UG/CAM系統的模版功能在船模加工中的應用

石 磊 溫珍平

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

船模試驗是檢驗和優化船舶設計方案的主要手段，而船模加工的精度直接影響船模試驗的質量。由于船體表面屬于三維復雜曲面，材質一般為木板膠壓而成，其數控銑削具有特殊性和復雜性，銑削程序的編制難度較大。如何建立和優化銑削程序并通過這些優化程序的儲存、繼承和發展，進一步提高加工質量和效率，是數控加工領域普遍關心的問題。

作為一個全球知名的CAM軟件，UG/CAM系統具備豐富的編程手段。它不僅具有平面銑、型腔銑、曲面銑等多種銑削方式，而且具備定軸銑削、變軸銑削等多種刀軸控制功能，以及各種典型的刀具路徑規劃方案［1］。這些編程手段的充分應用能有效提高復雜型線船舶模型的可制造性和數控程序編程質量。不過，正因為UG/CAM系統具備強大而豐富的編程功能，因此不同的編程人員應用該系統對同一船舶模型進行數控編程時，可能產生不同的數控程序。對于特定型號船舶模型的加工環境和某一確定型線的船舶模型，不同的數控程序將產生不一樣的加工效果，因此，選擇并確定船舶模型的有效加工程序就成為穩定船舶模型銑削質量必須面對的問題。通過繼承加工經驗和熟練掌握CAM系統功能的知識，不僅能有效解決上述問題，而且能大幅提高數控程序的編制效率。本文介紹應用UG/CAM系統的模版功能進行船模加工的過程和效果。

1 UG/CAM的模版功能

UG/CAM系統通過定制和管理模版船舶模型，能有效實現船舶模型加工知識的管理和重用。具體而言，對船舶模型加工知識的存儲體現在：通過模版船舶模型的定制，可將典型型號船舶模型（既可以是實際船舶模型也可以是虛擬船舶模型）的工步內容設置、工步次序安排、加工切削模式選擇、銑削刀具選用、銑削參數確定等等加工信息進行存儲；對船舶模型加工知識的重用則體現在模版船舶模型的調用上。當模版船舶模型被調用后，與之相關的加工信息將被直接調入新船舶模型的加工環境，因此模版船舶模型的載入過程也就是加工知識的重用過程。當新船舶模型的加工信息與模版船舶模型相同時，則一次操作就可全部生成所有NC程序的參數配置，否則可進行局部修改來完成新船舶模型數控編程的參數配置［2］。可見，UG/CAM系統的知識管理與重用功能不僅對NC程序的標準化和優化，以及在顯著提高程序的編制效率等方面均具有重大的推進作用。

2 船舶模型銑削程序編制及模版定制和調用

2.1 船舶模型銑削程序編制

如前所述，標準的UG/CAM系統提供了豐富的編程功能，但由于船舶模型實際銑削的復雜性，CAM系統所提供的功能能否滿足船舶模型的實際銑削要求，還需進行進一步調查、分析。一般而言，對于船舶模型銑削程序編制包括：工步內容設置、工步次序安排、加工切削模式選擇、銑削刀具選用、銑削參數確定等多項編程的參數配置工作［3］。

2.1.1 工步內容設置

此工序編制過程是在建模工作環境下，著重根據“船模加工技術要求”的參數要求（如：船模主尺度、基準站、基線、舯縱剖面等等參數信息），重置工件坐標系的位置。應注意的是，工件坐標系方向的定義必須和五軸數控船模切削機的機床坐標系所設定的方向一致［4］。

2.1.2 工步次序安排

船舶模型銑削的工步次序安排大致可以根據銑削步驟、銑削類型及船舶模型不同部位等類別來劃分：以銑削步驟來劃分，主要可以分為船舶模型的粗加工銑削、半精加工銑削及精加工銑削；以銑削類型來劃分，主要可以分為船舶模型的平面加工銑削、曲面加工銑削及孔加工銑削；以船舶模型不同部位來劃分，主要可以分為船舶模型的船艏、船舯、船艉、左舷/右舷、底部基準面及上甲板面銑削。

在實際運用時，應先按照船舶模型的左舷/右舷來劃分，然后按照船舶模型的船艏、船舯及船艉來劃分，再按照船舶模型的平面加工銑削、曲面加工銑削來劃分。對于具有雙艉鰭或復雜球艏等型線的船舶模型而言，必須在上述工步次序的基礎上再添加雙艉鰭和復雜球艏的銑削加工工步。需要注意的是，無論船舶模型銑削的工步次序如何進行劃分，都必須以提高船舶模型表面銑削質量、提高船舶模型銑削效率以及刀具/刀具夾持器與船舶模型不產生干涉、碰撞為前提［5］。

2.1.3 加工切削模式選擇

在船舶模型平面加工銑削程序編制時，平面加工銑削主要選取“跟隨周邊”和“往復”兩種切削模式（如圖1與圖2所示）。相對兩種切削模式，“往復”式走刀銑削效率較高，但容易使銑削平面相銜接邊角的木材撕裂，影響船舶模型的表面銑削質量。所以，平面加工銑削選擇“往復”切削模式時，銑削平面所銜接的面最好是光順過渡的曲面（例如，常規船舶模型底部基準平面的銑削）。“跟隨周邊”切削模式的銑削效率較低，但是能夠使得銑削平面相銜接的邊角銑削平整，船舶模型的表面銑削質量較高。所以，平面加工銑削選擇“跟隨周邊”切削模式時，銑削平面所銜接的面可以是棱角過渡的曲面也可以是平面（例如，常規船舶模型艉封板和艉軸管出口端面的銑削）。

圖1 “往復”走刀方式

圖2 “跟隨周邊”走刀方式

一般木制船舶模型的各層拼板是按照船長方向拼接，并從基線底部基準面開始往上甲板面一層一層疊加拼板。所以，在確保船舶模型銑削效率的同時，為保證船舶模型曲面精加工銑削后的表面質量達到光順、無明顯毛刺的要求，在船舶模型的曲面加工銑削程序編制時，“區域銑削驅動方法”界面中的切削模式設定為“往復”，切削角設定應選擇“指定”選項，設定球頭銑刀的加工走刀方向沿船長方向并與船舶模型型寬方向上成一定角度（一般為5°～30°，如圖3所示）。通過船舶模型曲面加工實際銑削的效果比對，當球頭銑刀的加工走刀角度越趨近船舶模型流線的走向角度，船舶模型精加工銑削后的表面越光順。

圖3 曲面加工銑削時切削角設定模式

2.1.4 銑削刀具選用

船舶模型銑削主要是平面加工銑削、曲面加工銑削。所以，銑削刀具采用能與機床相匹配使用的立銑刀和球頭銑刀即可滿足一般船舶模型平面和曲面的加工銑削要求。值得注意的是，為保證船舶模型精加工銑削后的表面質量和加工精度，船舶模型精加工銑削時，應盡量使用新的銑削刀具。用鈍的刀具經過修磨后，最好用于粗加工銑削和半精加工銑削。

2.1.5 銑削參數確定

對船舶模型銑削而言，關鍵是銑削進給量和步距參數如何確定。銑削進給量和步距參數的確定，要綜合考慮船舶模型的材質、表面銑削質量要求、銑刀的材質及參數要求以及機床結構的承載能力等因素。一般而言，船舶模型粗加工、半精加工和精加工銑削時，銑削進給量的設定應使得船舶模型的實際最大銑削量小于立銑刀的刃長，刀具銑削步距的設定應小于立銑刀直徑。設定實際銑削量和銑削步距具體參數值時，必須確保刀頭所承載的切削力滿足機床結構的承載力要求，精加工后的船舶模型表面無刀具的銑削接痕。

2.2 模版定制和調用

2.2.1 模板定制

在完成上述船舶模型模版文件銑削程序的編制、優化和檢驗后，方可進行船舶模型加工的模版定制和調用。

船舶模型數控銑削編程模版文件的定制主要包括船模幾何形狀、程序、刀具與加工方法等參數的設置。其中，船模幾何形狀參數設置是根據船舶型線配置船模銑削所用的工步內容和加工切削模式；程序參數設置是根據不同船模類型，將所用的加工切削模式運用至工步次序安排之中，使船模不同部位具有針對性的加工方法；刀具參數設置主要是刀具刀體的參數設置。依據UG/CAM對刀具幾何參數定義的具體要求，測量并記錄特定加工環境下所用刀具的幾何參數（如刀具的直徑、刃長、長度和錐角等）；加工方法設置主要是將工步內容、加工切削模式、工步次序安排、銑削刀具選用及參數設置和銑削參數確定等等加工配置信息與船模的不同加工區域進行匹配。

不同類型的船舶模型數控銑削編程模版文件定制完畢后，保存并復制到“UG NX安裝目錄＼MACH＼resource＼template_part＼metric”目錄內。 在“UG NX 安裝目錄 ＼MACH＼resource＼template_set”目錄下，使用文本編輯軟件打開文件“cam_general.opt”，在公制文件中增加若干行“${UGII_CAM_TEMPLATE_PART_METRIC_DIR}模版文件名.prt”文字并保存。至此即在“cam_general”的配置中成功定制了若干個自定義的船舶模型數控銑削編程模版文件。

2.2.2 模板調用

圖4 新船舶模型加工環境初始化

圖5 初始化后的幾何視圖

圖6 初始化后的程序視圖

圖7 初始化后的刀具視圖

圖8 初始化后的加工方法視圖

完成船舶模型數控銑削編程模版文件的定制后，我們就可以在船模數控編程時將船模類型相類似的模版進行調用。初次讀入待加工的船舶模型并進入加工環境后，系統會提示選擇加工環境類型。初始化界面中，在UG/CAM會話設置中選擇相類似船模的模版，進行初始化（如圖4～圖8所示）。加工環境初始化的同時完成了工步內容設置、工步次序安排、加工切削模式選擇、銑削刀具選用、銑削參數確定等多項編程的參數配置工作，然后再根據具體船模的型線特征，在模版的基礎上進行局部修改。上述參數的成功配置既體現了船舶模型加工知識的有效繼承，又減免了新船舶模型數控編程的大量設置工作，從而既可實現穩定船舶模型加工質量的目標，又可大幅提高編程效率［6］。

由于船模類型有限，大部分為現有船型，經過一段時間的積累，即可為“模版定制和調用”提供基礎。現階段，在“UG NX 安裝目錄 ＼MACH＼resource＼template_set”目錄下，“cam_general”中已包含的船舶模型數控銑削編程模版共計5個。其中，方型系數大于0.8的肥大型船模模版（如油船）有1個、方型系數在0.6～0.8之間的中等方型系數船模模版（如多用途船）有1個、方型系數小于0.6的瘦削型船模模版（如軍輔船）有1個，此外，多艉鰭或復雜球艏等型線的船模模版有2個。實際船舶模型數控銑削編程時，為了檢驗使用模版調用功能與未使用模版調用功能進行編程所存在的效率差異，特別針對垂線間長在7 m左右，上述不同類型中具有代表性的船舶模型進行實際編程操作耗時測試，具體測試數據見表1。

表1 船舶模型編程耗時測試結果比較

從表1中看出：在實際船舶模型數控銑削編程時，使用模版調用功能編程耗時約節省20%～30%。可見，UG/CAM系統模版功能的應用對于提高數控程序的編制效率很有幫助。

3 船舶模型模版的應用效果

船舶模型模版定制后，UG/CAM系統的應用流程如圖9所示。

圖9 UG/CAM的應用流程

由數十艘船模加工的實踐表明，CAM系統模版功能在船舶模型加工方面的應用取得了以下效果：

（1）促進NC程序的標準化。針對某一類型船舶模型，通過模版船舶模型的定制和調用，有效固化了特定加工對象的刀具路徑生成方式、所使用刀具、銑削參數等直接影響零件加工效果的關鍵設置。這些關鍵信息的固化，使相似船舶模型數控程序之間的差別就基本體現在點位信息的區別上，從而實現了 NC 程序的標準化［7］。

（2）提高NC程序的編制效率。編程效率的提高主要體現在兩個方面：一方面是編程手段的改進，促進了編程效率的提高；另一方面是模版船舶模型的應用，使某些船舶模型的NC程序編制僅需單步操作就可完成多項編程的參數配置工作，從而大幅提高了程序的編制效率。

（3）促進先進加工知識的迅速推廣和有效繼承，穩定船舶模型加工的質量。將船舶模型的多種編程方式進行對比，把船舶模型加工精度高、加工表面質量好的模式通過模版船舶模型定制這一方式進行模版定制，實現船舶模型高效銑削知識的存儲。然后，再通過模版的調用，實現先進知識的迅速推廣和有效繼承。

（4）為實現CAD/CAPP/CAM/DNC等系統的集成提供了必要的技術平臺，促進產品信息在全生命周期內有效流通。

4 結 論

UG/CAM系統具備的豐富編程手段是實現復雜型線船舶模型加工的有效保障。實際應用表明：UG/CAM系統通過模版船舶模型的定制和調用而實現的知識存儲與繼承，既可成為實現數控程序標準化的有效手段，又便于先進加工知識的推廣應用。因此該系統的建立可促進穩定船舶模型銑削質量并提高加工效率。

［1］李維，王達斌.UG NX7.5數控編程工藝師基礎與范例標準教程［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［2］楊浩.UG NX6.0銑制造培訓基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［3］王愛玲，李夢群，馮裕強.數控加工理論與實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］光耀，李達蕾，謝龍漢.UG NX7.0三維造型設計及制圖［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［5］張伯霖.高速切削技術及應用［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［6］林華釗.基于UG NX數控銑削編程模版的建立與應用［J］.科技與企業，2011（8）:74-75.

［7］任秉銀，唐余勇.數控加工中的幾何建模理論及其應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2000.