基于UG NX的自動化集成仿真與驗證功能的研究

畢海波

摘 要：該文以基于UG的數控編程及加工自動化研究為題展開具體論述。首先對其進行了簡要概述，主要從數控編程方面探討了仿真研究這一問題，著重闡述了基于該數控編程的模擬仿真系統與加工，要通過怎樣的結構與聯合實現自動一體化的問題。希望通過討論該模擬系統的編程創建與數控車床操作系統的聯結可以為我國在制造業領域的研究探討與發展提供一些可供利用的信息，以供參考。

關鍵詞：UG 數控編程 加工 自動化

中圖分類號：TG386 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0003-02

伴隨時代、社會進步，科學技術領域有了很大發展，尤其是在現代的工業領域發揮了前所未有的作用，歐洲一些老牌制造業國家，如德國、意大利等工業已發展到了4.0階段，對各種影響其發展的因素做了最大優化與調整，其靈活性大大提高，因而在質量方面、生產效率方面都有了卓越的進步與提升。從這些情況來看，應用現代化的以計算機為基礎的相關數控編程與數控加工非常有利于現代制造業向著更為輝煌的前景邁進。

1 概述

進入21世紀以來，人類考慮更多的問題是在科學理論研究方面更多的傾向于“系統論”式的跨學科的綜合與交叉研究，在技術性的實踐領域更多的發展方向則是使各種技術通過以計算機為基礎的信息技術手段達成進一步的合作與聯合。從20世紀發明并在21世紀初得到重視的“3D打印”技術及應用以來，人類已經更多的走向了更為綜合化的道路。自20世紀30年代美國哲學家杜威來我國演講以來，也有一些學者提出了關于對科學技術的全面化問題的思考。所謂科學技術的全面化，即當前因自然科學發展以來所產生的物質生活領域的發展還遠未達到其可能的目標，真正的科學發展的最終目的必然是給人類帶來最為有利的結局。因此來看，探討關于數控編程及加工的問題，并且討論其在當下時代的自動化問題，主要是為了更好的指出我國在制造業領域總體水平上還處于中期的發展階段，遠未達到像歐美一些國家的制造業的水平，而且由于制造業的發展作為一個國家工業發展的支柱，總體經濟的支柱，不但需要得到更多的關注與投入，還需要進一步的加大對其科技研究的量的增加，只有如此，才能更好的帶動我國的發展，更好的解放人，使現代化與傳統這兩個當下的困難逐步隨著科學技術的完善與全面化而深入的在人類生活中掀起新一輪的革新，使人類從中解放出來，擺脫掉“人是機器”的魔咒。

2 現代制造業的現狀及發展趨勢

通過上面的初步介紹與意義價值的探討，可以對現代制造業有一個更為直觀的感受，也即是說，可以從中感受到當下的時代精神正在催促人類去努力行動，從而解決一個個困擾著人們前進的問題。

從目前來看，現代制造業技術已經呈現出的趨勢是向集成化、自動化或智能化、一體化方向發展，即更加向著“機器人”這一目標前進，由于對先前數控加工中人工編程的反思，現在可以更為清楚的認識到，數控加工仿真技術可以對其中的程序錯誤加以改善，而且可以更為有效的對機床加工整個過程中干涉性質的碰撞事故加以檢測，并發出警告，比如對于劃傷工件、損壞夾具、折斷刀具以及碰撞等事故問題都可以有效的進行檢查。這樣，不但縮短了工件的加工時間，也極大地提高了數控機床的使用壽命，最終達到節省成本，提高效率的階段。該文所討論的仿真效果，主要是通過修改一些相關的切削參數，進而達到改善加工品質及降低生產成本的目的，這也是現代制造業呈現出的發展趨勢。

該文通過對UG/ISV模塊功能的研究，并且以此為基礎，提出了構建基于UG/ISV的NEXUS_420B四軸聯運加工中心完善的，加工工藝系統的動態實體加工仿真，并且通過對其探討引入了UG NX的大環境，從而展開深入一步的后續處理模塊的研究，以此對自動輸出系統加以探究，從而提升其利用率與生產效率。

2.1 UG集成仿真與驗證的結構分析

UG這款編程軟件中，有一個強大的功能，即集成仿真與驗證功能，英文稱作Integrated Simulation and Verification，簡稱IS—V，也是其中的一個專用模塊，其訂制性質已經表明了其優越之處。其主要功能的表現是：通過加工工藝模型對CAM生成的刀具軌跡程序進行模擬、校驗、顯示；另一方面，即可達到上面所說的監控與檢查，減少事故；另外，通過它還可以將實際的生產加工中的數控機床與其所建立的模型相對應，從而使后續加工中的模擬軌跡并得出具體的加工工件的實際模型。換句話說，就是利用這一信息數據的分析來實現直觀、形象的評估，以評估結果來校準，并實現所需的加工數據的精確值，從而減少其中的重復、浪費。

該模塊的構成：機床驅動器、仿真驗證引擎。這兩大核心部分中，前者由后置處理器、虛擬NC控制器組成，具備真實機床的所有特性及運動性能；后一個部分主要是構成加工工藝系統的實體模型，比如刀具庫、夾具等。

其原理是，利用機床庫來實現現實中的加工工藝，一是建立其大環境模型，二是通過生成模式中的相關文件來實現模擬操作。主要是先建立模型，通過UG/CAM生成刀位文件，傳遞至上文中所說的機床驅動器部分，經過這一模塊的處理，再在仿真驗證引擎模塊中進行妿工刀軌的干涉校驗檢查，從而把其得到的數據信息轉換為圖形，輸送至仿真控制面板，從而實現這一完整過程。

2.2 數控加工仿真模型的建立

雖然上面所說的UG的IS—V模塊，其功能強大，還帶有很多的默認仿真機床模型，然而實際情況是，在每個企業之中，必然會因生產而有一些不同型號的數控加工機床，因此，應該從事實出發，從企業的特點出發，從而實現該機床上的加工仿真驗證實驗。所以首先應該注重從整體上構建的思路，搭建起與實際機床完全一致的仿真模型。具體來講，在基于UG的數控編程過程中，需要有一個三維主模型，該文主要通過其中的IS—V模型和功能來實現其刀具生成方法。第一是通過對其中的零件進行工藝分析，比如，從其形狀、尺寸、質量等方面進行參數確定，還需要對其中的機床、刀具、夾具、加工方法等進行參數確定；第二是對其中的模塊功能環境進行設置、對刀具進行選擇、對仿真模型加以建立、對刀具軌跡進行檢查等。該文以NEXUS_410B這一較為常見的通用型四軸聯動加工型機床為例進行具體的闡釋與說明，具體如圖1所示。

首先，對機床裝配模型進行定義。建立起幾何裝配模型，這一模型的搭建只需采用其中的裝配功能即可，也就是利用其中的裝配模塊中的各個裝配及組件功能進行組合。由于機床的運動性能的限制，各零部件獨立，所以需進行單獨部件模型的組建，根據其設置與以往模擬實驗的經驗來看，主要部建的模型搭建完成即可以達到要求。

其次，需要對機床運動模型加以定義。機床只有通過運動才能完成其具體操作。因而應該從一致性出發，搭建起運動學模型，從中描述、確定機床運動。以該文所探討的裝配模型來看，每一個裝配模型文件都必須配備或對應的有一個運動模型。其定義的位置在機床構建器中（MTB）。定義這一運動模型過程，需要把實際中的機床運動、基座組件、K組件、運動軸等進行各自的單獨定義。但是，從該文所討論的機床類型來看，只需在主要定義位置中將X、Y、Z、A線性或旋轉運動，還需對輔助性的信息加以定義。

第三，應該將機床入庫添加進去，因為創建好的機床運動模型，在該模塊中還不能達到直接仿真，因而應該對其功能中加入機床入庫，具體方法是在UG中的MACH下拉子菜單文件夾中加入，并在其默認機床里加入新機床模型記錄；另外，通過在UG postprocessor文件夾中立一新文件，作為專用，針對銑床的后處理設置文件（DAT），這樣可以使后處理文件在保存中有一個明確的保存位置，并得到MTD的直接指定，使其方便被認知并得到應用。

第四，應該對機床驅動器加以定義，否則整個運行無法達到，所以，應該通過UG后處理構造器（Post Builder）進行具體定義，其程序操作是從“后處理工具——后處理構造器”，進入其界面后，選擇具備多軸后處理選項中的四軸轉臺結構機床類型，此時，需要對其中的參數進行設定。其具體是對基本技術參數中的最大行程、主軸轉速、轉臺平面、工作臺擺角度等等進行參數設定。

但是，需要注意的是在實際的操作中，應根據本系統的編程規則，依次對整個如MACHINE TOOL、PROGRAM AND TOOLPATH、N/C DATA DEFINITIONS、PUTPUT SETTINGS、PLST FILE PREVIEW等進行數據的更改并進行相關文件下的保存。系統會根據自身的設定來實現自動生成，即通過系統對數據的內在處理來實現。

2.3 IS—V環境下的加工仿真

在加工過程的仿真中，首先應該考慮加工工件中的零部件形狀的復雜性，因而在其幾何輪廓中需要進行分別，并加以鑒別分析，由于是基于UG的加工過程仿真，所以在此過程中，要在刀具生成中需要排除掉有關的機床結構、工件的裝夾方式等影響因素，因為在具體的裝夾方式中，不但有單夾方式，還有二夾方式，多頂方式，夾頂混合方式，因而在實際的生成零件程序中，肯定會有不相適應的情況出現，由于這一原因的存在，也就是說情況的復雜性質導致的零件數控程序生成后，必然需要一個檢驗過程來加以實現，這也是該文研究中選用該功能強大性能的優越之處的旨趣所在。

以實際生產為例，在具體的生產加工中，往往可以通過“空運行”、“試切”等方法來達到檢驗這一要求。從性能分析，前一種方法，是對機床運動中是否存在干涉碰撞問題加以檢查，但實際情況并不精準，僅僅是粗略的進行結果評估，在后一種方法中，其精準性能強過前者，然而又有重復的問題存在，換句話講，即是對于工作而言，需要花費更多的時間，更多的成本，且效率低下，安全性能也不能百分之百得到保證。本次的研究所采用的這一基于UG的模塊功能，實際上是通過計算機中的三維模擬技術，利用圖形的直觀、形象，從虛擬仿真中來達到，更快、更安全、更為有效的目的，其中應用的NC程序，到目前為止，受到了較好的評價，因為，這一仿真結果可以使該程序在較短的時間內使其得到實時性的更正或修改。如此，可以有效避免上面所說的兩種方法中透露出來的不利因素，以及在質量與效率方面的問題。

首先，在仿真模型建立成功后，即可展開具體的操作。所以，第一步是完成刀具路徑的仿真，這要求先有一個加工后最終得到先在模型；第二步是對UG CAM模塊中將工件、毛坯、刀具、加工方法等程序加以構建、設置，從而生成刀軌；第三步即通過刀軌確認命令加以檢查與驗證，從而使生成的刀具路徑得到可行性的模擬應用。由此可見，在具體的模擬加工中，路徑仿真中有一動一靜，其中，刀具運動，加工零件保持靜止；最后，應該對零件也進行仿真，這樣效果會更為突出。

其次，當生成刀具軌跡完成后，利用“操作導航器”中的“機床”中的添加自定義欄，對其中的機床運動模型NEXUS_410B_4Axis（A）進行定義，需要選擇“刀軌”至“仿真”命令即可。其過程的操作需要對縮放、平移、旋轉進行全方位觀察，并通過其檢查來驗證其精準性，并及時對需要修改的地方加以修改。完成后即可點擊“保存NC程序”即可。

整體來看，通過檢驗這一環節的設置，可以利用設置MTD專項指示性文件中的各種參數變更來處理仿真機床加工中的數據參數，從而使整個程序中的系統設置功能中的運算得到應用，以此來達到對NC程序的變更，使事實與虛擬情境相一致，通過對UG中的模塊及相關功能的探討有利于使其中的編程程序與現實的機床加工自動一體化得到實現。

3 結語

總而言之，筆者認為通過對基于UG的數控編程及加工的自動化研究與探討可以從其功能中建立起一個真正的仿真模擬編程的數控加工工藝系統模型，不但可以使真實的加工過程得到直觀具體的呈現，也可能降低手工編程的缺陷與不足，不但有效減少了機床試，更為重要的是提高了其精準度與整體的利用效率，更好的提升了生產加工的生產效率，節省了時間成本。從而可以看出，以此為基礎，進一步開發出一些相關的處理文件，既可使機床在編程方面的效率得到大大提高，而且也可以利用這一系統的研究與繼續開發，為我國工業向未來的工業化中的“私人定制”提供更多的可能性。

參考文獻

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