基于UG的五轴数控虚拟机床仿真技术

1、基于UG的五轴数控虚拟机床仿真技术王清，机械工程，2111302073摘要：多数五轴数控机床仿真系统，一般只提供二维的动画仿真，而且仿真系统的几何造型功能十分有限，零件和机床模型需要在其他CAD软件中进行建模，然后导入数控仿真系统。由于文件格式的转化，零件的CAD模型将会产生误差，降低了仿真精度。该文利用UG CAD/CAM软件造型功能建立五轴数控机床和零件模型，读取数控代码对机床各部件进行三维运动仿真，并对加工过程中机床运动部件之间的干涉及工件过切进行检查，为刀具轨迹的修改提供依据，同时免除了文件格式的转化产生的误差。关键词：五轴；数控加工；机床仿真；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 引言几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的唯一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求助于五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始

5、采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及相关工业。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化技术水平的标志。使用五轴数控联动机床加工复杂形状零件时，机床运动部件之间容易发生干涉。尽管目前刀具轨迹规划和刀位计算的数控加工编程技术已经有了很大的发展，但仍不能保证零件数控加工程序的完全正确可靠。尤其在五轴铣削加工的数控代码生成过程中，干涉检测是一项非常重要的环节。在计算机上利用三维图形技术对数控加工进行仿真，可以快速、有效地对机床代码的正确性进行验证，并且可以根据仿真的结果对数控程序进行修改，免除了反复进行机床试切的过程。故数控加工仿真系统应具有以下两个功能：显示验证刀

6、具轨迹的加工效率；检测在加工过程中机床各运动部件间可能会发生的干涉。1在多轴数控机床仿真中，VERICUT软件使用比较广泛，但UG作为一款功能强大的CAD/CAM软件，同样具备有虚拟机床仿真模块。然而目前的仿真系统能够提供支持的机床型号还十分有限，通常需要用户建立数控机床仿真模型。一般的仿真软件的几何造型功能有限，需要在其他CAD软件中进行建模，然后导入数控仿真软件。然而中间需进行文件格式的转化，所得的复杂模型效果不理想，产生误差。而UG自身强大的CAD建模功能能满足虚拟机床的几何建模，进而能够完整地进行自定义虚拟机床的五轴数控仿真。2 五轴数控机床的坐标系与数控加工特点2.1 五轴数控机床的

7、坐标系五轴数控机床的五轴是指可控制的五个坐标：三个平动坐标轴基础上增加两个转动坐标轴，且五个轴可以联动。由于增加了两个旋转控制轴，所以与三轴、四轴数控机床相比，五坐标联动数控技术是难度最大，适用范围最广的一种。数控机床的运动轴分为平动轴和转动轴，这些轴一般都配置成相互垂直或平行。数控机床各轴的运动，有的是使刀具产生运动，有的则是使工件产生运动。对此，标准规定，不论机床的具体运动结构如何，机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述，并以右手笛卡尔坐标系表达，其坐标轴用X，Y，Z表示，如图2.1所示。图2.1 机床坐标系2对于机床的运动轴，标准规定绕X、Y、Z轴转动的轴分别用A、B、C轴表

8、示，而且其正方向按右手螺旋定则确定。2.2 五轴数控机床种类五坐标系的搭配似乎很多，但它们可以归于如下3大结构类型3：（1） 双摆头式机床：两个转动轴都在主轴，作用于刀具上。特点是摆动机构结构较复杂，一般刚性较差，但其运动灵活，机床使用操作（如装卡工件）较方便，能加工工件尺寸较大。（2） 双转台式机床：两个旋转轴均在工作台上。特点是工作台刚性容易保证、工艺范围较广，而且容易实现。但须考虑装夹承重，能加工的工件尺寸比较小。（3） 摆头加转台式机床：刀具和工件各具有一个转动运动。特点介于上述两类机床之间，可装夹较大的工件，主轴摆动，改变刀轴方向灵活。对于5轴机床，不管是哪种类型，由于它们具有2个回

9、转坐标，相对于静止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意运动，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。因此，5轴加工可获得比4轴加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜于大型或直母线类零件的高效高质量加工以及异型复杂零件的加工。2.3 五轴数控机床的加工特点五轴数控加工是实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工的重要手段。其具有以下特点4：（1） 可避免刀具干涉，加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件，加工适应性广。（2） 对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型，加工质量好、效率高。（3） 对于一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀端面贴近表面进

10、行加工，走刀次数少、残余高度小，可大大提高加工效率和表面质量。（4） 对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、多工序加工，加工效率高并有利于提高个表面的相互位置精度。（5） 五轴加工时，刀具相对于工件表面会处于最有效的切削状态。例如使用球头刀时可避免球头刀底部切削，利于提高加工效率。同时，由于切削状态可保持不变，刀具受力情况一致，变形一致，可使整个零件表面上的误差分布比较均匀，这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。（6） 在某些加工场合，如空间受到限制的通道加工和组合曲面的过度区域加工，可采用较大尺寸的刀具避开干涉，刀具刚性好，有利于提高加工效率与精度。3 基于UG的五轴数控机床

11、仿真3.1 UG的ISV模块UG(unigraphics)是当今世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAM/CAE高端软件，被誉为业界最好的工业设计软件包。作为一个集成的全面的产品工程解决方案，其中的ISV（integrated simulation and verification）模块是一个功能强大的集成仿真验证专用模块和一个完全可订制的模块，它仿真切削过程中的机床运动，因此对整个加工过程有更精确的观察。该模块提供了一套完全集成的刀具路径验证和仿真解决方案，这套方案工作在想同的制造环境中，共享相同的核心数据。当仿真机床时，系统将仿真精确的机床运动并复制完全的加工情况，检验在机床

12、、夹具、刀具和零件间的干涉，这使机床数控编程更加安全、高效，提高了适应性，提高了用户对最终生成的NC程序的信心。ISV模块由机床驱动器MTD（machine tool driver）和仿真验证引擎SV Engine（simulation verification engine）两大核心构成。MTD由加工后置处理器外加一个虚拟的NC控制器（VNC）组成，所有机床行为特性由MTD处理。虚拟NC控制器调用SV引擎的仿真与检验命令，然后SV引擎收集、处理，最终输送信息到图形显示或输送到仿真控制面板，具体结构及功能处理如图3.1所示：图3.1 ISV结构组成及处理过程5其中的MTD是UG后处理的延伸和扩

13、展，它除了包括一个传统的后处理文件（MOM Post）和虚拟NC控制器VNC(virtual NC controller)外，还包括机床的所有运动和特性，在进行机床仿真时，MTD会接受UG CAM模块产生的必要信息和数据（包括刀路、换刀及后处理信息等），然后将仿真与验证命令传递到SV Engine。而SV Engine则在收集处理信息和数据之后把结果仿真反馈给图形显示窗口或仿真控制面板（包含在UG CAM模块中）。使用ISV模块可进行精确地加工仿真并生成逼真、全方位的仿真动画，以保证最后生成的NC代码能在实际的数控机床上安全、快速、可靠地运行。3.2 用UG建立自己的虚拟机床3.2.1 建立虚

14、拟机床的3D模型UG具有强大的参数化三维实体几何造型功能，实体操作基于已被生产实践证实的Parasolid建模内核，Parasolid今天已由多于200多万用户使用，具有很高的建模精度和可靠性。UG采用基于特征的实体建模，提供了各种标准设计特征的生成和编辑。同时其具有强大的自由形状建模功能，采用工业标准的NURBS样条曲面，用于设计复杂的自由形状外形。由于目前UG中能够提供支持的机床型号还十分有限，故需要用户自己建立数控机床仿真模型。为了使建立好的机床仿真模型数据不甚复杂并保证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满足要求。根据其结构、运动特点将其模块化，分别建立机床底座、床

15、身、回转台、旋转台及各导轨等6。具体根据测量真实机床部件的尺寸对数控机床进行几何建模，并利用装配功能，定义其为一个装配部件文件。3.2.2 创建机床运动模型进入机床构造器MTB（machine tool builder）进行运动学模型定义。运动模型是用来描述机床运动的，定义了运动模型后机床各组件的运动方式才能得以确定。创建步骤为：定义机床基础部件定义机床运动组件和分类创建连接坐标系和分类7。3.2.3 将该机床模型存储到库中建立好运动模型后，用机床模型文件路径将设置好的机床加入到机床库中以便被调用。3.2.4 定义机床驱动器此步骤主要是要定义该虚拟机床的后处理器和虚拟NC控制器。执行完后，一个

16、完整的虚拟机床建立完毕，随时可从机床库中调用。3.3 用UG进行五轴数控虚拟机床仿真3.3.1 建立零件的几何模型利用UG强大的几何建模功能，可建立较复杂的零件模型，比如叶轮模型，如图3.2所示：图3.2 所要加工的叶轮模型3.3.2 数控编程生成刀轨直接使用UG CAD数据模型作为UG CAM 加工环境的几何区域，配搭简便的人机交互形式及严格精确的加工区域与裁剪边界定义，利用UG CAM模块强大的信息集成功能，完成刀具路径生成、仿真加工演示、后置代码处理等一系列自动加工过程8。根据零件的工艺要求，合理安排其工序，利用加工UG的加工（CAM）模块进行数控编程。选择加工初始环境建立加工对象父节点

17、组（程序、几何体、方法、刀具）创建操作生成刀轨。其中在初始环境中五轴加工选择mill_multi_axis，且在UG 7.5版本以上有了专门为叶轮编程的mill_multi_blade可供选择，如图3.3所示。相信这款软件以后将开发出更多应用于某些常用复杂零件的模块，使得UG更加便捷，更专业化。图3.3 五轴加工初始化环境选择3.3.3 调入已有或者自己建立的机床模型UG系统自带有三种类型的五轴机床，本文选用其中的双转台式立式五轴机床，转台旋转轴分别为B轴和C轴。如图3.4所示： 图3.4 从机床库选择机床3.3.4 设置工件与虚拟机床定位对于不同的零件，根据其特点可选择不同的定位方式，将所要

18、加工的零件安放在虚拟机床转台上。如图3.5所示 图3.5 零件和虚拟机床定位3.3.5 进行仿真9选中程序进行机床仿真即可，一方面可设置碰撞停止，计算机自行进行干涉碰撞检查，且碰撞区域会染上不同颜色，方便编程人员及时修正；另一方面编程人员可以在仿真过程中通过缩放、平移以及旋转操作来全方位观察仿真过程，并及时发现加工中的不合理问题。这样的仿真加工过程很真实地模拟了该铣床的实际加工情况，起到了减少并替代试切的效果。仿真过程如图3.6所示： 图3.6 仿真菜单图及动画显示结论数控加工的计算机仿真是当前数控加工领域的一个重要研究方向，是现代制造技术研究中不可缺少的重要内容，代表着制造业的发展方向和趋势。本文以基于UG的五轴数控虚拟机床仿真为重点讨论内容，通过建立零件模型，合理选择机床和刀具，应用UG ISV模块