李永祥，胡秀阳，汪 洪，黄凯龙，南立文

(浙江师范大学工学院，浙江金华 321004)

0 引 言

制造业是国民经济的主体，随着计算机技术的飞速发展和计算机图形学应用领域的不断扩大，计算机仿真技术在现代加工制造业中得到了广泛应用.仿真技术是采用物理模型或数学模型来代替真实系统，特别是对复杂系统进行研究和设计的一种新型的、有效的工具.把计算机仿真技术引入到零件的数控加工中便形成了数控加工仿真技术［1］.数控加工仿真作为一种先进的计算机人机交互技术，借助于计算机图形学，采用可视化技术，产生一种人为虚拟环境，模拟现实数控加工工艺系统环境.通过建模仿真软件，模拟实际机床加工环境及其工作状态，能够在计算机上演示各种加工方法的加工路线，把可能存在的错误信息反馈给相关技术人员，使其预先浏览到虚拟仿真过程，并能及时发现问题，可以有效预测数控加工过程中的干涉碰撞现象，对避免机床事故发生、显著改善数控机床安全使用率具有重要的现实意义.同时，采用数控加工仿真代替以往的试切等传统走刀轨迹检验方法，对提高数控机床的有效工时和使用寿命很有帮助，从而在数控加工制造业中获得广泛重视，应用领域也越来越广泛［2］.

目前，数控加工仿真系统的实现都存在着一定的缺陷，极少数独立的机床仿真软件虽然自身具备机床综合仿真功能，但是其造型建模功能却很有限，对于机床结构比较复杂的工装夹具装配模型，通常都做了简化处理，从而失去了很多有用的结构信息，不能真实反映数控机床的实际加工环境.而对于已商品化的CAD/CAM软件，目前大量的参考文献主要是介绍了这些软件通过与其他现有造型软件结合或者借助于VC++和OPENGL技术进行开发来构建数控加工仿真系统，其不足在于需要对数控机床的加工过程仿真进行大量的数控代码编写，也缺乏相应的技术基础.

本文将在对UG NX的高级综合仿真功能进行深入研究的基础上，以浙江师范大学实验中心现有的数控车床为对象，构建某数控车床的加工仿真系统，以某代表性零件加工为例，详细讨论该数控车床综合仿真加工系统模型的构建过程，并实现该数控车床的动态实体加工仿真，真实地反映和再现实际加工过程.通过对该零件加工过程进行仿真校验，较准确地评估了数控程序的正确性，并依据加工仿真结果对数控程序进行快速修改，有效避免在实际机床上对工件进行适切加工的反复过程，节约材料消耗和生产成本，为预测切削加工过程以及数控加工程序的可靠性验证提供了强有力的工具.

1 数控加工仿真原理及其发展应用

数控仿真加工利用当前迅速发展的计算机图形技术，实现了在计算机上通过软件模拟加工环境和刀具对零件的各种切削加工的过程进行三维动画显示.具体过程是采用三维实体仿真技术，借助于图形交互式自动编程系统，通过软件CAD系统提供的图形生成和编辑功能绘制零件图完成零件造型，随后以人机交互的方式选定加工方法，输入相应的加工工艺参数，并选定要加工的零件部位及方向，软件自动生成刀具加工轨迹数据;以数控程序为驱动，数控指令译码器对输入的数控程序进行识别，以及语法检查、解释翻译生成数控指令，根据数控指令生成相应的刀具扫描体，并在该数控指令驱动下，对刀具扫描体与被加工零件的几何体之间进行求交运算、碰撞干涉检查和材料切除运算等.所有这些数控仿真加工过程均可在计算机上通过三维动态形式显示出来［3］.具体流程如图1所示.

图1 虚拟加工仿真流程图

数控加工仿真是计算机辅助设计与制造领域的关键技术之一，通过数控加工仿真技术，可以将整个机床加工过程以几何图形的动态方式显示出来，从而检测加工过程中的漏切和过切现象，以及刀具运动过程中与夹具或机床产生碰撞问题，检验被加工零件的最终几何形状是否符合质量要求，从而确保能加工出符合设计要求的零件，并尽可能避免导致刀具、夹具和机床之间的不必要损坏［4-6］.目前，刀具轨迹仿真和动态实体仿真是主要被广泛使用的数控加工过程仿真模式.但是上述2种仿真模式都没有从整个加工工艺系统进行全局考虑，其仿真模型忽略了机床、刀柄和夹具等关键几何体，在机床-刀具-工件-夹具之间是否存在干涉现象将无法被检查出，其仿真效果也不是很理想.刀具加工轨迹生成和仿真加工如图2所示.

为了克服上述数控加工仿真模式的不足，本文通过建立较为完善的数控车床加工工艺系统模型来获得理想的仿真效果.作为一个全面集成的产品工程解决方案，UG/CAM软件的高级综合仿真模块可以基于加工工艺系统模型仿真切削过程中的机床运动，保证加工过程模拟仿真结果完全符合数控机床在生产加工中的实际情况.能够创建与实际机床完全一致的精确运动模型;能够真实反映数控机床的运动及其控制器的动作;能够预览所有相关的加工操作指令.所以，很多与机床相关的实际问题就可以在零件刀具路径的生成过程中被发现，工程设计人员根据反馈信息就可以对零件的可加工性和可制造性重新评估和进一步完善机床参数设置.等到数控机床实际加工该零件时，该零件在机床上是否可加工就已经确定了，不会因为零件加工过程中出现问题而使加工中断.这样既节省了生产成本，也提高了企业加工效率，从而使机床数控编程更加安全、高效，提高了适应性.

图2 零件的自动加工轨迹生成和虚拟仿真加工

2 数控机床加工过程仿真

2.1 建立数控机床虚拟加工环境

虚拟加工是实际加工过程在计算机上的本质实现，是在计算机图形学和三维实体造型技术支持下，对整个数控加工环境进行综合建模和动态仿真.数控机床加工环境通常由工件模型、刀具装配模型、夹具装配模型、机床模型以及其他相关机床辅助件组成.

2.1.1 定义机床虚拟装配模型

虚拟数控机床的几何建模是实现数控机床综合仿真的前提条件.首先，根据本实验室数控车床结构和运动特性准确划分出该数控车床的所有运动子模块，基于“机座-工件”运动链和“机座-刀具”运动链识别出该数控机床的传动件、执行件和动力源，并在此基础上有效划分出该数控车床的床身部分、刀架组件、X向进给模块、Z向进给模块和主轴环节等;其次，根据该数控车床各模块的运动传递路径，按照运动链前一级作为后一级子装配的原则，建立各运动子模块在装配模型树中的层次和位置;最后，按照自底向上的装配原则，在完成各子装配体后，再从底层的子装配体和相关零件开始向上组装到上一层装配体，这样逐层装配直到建立起该数控机床的总装配模型［7］.

笔者以浙江师范大学实验中心所拥有的数控车床为研究对象，通过对该机床进行运动结构分析，获得其运动传递示意图如图3所示.按照上述建模方法，该数控车床所涉及的2条运动链为:

1)工件夹具装配模型(SETUP)-主轴-LATHE_SPINDLE)-机座(MACHINE_BASE);

图3 数控车床运动传递示意图

2)刀具(TOOL)-刀架(TOOL_CARRIER)-X向进给模块(X_SLIDE)-Z向进给模块(Z_SLIDE)-机座(MACHINE_BASE).

参考上述2条运动链的传递关系绘出该数控车床的虚拟装配模型树，建立了该数控车床装配模型，如图4所示.

图4 数控车床装配模型

2.1.2 定义机床运动模型

机床运动模型用来定义数控机床装配模型中各移动部件，确定相互之间的位置运动关系，指定数控机床各数控直线轴和旋转轴的行程范围和移动方向，以及设定机床零点、刀具安装点、工件安装点等相关参数.UG/CAM综合仿真模块通过交互方式可以识别装配模型中的机床主轴、进给轴和刀架等运动部件.当单击机床导航器图标进入机床构建器模块(Machine Tool Builder)时，在名称栏单击右键即可插入运动组件和各运动轴，把相关的联接点设置好后，再参考该机床上述2条运动链的传递顺序，逐步建立该数控车床的运动模型，如图5所示.

图5 数控车床运动结构模型示意图

2.1.3 建立刀具模型和工件、夹具装配模型

在机床加工仿真时，可自动调用已添加到机床刀具库中的指定刀具进行加工.其整个创建步骤为:首先，建立刀柄、刀杆和刀塔的装配模型，在Machine Tool Builder模块中定义并指定刀尖点和安装点;然后，在刀具数据文件中指定所使用刀具即可.建立毛坯和夹具装配模型的目的是为了在机床加工仿真时能检验出毛坯、刀具、夹具、主轴头座和压板等的碰撞干涉［8］.其整个建模过程和该数控车床的建模过程类似.

2.2 机床加工过程仿真

在建好数控机床加工环境后，即可进入到UG/CAM综合仿真模块进行加工仿真校验.首先，在UG/CAM模块中打开典型零件模型，单击操作导航器窗口，进入机床刀具视图，双击“通用机床(GENERIC_MACHINE)”命令，从机床库中调用上述已经建好的数控车床模型，使用装配定位即可将已生成刀路的典型零件调入机床安装位置，同时对刀具和夹具等进行重新定位，最终设置好整个数控车床的加工仿真系统.在操作导航器中选择打开机床视图，点击“刀轨/仿真”命令或者选择“机床仿真”图标即可进入“仿真控制面板”进行机床加工仿真，在“仿真控制面板”中可以浏览生成的数控程序、机床加工状态和刀具轨迹位置以及仿真动画设置.在数控车床的仿真过程中，通过选择工具栏中的缩放、平移及旋转操作命令可以全方位地观察零件在机床上的加工仿真过程.对于可能出现干涉碰撞错误的工件或夹具部位和相应的数控代码进行调整和改正，直至无误为止，此时即可输出零件加工的实用数控代码.该数控机床的加工过程仿真和数控加工代码显示如图6所示.

图6 加工过程仿真

3 结 语

以浙江师范大学实验中心现有的数控车床为研究对象，在目前常用数控加工仿真模式的基础上，结合UG/CAM综合仿真校验模块，通过合理的虚拟机床加工仿真系统建模过程，为数控车床建立的精确运动模型与现实生产加工中的机床运动完全保持一致，并最终开发出具有实用意义的数控车床虚拟加工仿真环境.通过对典型零件在该数控车床虚拟加工仿真环境中的动态实体加工仿真，使模拟仿真结果完全符合实际情况，并能详实地反映实际加工过程中可能存在的各类干涉情况，其理想的仿真效果证明采用机床综合加工过程仿真可以有效制止干涉碰撞事故的发生，能够显著提高数控机床的安全使用率，对促进现代制造业的发展具有重要意义.

［1］李阳，赵永成，魏兰.数控加工仿真技术研究综述［J］.系统仿真技术，2008，4(2):111-116.

［2］常利民.仿真技术在数控加工中的应用探讨［J］.机械与电子，2010(13):512-513.

［3］呼刚义，王荪馨，杨鹏.虚拟加工仿真软件在数控加工技术中的应用和发展［J］.机电工程技术，2013，42(1):16-18.

［4］张玮，郑力.数控加工仿真系统的研究现状与发展趋势［J］.机械制造，2007(9):7-8.

［5］郭卫，张武刚，赵栓峰.基于UG/ISV的数控加工仿真系统的设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2006(9):4-7.

［6］李晓东，王好臣，李玉胜，等.基于 UGNX/IS＆V 的数控加工仿真［J］.机床与液压，2010，38(3):121-123.

［7］何志伟，严隽薇，张浩，等.数控加工过程建模和仿真的研究与应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2004(3):5-7.

［8］杨武成，张武刚.数控铣床虚拟装配建模及其加工仿真研究［J］.机床与液压，2009，37(5):176-178.