基于UG6.0 IS&V模塊的機床仿真

秦 磊

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島266041）

基于UG6.0 IS&V模塊的機床仿真

秦 磊

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島266041）

介紹了UG6.0中IS&V模塊的結構組成及工作原理，并在IS&V環境下建立了一臺三軸立式加工中心模型，在該機床模型上對需要切削加工的零部件進行虛擬機床仿真，真實展現實際切削加工中機床、刀具、零部件間的運動關系，評估了實際切削加工中可能出現的碰撞及刀軌過切、過剩的問題，提高了生產效率。

IS&V模塊；碰撞；機床模型；刀具路徑

在機械CAD/CAM領域中，數控加工仿真是廣泛應用于企業生產中的一項重要技術。其通過可視化的操作，將機床、工裝夾具、刀具及零部件間的運動關系得以在電腦上真實呈現，將程序中可能出現的錯誤、運動中可能出現的碰撞提前展現給操作員或是編程員，從而避免了切傷工件、折斷刀具甚至撞斷機床主軸等損失發生。目前大多數生產單位雖然也應用了CAD/CAM的相關模塊來提高生產效率，但大多數集中在CAM軟件的NC程序建立上，并不考慮其中的機床行為，當NC程序建立后就直接進入機床進行加工，由此會帶來機床、刀具及工件產生碰撞的問題，本文即根據目前各企業及我司普遍存在的這個問題應用軟件UG6.0中的IS&V模塊探討下機床仿真技術。

1 軟件概述

UG軟件是集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數化高端軟件，其提供的產品全生命周期的解決方案廣泛的應用于航空、航天、汽車、軌道交通、通用機械等行業領域，其中的IS&V模塊，是一個完全可定制的機床仿真與檢驗專用模塊，可以模擬整個機床的切削加工過程，使得操作者或編程員可以對整個加工過程情況進行更精確的了解與直觀的觀察。

1.1 IS&V模塊組成

IS&V模塊是由機床驅動器MTD（Machine Tool Driver）和仿真驗證引擎S&V Engine（Simulation&Verification Engine）兩大核心組成，而 UG CAM、NC代碼輸出及圖形反饋輸出都是以此模塊為前提[1]，具體原理見圖1.

圖1 IS&V模塊仿真原理

MTD拓展了傳統的Post功能，它不只是生成了一個NC程序，而且也作為一個模擬驅動器

參與所有的制造過程，處理所有的機床動作。MTD調用IS&V模塊了解仿真與檢驗命令，然后由該模塊收集、處理并將所有最終信息反饋到圖形顯示設備或仿真控制面板上。當仿真機床時，系統將精確仿真機床運動并完全復制整個加工環境，全方面生成可視化的仿真加工動畫，使得機床編程更為安全與方便[2]。

1.2 IS&V模塊的優點

IS&V模塊具有很多的優點，具體如下：

1）模擬機床、工裝夾具、刀具和加工件之間的實際運動，動態的檢查碰撞。

2）驗證NC程序，消除昂貴和耗時的試切及空運行，提高生產效率。

3）可動態直觀的顯示出零部件在加工過程中的材料切削去除情況。

4）可以定性、定量的對最終零部件進行分析，從而評估其切削精度。

5）優化NC程序，降低刀具磨損從而提高刀具使用周期。

6）可以用來培訓新操作員及編程員，增加現有機床的的使用率。

2 IS&V模塊的系統實現

盡管NX IS&V自帶的機床庫包含了很多默認的數控仿真機床模型，但我司有專屬的數控加工機床，如圖2所示北一大隈三軸立式加工中心。為更好的貼近生產解決實際問題，需依我司機床為參考建立符合公司需求的機床仿真模型，并在該機床模型上對我司零部件進行機床仿真。應用IS&V模塊解決實際問題的的主要點就是建立與單位機床一致的機床仿真模型，下面將在UG6.0軟件上以我司的北一大隈三軸立式加工中心為例來簡要介紹建立過程。圖3即為所建立的機床模型。

圖2 北一大隈三軸立式加工中心

圖3 機床模型

2.1 測量、建立機床3D裝配模型

測量現有大隈機床的幾何尺寸，并根據幾何尺寸建立機床的3D裝配模型；機床的各子件需在UG裝配模塊中進行裝配，且機床子件必須是獨立的組件存在，因為機床子件在運動學模型中須是可運動部件。

2.2 建立運動學模型

要獲得逼真的機床仿真，對機床模型建立符合機床真實的運動學定義是不可缺少的，且機床驅動器MTD必須是在定義了運動學的機床模型上通過后處理文件才能驅動機床運動。為此，可以進入軟件中的機床構造器（machine tool builder）進行定義建立。

2.3 存儲到庫中

建立機床運動學模型后，為讓IS&V模塊可以識別且調取該機床模型，首先將該機床模型添加到軟件的機床庫中，其次利用后處理構件庫建立一個用于大隈機床模型的OKUMA后處理文件。

2.4 建立機床驅動器

只有定建立機床驅動器MTD大隈機床模型才能可以真正動作。驅動器主要通過UG的后處理構建器來完成。在UG軟件Post Builder中指定了所要用到的后處理文件、虛擬NC控制器（VNC）后就可以自動生成MTD所需要的一些文件，包括pui、tcl、def等文件。

2.5 建立工件模型。

在加工模型中建立工件運動組件，通過UG軟件的自動裝配功能在大隈機床模型上安裝后，才能夠進行綜合仿真與檢查。

3 IS&V環境下的仿真

上述機床模型建立后，即對需要切削加工的零部件進行虛擬機床仿真了；下面以一個薄壁帶多處導向槽的零部件的來介紹如何操作應用UG6.0 IS&V模塊的虛擬機床仿真，零部件見圖4。

圖4 薄壁零件

3.1 NC程序建立

應減重需要，此薄壁件最薄處壁厚為4 mm，但是平面度要求較高；多處導向槽因需配合，其尺寸精度要求比較高，且圓角處更不能與配合的其余部件產生干涉，故為保證零部件的相關精度擬采取先整體粗加工、待應力釋放后再整體精加工的加工方式。在UG CAM模塊通過對零部件毛坯、零部件最終模型、切削工藝、切削刀具、切削參數等進行創建和設置，最終生成了NC程序及刀軌路徑，即圖5所示。從刀軌可視化驗證圖6中可以看出，UG CAM模塊的刀軌驗證過程中零部件與切削刀具的相互運動關系與真實切削加工過程是顛倒的，故需要應用UG IS&V模塊進行機床仿真以便獲取真實的切削加工情況。

圖5 NC程序及刀軌路徑

圖6 刀軌可視化驗證

3.2 機床仿真應用

接上步，調出圖3建立好的機床模型，組成機床-零件系統模型圖7，很明顯整個切削加工過程清楚的展現在面前，在該零部件的虛擬機床仿真切削加工中，可通過放大縮小、移動、旋轉等操作直觀的觀察零部件在虛擬機床上的切削加工動作。此外還可以通過“仿真控制面板”上的“碰撞檢測”選項來設置刀具、工件及夾具的碰撞關系，從而模擬出真是的碰撞情況，具體見碰撞情況檢測圖8.還可以通過“仿真控制面板”上“分析”和“通過顏色顯示厚度”來具體的查看在刀軌生成階段編制的參數是否正確，具體見過切、過剩云圖及測量圖9.在圖9中很明顯可以由“通過顏色顯示厚度”選項中圖的顏色及旁邊的云圖對照，看出數控加工的過切或未切，且很容易從“分析”菜單中的“測量”選項能定量的測量出加工部分材料的過切與過剩。

圖7 機床-零件系統模型

圖8 碰撞情況檢測

圖9 過切、過剩云圖及測量

3.3 機床仿真的實踐驗證

通過IS&V模塊機床仿真驗證，若數控程序存在碰撞、過切或過剩等情況，則可回“刀軌生成”模塊修改相應設置，直到數控程序不再有碰撞或過切等問題，這樣便可將數控代碼輸入到機床上進行加工生產。此零件的數控程序經IS&V模塊機床仿真并輸入到數控機床上后，無需試切及空運行，便可高效的加工出質量合格的零件，大大的提高了編程的效率及生產效率。

4 結束語

通過UG6.0 CAM模塊編制了零部件的NC程序，應用IS&V模塊將建立的機床運動模型及編制的NC程序進行了機床仿真，虛擬的展示了零部件切削過程；此虛擬仿真可以代替試切發現可能出現的碰撞及程序過切、過剩等現象，降低生產過程中的風險、提高了單位的生產效率；同時機床仿真技術作為虛擬制造技術中的一個重要發展方向，由于其可降低生產成本、縮短開發周期等特點將會極大的促進現代制造業的發展。

[1]楊曉京，傅中裕，劉劍雄.基于UG IS&V的數控機床加工仿真[J].機械設計與制造，2007（07）：46-47.

[2]張 磊．UGNX6后處理技術培訓教程[M]．北京：清華大學出版社，2009．

[3]其木格，李 強．基于UG的虛擬機床運動學建模與仿真[J]．機械制造與自動化，2007（05）：26-29.

Machine Tool Simulation Based on UG6.0 IS&V Module

QIN Lei
（CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266041，China）

Introduce the structure and working principle of UG6.0 IS&V module ，and build an 3-Axis vertical maching center model on the IS&V module，Virtual machine tool simulation is carried out for parts to be machined in the machine model ，demonstrate the actual movement of machine tool、cutting tool and parts in actual machining，the possible collision and excessive cutting and excess of tool path in actual cutting process are evaluated，finally the production efficiency is improved.

IS&V module；collision；machine model；tool path

TG659；TP391.73

B

1672-545X（2017）08-0237-04

2017-05-19

秦 磊（1983-），男，山東青島人，工程師，本科學歷，研究方向為機械制造工藝。