基于UG的五轴数控机床加工仿真

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50105001） 收稿日期：2004 - 09 - 18 第 23 卷 第 1 期 计 算 机 仿 真 2006 年 1 月 文章编号：1006 - 9348（2006）01 - 0215 - 04 基于 UG的五轴数控机床加工仿真 纪玉坤，曹利新 （大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024） 摘要：目前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，建立干涉实体，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；加工仿真；干涉检查 中图分类号：TP391. 9 文献标识码：B 5 - axis Machining Simulation Based on Redevelopment of UG JI Yu - kun，CAO Li - xin （Schooi of Mechanicai Engineering，Daiian University of Technoiogy，Daiian Liaoning 116024，Chian ） ABSTRACT：Today most machine simuiation systems virtuaiiy are based on the extended Z - buffer aigorithm which basicaiiy oniy provides 2D image. And the interaction of those simuiation systems with CAD software is aiso iimited. The accuracy wiii be reduced during the data exchange. The increased and improved avaiiabiiity of CAD / CAM soft- ware provides exceiient surface modeiing abiiity，makes it possibie to simuiate the whoie process of machining. A ma- chine simuiation system for 5 - axis miiiing is presented in this paper to detect machine coiiisions. The information of machine tooi and workpiece is used for UG CAD / CAM software to construct the machine and workpiece modeis，whiie the NC program is used as input data to perform the machine motion. During the simuiation，overcut and coiiisions between the moving machine components can be checked. And the error of data exchange can be avoided. KEYWORDS：5 - axis NC machining；Machining simuiation；Coiiision detection 1 引言 使用五坐标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，干涉检查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。Lauwers等将机床仿真与刀具轨迹生成进行整合，利 用仿真系统返回的干涉信息对刀具轨迹进行修改，提高了五 轴数控加工编程效率［1］。利用计算机进行数控加工的干涉 检查及仿真是降低生产成本，提高编程效率与质量的重要措 施。 数控加工仿真系统应具有以下三个功能：!显示验证刀 具轨迹的加工效率；"检测在加工过程中机床各运动部件之 间可能会发生的干涉；#验证实际被加工曲面与理想零件曲 面之间的误差［2 - 3］。大多数商业仿真软件都是由按功能划 分的模块组成，其中显示模块是仿真软件的基础核心模块。 目前数控仿真的显示模块主要分为三种类型，分别是基于图 形象素、对象和实体的仿真内核［4］。为了动态显示工件材料 的去除过程，同时保证计算速度，目前数控加工仿真系统主 要采用 Z - buffer 算法对加工过程进行二维显示［5］。因此这 种方法在仿真过程中不能提供视角的转动，如果需要变换视 角则必须重新进行计算。仿真系统的另一个核心模块是干 涉检查模块，虽然现在关于避免数控加工局部和全局干涉的 理论已经有了很大的发展，但是由于多坐标数控机床的种类 和型号繁多，目前的仿真系统能够提供支持的机床型号还十 —512— 分有限，通常需要用户建立数控机床仿真模型。在工程实践 中，由于数控机床仿真系统的几何造型功能十分有限，因此 用于仿真的复杂形状零件和机床模型，需要在其它 CAD 软 件中进行建模，然后将模型转化为 IGES等格式的文件，导入 数控仿真系统。经过文件格式的转化，零件的 CAD 模型将 会产生误差，当零件曲面形状复杂时，会导致曲面模型翘曲 和裂缝。 基于三维实体的数控加工仿真，所包含的几何信息是最 丰富的，可以精确地描述空间几何体的相对位置。针对工程 实践中的实际需要，本文提出利用 CAD 软件的三维造型功 能，建立基于三维实体的机床仿真系统，对数控加工过程进 行运动仿真，并进行干涉检查。其意义在于：!显示验证了 机床 NC代码的正确性及加工效率，在仿真过程中可以任意 的变换视角，方便清晰地观察机床部件的空间位置，免除了 试切；"对加工过程进行干涉检查，输出干涉信息，为刀位的 修改提供依据，提高了编程效率；#实现了 CAD 系统与仿真 系统的集成，避免了 CAD模型导入其他仿真系统时，产生的 误差；$扩展了 CAD系统的功能。 !" 仿真系统的结构 五坐标数控机床仿真系统的程序流程如图 l 所示。 图 #" 仿真系统的程序流程图 依照流程图， 仿真系统程序的内 容和功能说明如 下： l）工件、夹具 和刀具的装配。五 坐标联动机床能够 加工的工件类型非 常广泛，考虑到工 件、夹具和刀具的 外形、参数的多样 性，采用装配的形 式将这些 CAD模型 加入仿真系统，可 增强仿真系统的灵 活性和通用性。用 户根据实际加工情 况，在 UG CAD环境 下建立刀具、刀柄、 工件和夹具的参数 化模型，可以方便 地修改这些模型外 形尺寸。在仿真系统向导的提示下，用户仅需要选择装配的 部件和装配位置，就可以将工件夹具等模型装配到模板文件 里。 2）仿真环境的初始化。仿真模型建立后，必须对 UG CAD环境进行初始化，进入运动分析模块。为了能够在仿真 过程中控制机床各运动部件运动，在进行仿真之前必须对机 床模型中的几何体进行遍历，得到相关几何体的指针。 3）NC代码解释。针对 NC代码对数控机床的加工过程 进行仿真，需要对机床 NC代码的语义进行解释，将代码指令 转化为机床各个轴的运动。机床的 NC代码中包含了种类繁 多的控制机床运动的指令。每读取一行 NC代码都需要对代 码的语义进行解释，将 NC 代码中有效的机床控制指令和数 据正确地转化成为机床各轴的位移。 4）仿真过程的造型计算。采用三维实体造型的方法，可 以在仿真过程中变换视角而不需要重新计算，清晰地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示刀 具与工件的空间位置和几何关系。将 NC代码指令转化为各 个轴的位移，并对运动过程进行仿真造型，在三维造型的过 程中将动画一帧一帧地显示，并在 UG软件后台数据库中保 存造型过程。保存的仿真过程动画可以快速地回放，可以按 照每行 NC代码分步显示，同时在显示的过程中可以进行视 角的旋转和放缩。基于三维实体造型对加工过程进行仿真， 三维显示效果好，可以准确地观察空间中实体的位置关系。 5）干涉检查。仿真过程的干涉和过切检查主要是针对 加工过程中刀具刀柄与工件、夹具、工作台之间发生的干涉。 由于仿真过程使用三维实体造型，所以干涉检查实质上是判 断机床模型三维实体在运动过程中是否相交。利用模型几 何体的指针，对加工过程中可能会发生干涉的运动部件的位 置关系进行干涉检查计算。当运动部件发生干涉时，建立干 涉产生的实体，使用 UG系统中测量功能可以得到干涉部分 的深度和体积等干涉信息，同时输出产生干涉的 NC代码，为 刀具轨迹的修改提供依据。 $" 仿真系统的实现 本文将以 DECKEL MAHO DMU 7OV五坐标联动机床为 例，建立机床的仿真模型，并对三元整体叶轮的铣削加工过 程进行仿真。整体式三元叶轮是根据透平式流体机械内部 的三元真实流动状况而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的，并且轮毂和叶片在同一毛坯 体上进行整体加工。因此三元整体叶轮的形状复杂，约束条 件多，所以加工难度很大，加工过程中容易发生干涉，是五轴 数控加工中具有代表性的复杂零件。 本文实例加工中所使用是直径为 4lOmm的不锈钢锻压 件叶轮毛坯，采用直径 l2. 5mm平头圆柱铣刀和直径 l2mm， 半锥角为 3 的圆头锥铣刀。数控加工工艺过程为：!气流通 道的开槽及扩槽；"叶片曲面的粗加工；#叶片曲面的精加 工；$轮毂表面的精加工。 $. #" 机床仿真模型的建立 根据数控机床的实际传动尺寸，在 UG CAD 环境中，建 立机床模型，定义机床各个轴的运动副性质和方向，并将模 型保存成模板文件。如图 2 所示，MAHO 7OV五坐标联动机 床的运动轴分别为：三个移动轴 X、Y、Z 和两个转动轴 B、C， 其中转动轴 B在 YOZ平面内且与 Z轴成 45 的夹角。 —6l2— 图 2 MAHO DMU 70V数控机床坐标 轴及方向 按照机床部件 的实际尺寸，利用 UG / Modeiing 模 块 的造型功能建立机 床各个部件的实体 模 型，然 后 利 用 UG / Assembiies功能 将各部件装配成完 整的机床模型。 进入 UG / Mo- tion 运动分析模块 选择工作台等机床 的运动部件定义连 杆，将机床的 X、Y、 Z轴定义为移动副， 将 B、C 轴定义为转 动副，根据图 2 中机 图 3 MAHO DMU 70V数控机床的 仿真模型 床各传动轴的运动 方向和回转中心轴 定义运动副，并设 置运动副的驱动方 式 为 Articuiation。 将机床的仿真模型 保存，就可以加载 不同的工件、夹具 和刀具，这样使用 同一机床加工不同 类型和尺寸的工件 时，无需重复建立 机床模型。建立的 五轴数控机床模型 如图 3。 3. 2 添加菜单 图 4 仿真系统的菜单 使用 UG / OPEN Menu- Script脚本语言修改系统菜 单，在系统菜单中添加 Ma- chine Simuiation 下拉菜单， 并指定菜单按钮对应的响 应行为，如图 4 所示。 3. 3 编写 UG / OPEN API 程序 使用Microsoft VC + + 6. 0 建立 UG Appwizard项目，编写 UG / OPEN API程序，根据仿真系统的结构，程序主要实现以 下三个功能，分别对应菜单中按钮的响应： I）装配其他部件 使用 UF UI ask open part fiiename函数弹出的文 件对话框，选择需要装配的部件，得到文件指针，并输入装配 位置，使用 UF ASSEM add part to assembiy 函数将部 件装配到机床模型。调用 UF ASSEM cycie ents in part occ函数遍历所装配部件的实体，将部件实体的指针添 加到运动副。如果装配部件中有需要隐藏的实体或辅助线， 可以使用 UG中的 Biank命令将其隐藏。 2）打开 NC代码文件 调用 UF UI ask open part fiiename函数弹出的文 件对话框，选择 NC代码文件，可以得到文件的指针。 3）运行机床仿真 为了满足仿真过程的需要，必须对 UG / Motion运动分析 环境进行初始化，定义系统参数及干涉检查结构体；同时还 要对相关类型的对象进行遍历，得到机床各个轴运动副对象 的指针，用于控制各运动副的位移。 使用文件指针读取 NC 代码，并对每一行 NC 代码的语 义进行解释，经过计算得到各个轴的位移。NC 代码中包含 了种类繁多的机床控制指令，使用结构体描述数控系统的状 态十分简便，其主要成员为： struct status ｛ int cooradinates type；/ /编程坐标 iong int current iine；/ /当前代码行号 doubie current position［5］； / /当前刀心位置 int main piane；/ /当前主平面位置 int circuiar type；/ /圆弧插补方式 doubie poiar point［3］；/ /极坐标圆心 BOOL jump；/ /跳转标志 iong int jump to iine；/ /跳转行号 BOOL check interference；/ /干涉标志 tag t interference tag；/ /干涉实体指针 ⋯⋯ ｝ 调用 UF MOTION edit artic step size 函数将计算 的各个轴的位移赋值给相应的运动副，然后 UF MOTION step articuiation进行三维实体的造型计算。 如图 5、图 6 所示，系统进行三维实体的造型计算后，就 可以对整个加工过程进行动画播放。在仿真过程中可以利 用菜单控制动画暂停、前进或后退。在暂停的时候，使用鼠 标可以进行变换视角和局部放大观察。 系统每进行一次三维实体的造型计算，都将运算的结 果存储在干涉检查结构体中，调用 UF MOTION interfer- ence查询计算的结果。如果发生干涉或过切，调用 UF MO- TION create interference body建立干涉产生的实体，并弹 出文本窗口，显示发生干涉的 NC 代码。同时用户可以利用 UG / Anaiysis菜单中的工具对干涉实体进行测量，得到干涉 实体的深度等信息。建立的干涉实体如图 7 所示。 通过对粗、精加工工序的仿真，排除了机床各运动部件 —7I2— 图 5 仿真动画显示及菜单 图 6 仿真过程中的动画显示 图 7 刀具与工件干涉产生的实体 的干涉，大大提高了数控加工编程的效率。图 8 为实际加工 过程中的叶轮。 4 结论 本文分析了现有数控机床仿真系统的功能及缺点，并在 此基础上提出了对三维 CAD 系统二次开发，实现基于数控 代码的五轴加工仿真。首先建立机床仿真实体模型，然后使 图 8 实际加工过程中的叶轮 用 UG / OPEN MenuScript 语言和 VC + + 6. 0 进行 UG CAD / CAM系统的二次开发，实现了 NC 代码的解释执行，加工过 程的三维运动仿真，并对数控加工过程进行干涉检查，生成 干涉实体。通过实例证明，该仿真系统能够对加工过程中的 机床干涉进行有效的检查，为刀位的修改提供依据，提高了 数控加工编程效率，避免了文件格式转化引起的误差，具有 较好的工程实用性。 参考文献： ［1］ B Lauwers，P Dejonghe，J p Kruth. 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Computer - Aided Design，2003，35（12）：1129 - 1142. ［作者简介］ 纪玉坤（1980. 1 -），男（汉族），山东青岛人，硕士 研究生，研究方向：CAD / CAM； 曹利新（1966. 12 -），男（汉族），陕西榆林人，博 士，硕士生导师，副教授，研究方向：精密复杂曲面的 设计与加工。 —812— 基于UG的五轴数控机床加工仿真 作者： 纪玉坤， 曹利新， JI Yu-kun， CAO Li-xin 作者单位： 大连理工大学机械工程学院,辽宁,大连,116024 刊名： 计算机仿真 英文刊名： COMPUTER SIMULATION 年，卷(期)： 2006,23(1) 被引用次数： 6次 参考文献(5条) 1.Erik L J Bohez;Nguyen Thi Hong Minh;Ben Kiatsrithanakorn;Peeraphan Natasukon, Huang Ruei-Yun, Le Thanh Son The stencil buffer sweep plane algorithm for 5-axis CNC tool path verification[外文期刊] 2003(12) 2.Seung Ryol Maeng;Nakhoon Baek;Sung Yong Shin;Byoung Kyu Choi A Z-map update method for linearly moving tools[外文期刊] 2003(11) 3.Anna Puig;Lluis Perez-Vidal;Dani Tost 3D simulation of tool machining[外文期刊] 2003(01) 4.D C H Yang;Z Han Interference detection and optimal tool selection in 3-axis NC machining[外文期刊 ] 1999(05) 5.B Lauwers;P Dejonghe;J p Kruth Optimal and collision free tool posture in five-axis machining through the tight integration of tool path generation and machine simulation[外文期刊] 2003(05) 本文读者也读过(2条) 1. 南楠.刘婷.NAN Nan.LIU Ting UG二次开发实现五坐标数控机床三维仿真[期刊论文]-机械制造与自动化 2007,36(3) 2. 顾京.王振宇.Gu Jing.Wang Zhenyu UG软件在导风轮制造中的应用[期刊论文]-现代制造工程2005(12) 引证文献(6条) 1.王太勇.邢元.李琳.王品才 螺旋锥齿轮虚拟加工过程算法[期刊论文]-天津大学学报 2012(2) 2.丁杰.刘践丰.李鑫 高速切削机床的研究与发展[期刊论文]-科学技术与工程 2011(13) 3.李敬财.徐文丽.李清.李琳.王太勇 基于层片分割算法弧齿锥齿轮及准双面齿轮五轴数控切削仿真[期刊论文]-机 械传动 2011(3) 4.李敬财.徐文芳.李清.李琳.徐文丽 层片分割算法在切削仿真中的应用[期刊论文]-机械传动 2010(5) 5.田中朝.范述鑫.孙殿柱.李心成 基于UG的五轴机床碰撞仿真系统研发[期刊论文]-山东理工大学学报（自然科学 版） 2008(6) 6.罗建国.何茂艳.陆震.黄真 基于UG的串并联机器人ADAMS运动学仿真[期刊论文]-机械设计 2007(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjfz200601059.aspx