基于UG的五軸數(shù)控虛擬機(jī)床仿真技術(shù)

1、基于UG的五軸數(shù)控虛擬機(jī)床仿真技術(shù)王清，機(jī)械工程，2111302073摘要：多數(shù)五軸數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)，一般只提供二維的動(dòng)畫仿真，而且仿真系統(tǒng)的幾何造型功能十分有限，零件和機(jī)床模型需要在其他CAD軟件中進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入數(shù)控仿真系統(tǒng)。由于文件格式的轉(zhuǎn)化，零件的CAD模型將會(huì)產(chǎn)生誤差，降低了仿真精度。該文利用UG CAD/CAM軟件造型功能建立五軸數(shù)控機(jī)床和零件模型，讀取數(shù)控代碼對(duì)機(jī)床各部件進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)仿真，并對(duì)加工過程中機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件之間的干涉及工件過切進(jìn)行檢查，為刀具軌跡的修改提供依據(jù)，同時(shí)免除了文件格式的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的誤差。關(guān)鍵詞：五軸；數(shù)控加工；機(jī)床仿真；UG NX；ISVTechnology

2、of 5-axis Machining Simulation Based on UGWang Qing, Mechanical Engineering, 2111302073Abstract: Most machine simulation systems virtually only provide 2D image today. And the modeling ability of those simulation systems of CAD software is also limited. So the workpiece should be modeled in other CA

3、D software, then input the date to machine simulation systems. The accuracy will be reduced during the date exchange. In this paper, the machine tool and workpiece models are constructed by UG CAD/CAM software, while the NC program is used as input the date to perform the machine motion. During the

4、simulation, overcut and collisions between the moving machine components can be checked. And the error of data exchange can be avoided.Keywords: 5-axis; NC machining; machining simulation; UG NX; ISV1 引言幾十年來，人們普遍認(rèn)為五軸數(shù)控加工技術(shù)是加工連續(xù)、平滑、復(fù)雜曲面的唯一手段。一旦人們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造復(fù)雜曲面遇到無法解決的難題，就會(huì)求助于五軸加工技術(shù)。早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外航空工業(yè)生產(chǎn)中就開始

5、采用五軸數(shù)控銑床。目前五軸數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用仍然局限于航空、航天及相關(guān)工業(yè)。國(guó)際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的標(biāo)志。使用五軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工復(fù)雜形狀零件時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件之間容易發(fā)生干涉。盡管目前刀具軌跡規(guī)劃和刀位計(jì)算的數(shù)控加工編程技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但仍不能保證零件數(shù)控加工程序的完全正確可靠。尤其在五軸銑削加工的數(shù)控代碼生成過程中，干涉檢測(cè)是一項(xiàng)非常重要的環(huán)節(jié)。在計(jì)算機(jī)上利用三維圖形技術(shù)對(duì)數(shù)控加工進(jìn)行仿真，可以快速、有效地對(duì)機(jī)床代碼的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，并且可以根據(jù)仿真的結(jié)果對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行修改，免除了反復(fù)進(jìn)行機(jī)床試切的過程。故數(shù)控加工仿真系統(tǒng)應(yīng)具有以下兩個(gè)功能：顯示驗(yàn)證刀

6、具軌跡的加工效率；檢測(cè)在加工過程中機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件間可能會(huì)發(fā)生的干涉。1在多軸數(shù)控機(jī)床仿真中，VERICUT軟件使用比較廣泛，但UG作為一款功能強(qiáng)大的CAD/CAM軟件，同樣具備有虛擬機(jī)床仿真模塊。然而目前的仿真系統(tǒng)能夠提供支持的機(jī)床型號(hào)還十分有限，通常需要用戶建立數(shù)控機(jī)床仿真模型。一般的仿真軟件的幾何造型功能有限，需要在其他CAD軟件中進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入數(shù)控仿真軟件。然而中間需進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)化，所得的復(fù)雜模型效果不理想，產(chǎn)生誤差。而UG自身強(qiáng)大的CAD建模功能能滿足虛擬機(jī)床的幾何建模，進(jìn)而能夠完整地進(jìn)行自定義虛擬機(jī)床的五軸數(shù)控仿真。2 五軸數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系與數(shù)控加工特點(diǎn)2.1 五軸數(shù)控機(jī)床的

7、坐標(biāo)系五軸數(shù)控機(jī)床的五軸是指可控制的五個(gè)坐標(biāo)：三個(gè)平動(dòng)坐標(biāo)軸基礎(chǔ)上增加兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸，且五個(gè)軸可以聯(lián)動(dòng)。由于增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)控制軸，所以與三軸、四軸數(shù)控機(jī)床相比，五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)是難度最大，適用范圍最廣的一種。數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸分為平動(dòng)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸，這些軸一般都配置成相互垂直或平行。數(shù)控機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)，有的是使刀具產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，有的則是使工件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。對(duì)此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不論機(jī)床的具體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如何，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一按工件靜止而刀具相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)來描述，并以右手笛卡爾坐標(biāo)系表達(dá)，其坐標(biāo)軸用X，Y，Z表示，如圖2.1所示。圖2.1 機(jī)床坐標(biāo)系2對(duì)于機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸分別用A、B、C軸表

8、示，而且其正方向按右手螺旋定則確定。2.2 五軸數(shù)控機(jī)床種類五坐標(biāo)系的搭配似乎很多，但它們可以歸于如下3大結(jié)構(gòu)類型3：（1） 雙擺頭式機(jī)床：兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都在主軸，作用于刀具上。特點(diǎn)是擺動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般剛性較差，但其運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)床使用操作（如裝卡工件）較方便，能加工工件尺寸較大。（2） 雙轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)床：兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均在工作臺(tái)上。特點(diǎn)是工作臺(tái)剛性容易保證、工藝范圍較廣，而且容易實(shí)現(xiàn)。但須考慮裝夾承重，能加工的工件尺寸比較小。（3） 擺頭加轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)床：刀具和工件各具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)介于上述兩類機(jī)床之間，可裝夾較大的工件，主軸擺動(dòng)，改變刀軸方向靈活。對(duì)于5軸機(jī)床，不管是哪種類型，由于它們具有2個(gè)回

9、轉(zhuǎn)坐標(biāo)，相對(duì)于靜止的工件來說，其運(yùn)動(dòng)合成可使刀具軸線的方向在一定的空間內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)，從而具有保持最佳切削狀態(tài)及有效避免刀具干涉的能力。因此，5軸加工可獲得比4軸加工更廣的工藝范圍和更好的加工效果，特別適宜于大型或直母線類零件的高效高質(zhì)量加工以及異型復(fù)雜零件的加工。2.3 五軸數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)五軸數(shù)控加工是實(shí)現(xiàn)大型與異型復(fù)雜零件的高效高質(zhì)量加工的重要手段。其具有以下特點(diǎn)4：（1） 可避免刀具干涉，加工普通三坐標(biāo)機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件，加工適應(yīng)性廣。（2） 對(duì)于直紋面類零件，可采用側(cè)銑方式一刀成型，加工質(zhì)量好、效率高。（3） 對(duì)于一般立體型面特別是較為平坦的大型表面，可用大直徑端銑刀端面貼近表面進(jìn)

10、行加工，走刀次數(shù)少、殘余高度小，可大大提高加工效率和表面質(zhì)量。（4） 對(duì)工件上的多個(gè)空間表面可一次裝夾進(jìn)行多面、多工序加工，加工效率高并有利于提高個(gè)表面的相互位置精度。（5） 五軸加工時(shí)，刀具相對(duì)于工件表面會(huì)處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時(shí)可避免球頭刀底部切削，利于提高加工效率。同時(shí)，由于切削狀態(tài)可保持不變，刀具受力情況一致，變形一致，可使整個(gè)零件表面上的誤差分布比較均勻，這對(duì)于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。（6） 在某些加工場(chǎng)合，如空間受到限制的通道加工和組合曲面的過度區(qū)域加工，可采用較大尺寸的刀具避開干涉，刀具剛性好，有利于提高加工效率與精度。3 基于UG的五軸數(shù)控機(jī)床

11、仿真3.1 UG的ISV模塊UG(unigraphics)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAD/CAM/CAE高端軟件，被譽(yù)為業(yè)界最好的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件包。作為一個(gè)集成的全面的產(chǎn)品工程解決方案，其中的ISV（integrated simulation and verification）模塊是一個(gè)功能強(qiáng)大的集成仿真驗(yàn)證專用模塊和一個(gè)完全可訂制的模塊，它仿真切削過程中的機(jī)床運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)整個(gè)加工過程有更精確的觀察。該模塊提供了一套完全集成的刀具路徑驗(yàn)證和仿真解決方案，這套方案工作在想同的制造環(huán)境中，共享相同的核心數(shù)據(jù)。當(dāng)仿真機(jī)床時(shí)，系統(tǒng)將仿真精確的機(jī)床運(yùn)動(dòng)并復(fù)制完全的加工情況，檢驗(yàn)在機(jī)床

12、、夾具、刀具和零件間的干涉，這使機(jī)床數(shù)控編程更加安全、高效，提高了適應(yīng)性，提高了用戶對(duì)最終生成的NC程序的信心。ISV模塊由機(jī)床驅(qū)動(dòng)器MTD（machine tool driver）和仿真驗(yàn)證引擎SV Engine（simulation verification engine）兩大核心構(gòu)成。MTD由加工后置處理器外加一個(gè)虛擬的NC控制器（VNC）組成，所有機(jī)床行為特性由MTD處理。虛擬NC控制器調(diào)用SV引擎的仿真與檢驗(yàn)命令，然后SV引擎收集、處理，最終輸送信息到圖形顯示或輸送到仿真控制面板，具體結(jié)構(gòu)及功能處理如圖3.1所示：圖3.1 ISV結(jié)構(gòu)組成及處理過程5其中的MTD是UG后處理的延伸和擴(kuò)

13、展，它除了包括一個(gè)傳統(tǒng)的后處理文件（MOM Post）和虛擬NC控制器VNC(virtual NC controller)外，還包括機(jī)床的所有運(yùn)動(dòng)和特性，在進(jìn)行機(jī)床仿真時(shí)，MTD會(huì)接受UG CAM模塊產(chǎn)生的必要信息和數(shù)據(jù)（包括刀路、換刀及后處理信息等），然后將仿真與驗(yàn)證命令傳遞到SV Engine。而SV Engine則在收集處理信息和數(shù)據(jù)之后把結(jié)果仿真反饋給圖形顯示窗口或仿真控制面板（包含在UG CAM模塊中）。使用ISV模塊可進(jìn)行精確地加工仿真并生成逼真、全方位的仿真動(dòng)畫，以保證最后生成的NC代碼能在實(shí)際的數(shù)控機(jī)床上安全、快速、可靠地運(yùn)行。3.2 用UG建立自己的虛擬機(jī)床3.2.1 建立虛

14、擬機(jī)床的3D模型UG具有強(qiáng)大的參數(shù)化三維實(shí)體幾何造型功能，實(shí)體操作基于已被生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)的Parasolid建模內(nèi)核，Parasolid今天已由多于200多萬用戶使用，具有很高的建模精度和可靠性。UG采用基于特征的實(shí)體建模，提供了各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)特征的生成和編輯。同時(shí)其具有強(qiáng)大的自由形狀建模功能，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的NURBS樣條曲面，用于設(shè)計(jì)復(fù)雜的自由形狀外形。由于目前UG中能夠提供支持的機(jī)床型號(hào)還十分有限，故需要用戶自己建立數(shù)控機(jī)床仿真模型。為了使建立好的機(jī)床仿真模型數(shù)據(jù)不甚復(fù)雜并保證其最后得仿真逼真度，一般仿真模型中只要包含其主要部件就能滿足要求。根據(jù)其結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)將其模塊化，分別建立機(jī)床底座、床

15、身、回轉(zhuǎn)臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)及各導(dǎo)軌等6。具體根據(jù)測(cè)量真實(shí)機(jī)床部件的尺寸對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行幾何建模，并利用裝配功能，定義其為一個(gè)裝配部件文件。3.2.2 創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)入機(jī)床構(gòu)造器MTB（machine tool builder）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模型定義。運(yùn)動(dòng)模型是用來描述機(jī)床運(yùn)動(dòng)的，定義了運(yùn)動(dòng)模型后機(jī)床各組件的運(yùn)動(dòng)方式才能得以確定。創(chuàng)建步驟為：定義機(jī)床基礎(chǔ)部件定義機(jī)床運(yùn)動(dòng)組件和分類創(chuàng)建連接坐標(biāo)系和分類7。3.2.3 將該機(jī)床模型存儲(chǔ)到庫(kù)中建立好運(yùn)動(dòng)模型后，用機(jī)床模型文件路徑將設(shè)置好的機(jī)床加入到機(jī)床庫(kù)中以便被調(diào)用。3.2.4 定義機(jī)床驅(qū)動(dòng)器此步驟主要是要定義該虛擬機(jī)床的后處理器和虛擬NC控制器。執(zhí)行完后，一個(gè)

16、完整的虛擬機(jī)床建立完畢，隨時(shí)可從機(jī)床庫(kù)中調(diào)用。3.3 用UG進(jìn)行五軸數(shù)控虛擬機(jī)床仿真3.3.1 建立零件的幾何模型利用UG強(qiáng)大的幾何建模功能，可建立較復(fù)雜的零件模型，比如葉輪模型，如圖3.2所示：圖3.2 所要加工的葉輪模型3.3.2 數(shù)控編程生成刀軌直接使用UG CAD數(shù)據(jù)模型作為UG CAM 加工環(huán)境的幾何區(qū)域，配搭簡(jiǎn)便的人機(jī)交互形式及嚴(yán)格精確的加工區(qū)域與裁剪邊界定義，利用UG CAM模塊強(qiáng)大的信息集成功能，完成刀具路徑生成、仿真加工演示、后置代碼處理等一系列自動(dòng)加工過程8。根據(jù)零件的工藝要求，合理安排其工序，利用加工UG的加工（CAM）模塊進(jìn)行數(shù)控編程。選擇加工初始環(huán)境建立加工對(duì)象父節(jié)點(diǎn)

17、組（程序、幾何體、方法、刀具）創(chuàng)建操作生成刀軌。其中在初始環(huán)境中五軸加工選擇mill_multi_axis，且在UG 7.5版本以上有了專門為葉輪編程的mill_multi_blade可供選擇，如圖3.3所示。相信這款軟件以后將開發(fā)出更多應(yīng)用于某些常用復(fù)雜零件的模塊，使得UG更加便捷，更專業(yè)化。圖3.3 五軸加工初始化環(huán)境選擇3.3.3 調(diào)入已有或者自己建立的機(jī)床模型UG系統(tǒng)自帶有三種類型的五軸機(jī)床，本文選用其中的雙轉(zhuǎn)臺(tái)式立式五軸機(jī)床，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸分別為B軸和C軸。如圖3.4所示： 圖3.4 從機(jī)床庫(kù)選擇機(jī)床3.3.4 設(shè)置工件與虛擬機(jī)床定位對(duì)于不同的零件，根據(jù)其特點(diǎn)可選擇不同的定位方式，將所要

18、加工的零件安放在虛擬機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上。如圖3.5所示 圖3.5 零件和虛擬機(jī)床定位3.3.5 進(jìn)行仿真9選中程序進(jìn)行機(jī)床仿真即可，一方面可設(shè)置碰撞停止，計(jì)算機(jī)自行進(jìn)行干涉碰撞檢查，且碰撞區(qū)域會(huì)染上不同顏色，方便編程人員及時(shí)修正；另一方面編程人員可以在仿真過程中通過縮放、平移以及旋轉(zhuǎn)操作來全方位觀察仿真過程，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工中的不合理問題。這樣的仿真加工過程很真實(shí)地模擬了該銑床的實(shí)際加工情況，起到了減少并替代試切的效果。仿真過程如圖3.6所示： 圖3.6 仿真菜單圖及動(dòng)畫顯示結(jié)論數(shù)控加工的計(jì)算機(jī)仿真是當(dāng)前數(shù)控加工領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，是現(xiàn)代制造技術(shù)研究中不可缺少的重要內(nèi)容，代表著制造業(yè)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。本文以基于UG的五軸數(shù)控虛擬機(jī)床仿真為重點(diǎn)討論內(nèi)容，通過建立零件模型，合理選擇機(jī)床和刀具，應(yīng)用UG ISV模塊