【正文】 II 基于 UGNX/ISamp。V 的數(shù)控加工仿真 IIII 設(shè)計(jì)總說(shuō)明 中國(guó)的制造業(yè)面臨著巨大的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。機(jī)床工業(yè)是裝備制造業(yè)的核心，關(guān)系國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈和安全。虛擬機(jī)床是虛擬制造技術(shù)的熱點(diǎn)研究課題之一。 以數(shù)控加工仿真為主要內(nèi)容的虛擬機(jī)床技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)上解決實(shí)際加工中遇到的各種問(wèn)題，提高編程速度，縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。因此本文通過(guò)運(yùn)用CAD/CAM 軟件 UG 和 UG ISamp。V 模塊，針對(duì) VS1575 型三軸立式數(shù)控銑床進(jìn)行了虛擬機(jī)床 技術(shù)的研究。 本文通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料，系統(tǒng)研究了虛擬機(jī)床技術(shù)的產(chǎn)生、研究?jī)?nèi)容、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。并通過(guò)察看說(shuō)明書等資料和實(shí)際動(dòng)手操作，全面了解了 VS1575 型三軸立式數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)、功能、主要參數(shù)及數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)深入學(xué)習(xí)了 CAD/CAM 軟件 UG 的各個(gè)模塊，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了其中的建模、加工及后處理模塊，對(duì) ISamp。V 模塊進(jìn)行了全面的學(xué)習(xí)。以上是虛擬機(jī)床技術(shù)研究的前期工作。 本文利用軟件 UG的 CAD模塊建立了數(shù)控機(jī)床、被加工零件及毛坯的參數(shù)模型，同時(shí)在 CAM 模塊中完成了數(shù)控編程工作，并運(yùn)用后處理模塊生成了可被機(jī)床直接 執(zhí)行的 G 代碼 。在調(diào)入由 UG 輸出的機(jī)床及被加工零件的 STL 模型和數(shù)控代碼的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用后處理構(gòu)造器進(jìn)一步創(chuàng)建了數(shù)控系統(tǒng)文件和刀具文件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工過(guò)程仿真，并進(jìn)行了刀具軌跡優(yōu)化和加工質(zhì)量檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了完全的虛擬加工過(guò)程，保證了數(shù)控程序的正確性。 ISamp。V 是 UG 軟件中一個(gè)功能強(qiáng)大用于數(shù)控機(jī)床集成仿真和驗(yàn)證的專用模塊。介紹了該模塊的結(jié)構(gòu)組成及工作原理 , 并在 ISamp。V 環(huán)境下建立了一臺(tái)三軸數(shù)控銑床的仿真模型。在該模型的基礎(chǔ)上分別對(duì)零件加工過(guò)程中的刀具路徑和銑床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真 , 預(yù)見和評(píng)估其加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的 問(wèn)題并加以解決 , 最終提高企業(yè)的生產(chǎn)效率并使其獲得 首試成功 的加工制造。 目前多數(shù)三軸數(shù)控機(jī)床仿真系統(tǒng)，一般只提供二維的動(dòng)畫仿真，而且仿真系統(tǒng)的幾何造型功能十分有限，零件和機(jī)床模型需要在其他 CAD軟件中進(jìn)行建模，然后導(dǎo)人數(shù)控仿真系統(tǒng)。由于文件格式的轉(zhuǎn)化，零件的 CAD 模型將會(huì)產(chǎn)生誤差，降低了仿真精度。該文利用 UG CAD/CAM 軟件造型功能建立三軸數(shù)控機(jī)床和零件模型，讀取數(shù)控代碼對(duì)機(jī)床各部件進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)仿真，并對(duì)加工過(guò)程中機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件之間的干涉及工件過(guò)切進(jìn)行檢查，建立干涉實(shí)體，為刀具軌跡的修改提供依據(jù)， 同時(shí)免除了文件格式的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的誤差。 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)課題理論研究部分的內(nèi)容進(jìn)行了驗(yàn)證，證明將 UG建模和后處理相結(jié)合進(jìn)行虛擬機(jī)床技術(shù)研究是一種可行的方法。第一章 緒論 1 目 錄 第一章 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 數(shù)控機(jī)床加工仿真設(shè)計(jì)的發(fā)展簡(jiǎn)況 . . . . . . . . . . . . . . . .2 UG ISamp。V 的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 ISamp。V 模塊的 結(jié)構(gòu)組成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ISamp。V的優(yōu)點(diǎn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 第二章 定義機(jī)床的裝配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 組織數(shù)據(jù) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 虛擬機(jī) 床建模 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 主要組件的建模 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 虛擬機(jī)床的模型裝配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 第 三 章 虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的創(chuàng)建 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 建立運(yùn)動(dòng)模型的必要工作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 建立和創(chuàng)建機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的定義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 模型的創(chuàng)建步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 添加機(jī)床到庫(kù) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 第 四 章 虛擬機(jī)床 MTD 的創(chuàng)建 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 UG/Post 后處理綜述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 UG/Post 的組成結(jié)構(gòu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 UG/Post 的組成元素 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 UG/Post 的開 發(fā)方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 UG/Post 的安裝及使用 . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 FANUG G 代碼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 在 Post builder 中創(chuàng)建 VNC 控制器 . . . . . . . . . . . . . . 23 添加后處理到機(jī)床數(shù)據(jù)文件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 刀具、刀柄和工件、夾具的創(chuàng)建 . . . . . . . . . . . . . . . . 26 第 五 章 應(yīng)用 ISamp。V 機(jī)床 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 第 六 章 總結(jié)與展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 第一章 緒論 2 第一章 緒論 數(shù)控機(jī)床加工仿真設(shè)計(jì)的發(fā)展簡(jiǎn)況 隨著加工技術(shù)與機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，加工 過(guò)程和應(yīng)用的機(jī)床愈加復(fù)雜 ，這一過(guò)程所需工具和設(shè)備十分昂貴，在加工中由于無(wú)法預(yù)測(cè)，目前國(guó)外已有成熟的軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工的仿真與模擬，仿真，驗(yàn)證，三軸銑削加工，鉆孔，車削，車銑加工，線切割刀路驗(yàn)證；構(gòu)建并模擬 CNC 機(jī)床和機(jī)床控制系統(tǒng)，準(zhǔn)確檢查機(jī)床碰撞；自動(dòng)修正進(jìn)給速度，提高切削效率，提高零件表面質(zhì)量；仿真并驗(yàn)證四，五軸的銑削加工，鉆，車，復(fù)雜的車銑聯(lián)動(dòng)機(jī)床操作；在加工的任何階段，創(chuàng)建和模擬 CNC 探測(cè)程序；根據(jù)模擬所產(chǎn)生的過(guò)程加工特征，生成過(guò)程檢測(cè)說(shuō)明及工藝文檔，可以節(jié)省時(shí)間和改進(jìn)精度；檢查過(guò)切情況，材料的去除量，接觸面積等。例如 VerCut。另外，像 UGS 公司的 Teomatix 中 eMPower Maching 不僅能實(shí)現(xiàn)機(jī)床的模擬，而且支持從生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，具體的工藝設(shè)計(jì)到生產(chǎn)廠作業(yè)的整個(gè)制造過(guò)程生命周期。它支持用電子工藝表（ eBOP）的格式定義制造工藝并儲(chǔ)存到數(shù)字化制造服務(wù)器。 虛擬機(jī)床 (Virtual Machine Tool, VMT)是隨著虛擬制造技術(shù)的發(fā)展而提出的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它的最終目標(biāo)是為虛擬制造建立一個(gè)真實(shí)的加工環(huán)境，用于仿真和評(píng)估各加工過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)中的機(jī)床加工系統(tǒng)是對(duì)應(yīng)的，幾乎具備現(xiàn) 實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)的全部功能、特征和行為。它可以根據(jù)實(shí)際機(jī)床或加工中心的狀況進(jìn)行初始化，然后用數(shù)控代碼驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床進(jìn)行切削加工，完成現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)同樣的生 產(chǎn) 任務(wù)。虛擬機(jī)床是虛擬制造的支撐技術(shù)之一 。 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的研究工作是由美國(guó)提出的。 1994 年美國(guó)科學(xué)技術(shù)政策辦公室提出了美國(guó)機(jī)床業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的測(cè)試報(bào)告，總結(jié)機(jī)床業(yè)和它的市場(chǎng)環(huán)境的基本變化如下 : (1)產(chǎn)品壽命期快速縮短 。 (2)機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的融合 。 (3)技術(shù)集成和系統(tǒng)集成的重要性增加 。 (4)全球市場(chǎng)集成與競(jìng)爭(zhēng)力 。 (5)對(duì)新技術(shù)的需求 。 (6)對(duì)新 投資的需求。 報(bào)告的任務(wù)是從事機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和使用相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的研究，促使研究所、企業(yè)同高校聯(lián)合，共同為加速現(xiàn)有的機(jī)床技術(shù)的再造和向工業(yè)企業(yè)的轉(zhuǎn)移速度開展有效的工作。其中研究工作包括 : (1)立足公司企業(yè)層次，為機(jī)床制造的敏捷化建立更好的信息系統(tǒng)，進(jìn)行更好的人員培訓(xùn)，建立更好的其他支撐系統(tǒng)。 (2)敏捷制造的支撐技術(shù)的研究 ①機(jī)床的運(yùn)作水平 :在機(jī)床和加工系統(tǒng)開發(fā)中考慮功能性、精確性和通用性，將最近的研究成果納入新一代的機(jī)床運(yùn)作中去。 ②機(jī)床設(shè)計(jì)開發(fā)水平 :標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)，建模仿 真系統(tǒng)，多供應(yīng)廠商支撐等技術(shù)和方法大大縮短機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。 ③加工系統(tǒng)的研究與培訓(xùn)教育水平 :發(fā)展大學(xué)、研究所和開發(fā)單位間的合作，第一章 緒論 3 采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通用硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成。 ④敏捷性的探索研究 :研究機(jī)床制造敏捷性的內(nèi)涵和規(guī)律，改善敏捷性的方法，提供并行工程和虛擬機(jī)床制造的范例。 (3)制造活動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的測(cè)試 :信號(hào)采集、譯碼、建模和向企業(yè)轉(zhuǎn)移傳播，更好的利用產(chǎn)品與過(guò)程的建模技術(shù)，設(shè)計(jì)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)制造，競(jìng)爭(zhēng)能力的測(cè)試、表征和實(shí)施。 在進(jìn)行這些廣泛的研究時(shí)，研究人員認(rèn)識(shí)到針對(duì)金屬切削加工的模擬 并不存在，盡管只考慮標(biāo)定幾何和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的關(guān)系的碰撞檢驗(yàn)系統(tǒng)以及 NC 代碼的檢驗(yàn)系統(tǒng)被廣泛使用而且頗為有效，但在很多技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)實(shí)踐中，有針對(duì)制造過(guò)程和設(shè)備的模擬的軟件系統(tǒng)存在，如果不用實(shí)際的硬件進(jìn)行昂貴的試驗(yàn)和錯(cuò)誤運(yùn)行，這些系統(tǒng)對(duì)于估計(jì)和驗(yàn)證針對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)想過(guò)程的正確性是不可缺少的工具。 這個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)是模擬切削的操作，獲得具有真實(shí)感的結(jié)果。該報(bào)告相信伴隨著計(jì)算模型的新的進(jìn)展，將促使對(duì)加工過(guò)程的了解的進(jìn)步，為此，他們進(jìn)行了“虛擬機(jī)床 (Virtual Machine Tool 一 VMT)”工程計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃的目 標(biāo)是模擬切削加工操作，獲得真實(shí)感的結(jié)果的預(yù)測(cè)能力，這個(gè)系統(tǒng)將在切削以及與切削相關(guān)的過(guò)程中有效 。 與此同時(shí)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì) (NIST, National Institute of Standards and Technology)等部門也在從事 VMT 的研究。其主要內(nèi)容是開發(fā)新世紀(jì)的以信息為基礎(chǔ)的制造的標(biāo)準(zhǔn)和度量工具。 VMT 成為 NIST 開發(fā)的國(guó)家發(fā)展制造試驗(yàn)臺(tái)(NAMT, National Advanced Manufacturing Tested)的重要組成部分 。 美國(guó)科學(xué)技術(shù)政策辦公室特別強(qiáng)調(diào) VMT 真實(shí)感的切削工程，包括計(jì)算工件的屬性 :幾何特性 (公差、輪廓、外形 )和完整 (殘余應(yīng)力、結(jié)晶變化 )的系統(tǒng)的特殊性能 。由外部指令施加的操作參數(shù) :施加的力和溫度場(chǎng)以及控制物理機(jī)構(gòu)的影響等。而美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)為 VMT 是機(jī)床的準(zhǔn)確特性的電子描述， VM39。T將去檢驗(yàn)和優(yōu)化制造以及制造工藝，包括切削過(guò)程、加工結(jié)果，以避免價(jià)格昂貴的試切削。 當(dāng)今因?yàn)檫€有很多的有關(guān)金屬切削過(guò)程的機(jī)理人們并沒(méi)有掌握， VMT 還沒(méi)有形成一個(gè)成形的系統(tǒng)，但是不僅在美國(guó)，而且在其他地區(qū)包括中國(guó)，對(duì) VMT的研究都在被廣泛的關(guān)注，正在成為制造研究領(lǐng)域的 熱點(diǎn)。 相比而言我國(guó)在機(jī)床仿真模擬方面與國(guó)外有較大差距，目前主要集中在界面仿真，對(duì) G 代碼的模擬僅限于三軸，由于 CAD 平臺(tái)的限制，國(guó)內(nèi)在三維機(jī)床仿真模擬方面還未有獨(dú)立自主的軟件。 UG ISamp。V 的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn) UGNX 是當(dāng)今世界上最先進(jìn)和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAID/CAD/CAE/CAM 高端軟件。作為一個(gè)全面集成的產(chǎn)品工程解決方案 , 其中的ISamp。V( Integrated Simulationand Verification) 模塊是一個(gè)功能強(qiáng)大的集成仿真驗(yàn)證專用模塊 , 用于模擬刀具路徑以及整個(gè)數(shù)控 機(jī)床的切削過(guò)程。它可以 建立與實(shí)際生產(chǎn)加工中的數(shù)控機(jī)床完全一致的精確運(yùn)動(dòng)模型 , 以使模擬仿真結(jié)果完全符合實(shí)際情況 。 第一章 緒論 4 ISamp。V 模塊的結(jié)構(gòu)組成 ISamp。V 模塊由機(jī)床驅(qū)動(dòng)器 MTD( Machine Tool Driver) 和仿真驗(yàn)證引擎 Samp。V Engine( Simulation amp。Verification Engine) 兩大核心構(gòu)成 , 而 UG CAM、 NC 代碼輸出以及圖形反饋輸出等都是以此為 前提 的 。 具體結(jié)構(gòu)如圖 圖 ISV結(jié)構(gòu)組成及處理過(guò)程 其中 MTD 是 UG 后處理的延伸和 擴(kuò)展 , 它除了包括一個(gè)傳統(tǒng)的后處理文件( MOMPost) 和虛擬 NC 控制器 VNC( Virtual NCController) 以外 , 還包括機(jī)床的所有運(yùn)動(dòng)和特