这一零件如果在高速铣床、普通铣床上加工，所需时间分别为3h、8h，可见五轴数控机床在高速方向发展的新趋势。对于五轴数控加床加工仿真系统来说，要正确认识到这一局面，将高速这一因素考虑进去，评估不同结构之间的运动关系，高质量完成五轴数控机床加工仿真。

4.2 精密化加工发展新趋势

目前工件的加工精度不断提升，对加工误差进行管控势在必行。数控加工仿真系统相较于实际生产精密度更高，而且成本低廉，可以加设计信息正确呈现出来，对于确保工件的加工精度，减少误差的发生具有推动作用。

4.3 高效能发展新趋势

数控加工质量提升的提升，整体制造效率也备受重视，主要体现在社会经济发展迅速，产品的生命周期正在不断缩短，因此一定要充分利用起数控机床的加工效率。数控机床加工仿真系统要朝着更加快捷、方便的方向发展，为数控机床制造效率的提升、专业化的发展奠定夯实的基础。

4.4 开放化发展新趋势

数控机床已经逐渐成为一种系统化的产品，信息化时代下可以直接通过一台电脑实现对整个生产线的管控，对于产品开发时间的缩短、加工精度以及加工质量的提升具有积极作用。正如前面阐述的内容，数控机床需要更具柔性化，满足用户的个性化需求。以美国、日本等为首的发达国家正在数控机床开发性发展方面展开研究，制定了相关计划和技术规范，其目的是推动整个数控机床的变革，对于加工仿真系统来说，未来开放式、模块化的发展也是必然趋势。

4.5 复合化发展新趋势

产品的不断升级对数控机床以及仿真系统的发展均带来了挑战，五轴数控加工机床就是复合化发展的重要体现，仿真系统在未来的发展中也将体现出复合化发展的趋势，如传统CAD二维设计软件到UG三维设计软件的变更，其目的是更好地呈现复杂的产品结构，确保整个仿真工作切合实际生产，发挥仿真的价值。

4.6 虚拟数控机床

随着虚拟制造技术的发展和应用的深入，仿真技术已广泛应用于制造业的评估工艺计划和设备，以及新产品设计。虚拟数控机床（VMT）是虚拟制造的执行单元，是虚拟制造的一个底层关键技术和前提条件。它的最终目的是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，在计算机屏幕上实现加工过程的仿真，以增强制造过程的各级决策与控制能力，优化制造过程。通过虚拟机床不仅可以全面、逼真地反映现实的加工环境和加工过程，还能对加工中出现的碰撞、干涉提供报警信息，对产品的可加工性、工艺规程的合理性和加工精度进行评估、预测，达到节省资源、避免风险的目的。

5 结束语

综上所述，五轴联动数控机床加工仿真对于数控机床的有效应用以及国家科研领域的发展具有积极作用，基于UG的五轴联动数控机床加工仿真系统能够检查数控机床运行过程中发生的干涉问题，为干涉问题的解决和修正提供数据支持，在数控机床加工效率的研究中发挥了良好的效用，此外，其有效避免了传统加工仿真系统中存在的文件格式转化造成仿真偏差的问题，具有更强的工程实用性。