基于UG/ISV的數控銑床數字化加工仿真設計

摘 要： 包括數控銑床在內的數控機床傳統設計是建立在物理樣機上的，研發成本高，開發周期長，基于大型三維仿真軟件UG對數控銑床進行數字化設計與虛擬仿真，大大縮短產品開發周期，從而提高生產效率。利用UG可對數控銑床進行計算機輔助設計，有限元分析和計算機輔助制造，方便清楚地驗證了數控銑床設計合理性，以鼠標外殼的數控加工仿真為例簡單介紹數控銑床的仿真過程。

關鍵詞： 數控銑床； 數字化設計； 虛擬運動仿真； UG

中圖分類號： TN202?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0125?03

Simulation design for digitization processing of CNC milling machine based on UG/ISV

WANG Chun?xiao， ZHANG Chang

（School of Mechanical Engineering， Qinghai University， Xining 810016， China）.

Abstract： The traditional design of CNC machine tools， including CNC milling machine， is based on physical prototype， which has high development cost and long development cycle. The digitization design and virtual simulation for CNC milling machine were conducted based on a large 3?D simulation software UG， which greatly shortened the product development cycle and improved the production efficiency. The computer aided design， finite element analysis and computer aided manufacturing of CNC milling machine can be realized with UG. The rationality of the CNC milling machine design was verified. The simulation process of CNC milling machine is briefly introduced by taking CNC machining simulation of a mouse shell as an example.

Keywords： CNC milling machine； digitization design； virtual movement simulation； UG

0 引 言

傳統數控銑床的設計是基于經驗建立在物理樣機上的，開發周期時間長，研發費用高，如果物理樣機試驗不夠充分，會造成不可預知的結果[1]。UG包括數字化設計，有限元分析以及虛擬運動仿真等技術，作為新一代的大型三維仿真軟件已被廣泛應用。此次研究利用UG對數控銑床進行虛擬設計以及虛擬仿真[2]，更加快速便捷地驗證設計的合理性，避免了實際操作數控銑床實體造成不必要的損失，大大縮短開發周期。

1 UG三維仿真工作流程

UG三維仿真工作流程如圖1所示。

2 基于UG/ISV的鼠標外殼數控加工仿真模型

的建立

設計和模擬加工鼠標外殼具有一定的典型性和示范性，鼠標外殼（見圖2）作為型腔銑零件，刀軸垂直于加工表面并固定，由于軌跡形狀在不同的切削層上是不同的，所以有一些殘料會存留在零件上，為了能夠去除殘料，通常采用曲面輪廓銑，如圖3所示。

應用UG/ISV進行零件仿真加工，必須建立機床仿真模型，因為鼠標是簡單的型腔銑，所以采用3軸數控立式銑床對其進行仿真加工。

2.1 數字化虛擬樣機的建立

數字化虛擬樣機建立的實質是建立數控銑床的虛擬模型，首先建立各個零件的虛擬模型，利用UG的裝配功能進行零件裝配，具體過程如下[3]：

（1） 虛擬樣機概念設計：概念設計即確定數控銑床的功能要求和工作參數，從而確定總體設計方案；

（2） 數字模型的建立：確定數控銑床各個零件的尺寸，建立零件的數字模型，并利用UG的裝配功能將零件進行裝配，如圖4所示；

（3） 仿真模型的建立：以建立的數字模型為基礎，增添各種仿真信息，完成整機的仿真。

圖4 部件間的裝配

2.2 數控銑床的運動仿真

完成裝配后，就有了數控銑床的整體試圖，進入機床構造器MTB進行機床運動模型的定義，機床運動模型是用來描述機床運動情況的，所以只有定義了運動模型各組件的運動才得以確定。

2.2.1 定義機床基礎部件

機床基礎部件是定義機床運動關系的基礎，一般定義機床床身，如圖5所示。

2.2.2 創建坐標系

創建連接坐標系是為了便于描述各運動軸之間的運動關系，使數控銑床處于原始狀態時，工件坐標系、刀具坐標系和機床坐標系保持一致，使機床正常工作。創建坐標系過程[4]如下：

（1） 在數控銑床基礎件上建立機床坐標系和機床原點，機床坐標系軸的方向很重要，原點的位置可定義在機床的任意位置，創建一個名為MACHINE?ZERO，分類為machinezero的連接坐標系，如圖6所示。

（2） 在機床工作臺創建一個PART?MOUNT?JCT的連接，用于在模仿仿真時，安裝加工工件將零件安裝坐標系，定在當前坐標系位置；同樣方式在刀具主軸端面創建一名為TOLL?MOUNT?JCT的連接，用于模仿仿真時安裝刀具。[x]軸為刀具安裝軸，如圖7所示。

2.2.3 數控銑床模型入庫

將建立好的數控銑床模型添加到虛擬仿真機床庫后通過后置處理實現加工過程的仿真與認證。數控銑床模型入庫步驟如下：

（1） 首先在加工環境下打開要驗證的已生成刀具路徑的加工件，使導航器切換到刀具導航器，并載入建立好的機床運動模型。

（2） 定義加工件及夾具：打開機床構造導航器在載入的虛擬機床上定義數控銑床加工件，毛坯及夾具等。

（3） 定義加工刀具：在MTB環境下對加工所需的刀具裝配模型進行運動模型定義。

（4） 定義機床驅動器：在Post Builder中為機床建立POST處理器，可自動生成機床驅動文件。

（5） 進行ISV仿真。

整個過程步驟如圖9～圖11所示。

3 結 論

UG將設計與加工過程及NC代碼生成集成在統一平臺上，為數控機床加工仿真提供仿真所需信息，實現從CAPP到CAM的信息集成和功能集成[5]。

本文利用UG/ISV以鼠標外殼的仿真加工為例對數控銑床進行了建模、分析以及仿真，通過UG實現了對數控銑床的產前設計、分析和修正，使設計更加合理性[6]，同時還提高了生產效率，縮短了生產周期，降低了生產成本，這在傳統機床設計中是不可能實現的。

注：本文通訊作者為張長。

參考文獻

[1] LEVENTU G， KHALID B， ROGER A. Virtual prototype for ahybird electric vehicle [J]. Mechatronics， 2002（12）： 575?593.

[2] 應華，熊曉萍，姜春曉.UG NX 5.0機械設計完全自學手冊[M].歐陽宇，王崧，譯.北京：機械工業出版社，2007.

[3] 楊曉京，傅中裕，史孝文.數控機床虛擬樣機的虛擬加工實現[J].機床與液壓，2007，35（1）：45?47.

[4] Unigraphics Solutions Inc. UG CAM實用教程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[5] 喻丕珠.UG在數字化制造集成中的應用[J].機械制造與研究，2009，38（5）：29?30.

[6] 潘丹丹，孫文磊，趙群，等.基于UG的數控銑床數字化設計與仿真[J].機械工程與自動化，2012（1）：18?20.