（机械制造及其自动化专业论文）基于ug和vericut的数控编程及数控加工过程仿真研究.pdf

摘要 摘要 工业的飞速发展和市场竞争的日益激烈要求企业不断地缩短产品的生产周期并提高 产品的加工质量。在实际的数控加工中，数控程序的质量是影响零件加工效率和加工质量 的关键因素之一。因此，如何保证数控加工程序的正确性、实现数控程序的优化以及提高 数控设备的利用率是制造业当前要面临的几个关键问题。 ， 本文基于u g 和v e r i c u t 软件，以国内外一直以来重点研究的自由曲面的加工为例。 通过建立集建模、加工、仿真、优化于一体的数控加工链，解决碰撞、干涉、超程、切削 参数不合理等实际加工中常遇到的问题，最终获得高效、高质量的数控加工程序，并通过 实验对所得程序进行验证。主要研究工作和研究结论如下： 1 采用u g 对具有自由曲面特征的零件进行建模，结合所建模型的结构特点与实际加 工经验，制定合理的加工工艺，选择合理的切削参数。 2 研究了基于u g 的数控自动编程。根据工艺分析和模型结构特点，生成各个工序的 刀位轨迹、获得刀位文件。阐述后置处理的算法原理及其需要的条件，并构建符合要求的 后置处理器。对刀位文件进行后置处理，得到适合机床的g 代码文件。 3 研究了基于v e r i c u t 的数控加工过程的仿真与数控程序的优化。建立虚拟加工环 境，调用g 代码文件，模拟实际加工过程，检验数控程序的合理性，并在不改变刀具轨迹 的前提下对切削参数进行优化，最终得到高效、高质量的数控程序。将得到的数控程序调 入实际机床进行加工，加工结束后对零件的精度和粗糙度进行检验，以验证本课题所提方 案的可行性。 本文构建的整个数控加工链都借助于计算机完成，实现了完全意义上的数字化虚拟制 造。这样既不占用机床场地又不消耗材料，可以大大提高加工效率、降低生产成本、提高 加工质量，是企业获得高效益的一种途径。实验结果表明：将v e r i c u t 与u g 结合实现 数控加工过程的仿真与数控程序的优化，是获得高效、高质量数控程序的有效方法之一， 也为新机床、新产品的开发提供了一种实用的开发工具。 关健词：u g ，v e r i c u t ，数控编程，虚拟加工环境，仿真，优化 a b s t r a c t a b s t ra c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n di n c r e a s i n gc o m p e t i t i o nr e q u i r e sp r o d u c t i o nc y c l e m u s tb es h o r t e n ，a n dq u a l i t yi m p r o v e d t h eq u a l i t yo fn c p r o g r a mi st h ek e yf a c t o rt h a ta f f e c t s t h eq u a l i t yo fp a r t sa n dt h ee f f i c i e n c yo fm a c h i n i n gi nt h en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g s oh o w t oe n s u r et h ec o r r e c t n e s so ft h en cm a c h i n i n gp r o c e s s ，o p t i m i z et h en cp r o g r a m ，r e d u c et h e h i d d e ns a f e t yt r o u b l eo fn cm a c h i n et o o l sa n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fn cm a c h i n e ， b e c o m e st h em a i np r o b l e mt h a tt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ym u s tb ef a c e d t h i sp a p e rb a s e do nu g c a ma n dv e r i c u t , a saf r e es u r f a c et h a td o m e s t i ca n df o r e i g n h a sb e e nf o c u s e df o re x a m p l e t h r o u g ht h ev i r t u a ln cp r o c e s sc h a i no fm o d e l i n g ，m a c h i n i n g ， s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，p o t e n t i a lp r o b l e m ss u c ha so v e r c u t t i n g ，c o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c e h a sb e e ns o l v e d ah i g hq u a l i t yn c p r o g r a m h a sb e e no b t a i n e d t h eo b t a i n e dn cp r o g r a m mw a s v e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： 1 t h eg e o m e t r i cm o d e l i n gm e t h o d sa n dt h ep r i n c i p l eo fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n s u m m a r i e d af r e es u r f a c em o d e lh a sb e e ns e tu pb yu g p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f t h em o d e lh a s b e e nf o r m u l a t e da n dr e a s o n a b l ec u t t i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e nc h o o s e db a s e do nt h ep r i n c i p l ea n d t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e l ag o o df o u n d a t i o nh a sb e e nl a i e df o rt h ef o l l o w - u p w o r k 2 n ca u t o m a t i cp r o g r a m m i n gb a s e do nu gh a sb e e na n a l y s i s e d t h et o o lp a t hh a sb e e n g e n e r a t e da n dc u t t e rl o c a t i o nd a t ah a sb e e no b t a i n e d w i t ht h e p r i n c i p l ea n dt h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e lc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e d t h ea l g o r i t h mp r i n c i p l ea n dc o n d i t i o n o fu g p o s th a v e b e e nd i s c u s s e d ap o s tp r o c e s s o rt h a tm e e tr e q u i r m e n th a sb e e ne s t a b l i s t e d g p r o g r a m h a sb e e no b t a i n e db yt h i sp o s tp r o c e s s o r 3 t h es i m u l a t i o no fn cp r o c e s s i n ga n do p t i m i z a t i o no fn cp r o g r a mb a s e do nv e r i c u t h a v eb e e ns t u d i e d t h ev i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n th a sb e e ne s t a b l i s t e d ，t h ea c t u a lp r o c e s s h a sb e e ns i m u l a t e da n dt h ep r o g r a mh a sb e e nt e s t t h ec u t t i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e d w i t h o u tc h a n g i n gt h et o o lp a t h ，ah i g hq u a l i t yn cp r o g r a mw a s o b t a i n e d ，f i n a l l y t h eo b t a i n e d n cp r o g r a m mw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s i n c et h ee n t i r ep r o c e s sh a sb e e nc o m p l e t e db yc o m p u t e r , t h ef u l lm e a n i n go fd i g i t a lv i r t u r a l m a n u f a c t u r i n gh a sb e e na c h i v e d n e i t h e rm a c h i n eo rs i t eo c c u p i e d ，n o rm a t e r i a l sw a sc o n s u m e d d u r i n gt h ee n t i r ep r o c e s s t h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yh a v e b e e ng r e a t l yi m p r o v e d g o o d e n t e r p r i s eb e n e f i t sh a v eb e e n ( b t a i n e d i ta l s op r o v e st h a tt or e a l i z et h es i m u l a t i o no fn c i i i 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控加工过程仿真研究 m a c h i n i n ga n dt h eo p t i m i z a t i o no fn cp r o g r a mc o n f l r m e db yu ga n dv e r i c u ti sag o o dw a y t oo b t a i nh i g hq u a l i t yn c p r o g r a m i ti sa l s oag o o dt o o lt od e v e l o pn e wp r o d u c t sa n dr o a c h i n g k e yw o r d s ：u gv e r i c u t , n cp r o g r a m m i n g ，v i r t u a lc n ce n v i r o n m e n t ，s i m u l a t i o n ， o p t i m i z a t i o n i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 飞速发展的工业和日益激烈的市场竞争迫切地要求企业进一步缩短产品的生产周期 并不断提高产品的加工质量。在数控机床和数控加工中心非常普及的今天，切实的提高数 控加工水平是缩短产品生产周期、提高产品加工质量的重要手段之一。而在实际的数控加 工过程中，数控加工程序的质量是评定数控加工水平的一个重要指标，是影响零件加工质 量和加工效率的关键因素之一【1 1 。因此，如何保证数控加工程序的正确性、如何实现数控 程序的优化、如何减少数控机床的安全隐患以及如何提高数控设备利用率就成为了当今制 造业必须面临的几个关键问题。 然而现有的编程方法都难以保证所编数控程序能够完全正确，容易出现诸如无效运动 过多、过切或欠切、刀具或切削参数选择不合理、干涉或碰撞等问题。传统的数控程序的 检验方法主要有手工检验、试切验证和轨迹显示法【1 】o 手工检验不需要设备仪器，可操作 性强。但其检查过程繁琐、费时，而且很难发现干涉等问题，仅适用于简单数控程序的检 验。试切验证是通过运行数控程序，对试切材料进行试切来检验程序的正确性与合理性的 一种方法。在试切验证中，由于常用的蜡模、铝模等试切材料与被加工的材料不同，易造 成加工结果失真。而且这种方法占用机床设备，既费工又费料。据统计，美国制造商每年 用于试切的费用近1 0 亿美元【2 】，在数控机床上进行一次飞机发动机零件校验需要1 2 5 小时 【3 】。轨迹显示法以笔和纸代替刀具和毛坯，从而对刀具的运动轨迹进行仿真。尽管此方法 可检查出一些大的错误，但该方法的局限性很大，仅限于显示二维运动轨迹，与实际加工 情况大多不符。 虚拟制造技术将仿真技术与虚拟现实技术相结合，在计算机和网络的支持下，群组协 同工作，用模型来模拟加工的可行性并预估产品的性能，从设计、工艺规划到加工制造、 性能分析、质量检验，模拟产品制造的本质过程【9 】。虚拟制造涉及的领域非常广泛，如产 品设计开发模型、异构模型的集成与应用、产品和零件模型的建立、测量方法与数据处理、 虚拟加工技术、虚拟装配工艺等，覆盖了机械设计与工程、自动控制理论与工程、计算机 网络与数据库等学科【彻。 面向虚拟制造的虚拟数控加工是随着计算机技术、c a d c a m 技术和系统仿真技术等 的发展而发展起来的。虚拟数控加工技术的发展改善了传统数控程序检验的不足之处。它 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控加工过程仿真研究 采用计算机建模与图形仿真技术，建立虚拟加工环境，模拟机床的运动、刀具路径的生成， 检查碰撞、干涉等潜在问题，并能对工件装夹的合理性、所选工艺参数的合理性和工件的 可加工性做出评价。虚拟数控加工方法既不消耗实体材料又不占用机床设备和场地，从而 可以节约大量的资金和时间，使企业获得较好的效益。 自由曲面是指形状自由变化的曲面，它难以用数学表达式精确表示。其加工过程中很 容易出现刀具干涉问题，其无干涉刀具轨迹的生成一直是国内外研究的重点。本课题以具 有自由曲面特征的模型为研究对象，一方面通过u g 软件建立零件的实体模型，通过数控 自动编程规划刀具路径，生成刀位文件。后经过后置处理生成适用于相应机床的g 代码程 序。另一方面通过虚拟数控加工仿真软件v e r i c u t 构建虚拟数控加工环境，调入g 代码 程序，模拟实际加工环境和实际数控加工过程，快速检查各部件间的碰撞、干涉等情况， 并在不改变刀具轨迹的基础上对切削参数进行合理优化，最终得到高效高质量的加工程 序，从而大大提高加工效率，缩短开发周期，降低生产成本。 1 2 虚拟数控加工的基础技术 面向虚拟制造的虚拟数控加工是各种制造仿真技术的集成，其核心是建模技术、数控 编程技术和数控加工仿真技术等。 1 2 1 虚拟建模技术 1 虚拟制造对模型的要求 虚拟制造中，模型贯穿于各个阶段。因此，虚拟制造对模型的要求较高，可概括为集 成性、层次性、可重复利用性和开放性四个方面的要求。 1 ) 集成性 设计、分析、加工、装配、测试等各个阶段所需要的产品信息不同，用于虚拟制造的 模型要综合各个阶段所需要的信息，才能避免脱节。 劲层次性 虚拟制造中的模型要求能够根据各阶段的需求选择适合层次的特征，而不必进入模型 内部。这不仅便于产品的性能分析，还为实现不同阶段的目标提供了很大的方便。 3 ) 可重复利用性 缩短产品的开发周期并降低加工的成本是虚拟制造的核心目标，反应在模型上就是产 品模型信息要求能被重复利用。模型的重用体现在数据、结构和设计过程三个层次上的重 用。数据层次上的重用指调用整个模型或模型的部分结构时，不需要对其结构和尺寸进行 变更；结构重用是比数据重用更高层次上的重用，要求对模型做小的调整时，只需要更改 2 第一章绪论 关键尺寸即可；设计过程重用是最高层次上的重用，是将成型产品的设计规则应用到新品 开发中，往往比产品本身的重用价值更高。 4 ) 开放性 产品模型要能方便的容纳新方法和新技术。 2 虚拟制造模型的分类 从虚拟制造的整个过程出发，模型可分为产品模型、过程模型、生产系统模型。生产 系统模型是构成虚拟环境的要素，设备模型在虚拟环境中对产品模型进行虚拟加工，过程 模型是连接生产系统模型和产品模型的桥梁【3 4 1 。 1 2 2 数控加工编程技术 数控加工编程是指根据图样规定的技术特性、几何尺寸及工艺要求等，加以必要的分 析和处理，确定出合理的加工工艺，生成合理刀的位轨迹，然后通过后置处理生成机床可 识别的数控程序并加以校验的过程。数控加工编程是数控加工的重点之一，是最能明显提 高效益的环节之一。在实现设计加工自动化，提高加工质量，缩短开发周期等方面起着重 要的作用，广泛应用于航空、汽车等工业领域。鉴于实际生产的强烈需求，国内外对数控 力n - r _ 编程技术都进行了深入广泛的研究，并取得了诸多成果。 5 0 年代，m r r 开发了a p t 语言，专门用于机械零件数控加工程序的编制。几经发展， 形成a p t i i 、a p t i i i 、a p t 、a p t - a c 和a p t - s s 等先进版。1 9 7 8 年，法国达索飞机公司 研发了集三维设计、分析、数控加工于一体的c a t i a 系统。随后发展起来的e u c l i d 、 u g i i 、i n t e r g r a p h 、p r o e n g i n e e r i n g 、m a s t e r c a m 及n p u g n c p 等系统都有效的解决 了几何造型、模型显示、刀轨生成、仿真与验证等问题，很大程度上推动了c a d c a m 的 一体化发展。8 0 年代，提出了计算机集成制造系统及并行工程的概念。为了适应这一发展 需要，数控编程系统向智能化、集成化方向发展。集成化方面，目前己卓有成效，主要开 发符合s t e p 标准的参数化造型系统，是国内外开发的热点。智能化方面，则刚刚起步【1 1 】。 数控加工程序的编制目前主要有手工编程和自动编程两种方法。零件图样分析、工艺 安排、加工路线和工艺参数的确定、几何计算直至加工程序单的编制和程序的检验均由人 工完成的过程为手工编程。此过程需要编程人员对工艺、机床、数控系统等有全面的了解。 该方法适于形状简单、程序短、计算方便的零件的编程。手工编程不仅充分发挥了数控系 统的功能，同时又融合了编程人员的经验，所以有着广阔的应用前景。零件图样分析和工 艺方案制定由人工进行，数学处理、程序的编写和检验等生成程序代码的其他工作均由计 算机辅助制造软件完成的过程为自动编程。常用的辅助软件有m a s t e r c a m 、 3 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控j 3 n z 过程仿真研究 p r o e n g i n e e r i n g 、c a x a 、u gn x 等。自动编程由计算机绘制刀轨，节财省时，大大提高 了编程效率，而且编程人员可及时发现错误并进行修改，同时避免了繁琐的人工数值计算， 解决了复杂零件手工编程难的问题。 1 2 3 数控加工仿真技术 1 数控加工仿真技术简介 数控加工仿真集制造技术、机床控制理论、c a d 、c a m 、建模和仿真于一体，是数控 机床在虚拟环境中的映射。此技术可以直观、形象地模拟数控加工的全过程，实现切削过 程中刀具的运动及切削状态的三维显示，可以实时观察过切、欠切、碰撞和干涉等情况， 是验证数控程序可靠性和预测切削加工情况的良好工具。 数控加工仿真分为几何仿真和物理仿真。几何仿真以刀具、工件、夹具、工作台、刀 库和主轴箱等为仿真对象，不考虑切削参数、切削力等因素的影响，只通过对刀具和工件 的相对运动进行仿真，来验证数控程序的正确性，也为物理仿真提供了必要的几何信息。 目前实现几何仿真的方法主要有直接实体造型法、基于图像空间法和离散矢量求交法【1 2 1 、 基于曲面技术的方法【1 3 】三种。物理仿真通过仿真切削动态特性来预测零件的加工质量，达 到调整和优化切削参数的目的。物理建模是物理仿真的基础和核心，主要有切削力模型、 振动模型、表面粗糙度模型、切削温度场模型、刀具磨损模型等【1 4 1 。常用的物理建模方法 主要有解析法、实验法、机械法和数值法等。 2 数控加工仿真技术的国内外研究现状 美国的m a r y l a n d 大学开发了以培训数控操作人员为目的的虚拟数控机床仿真器1 9 ； 美国n i s t 针对虚拟机床也开展了一些研究；韩国的t u r b o t e k 公司也开发出了一种以培 训为目的的虚拟铣削加工环境，为数控加工几何仿真配备了声音【1 3 】；日本的s o n y 也研制 出了三维仿真系统f r e d a m ，能够仿真球头铣刀对自由曲面的加工，并执行碰撞和干涉检 查【1 4 1 ；意大利的b o l o g n a 大学通过b 样条曲面实现了端铣刀和工作台的模型建模，通过具 有较强真实感的图形，显示出了铣床的精加工过程【1 2 l 。目前数控加工仿真工具主要有 c g t c c h 公司推出的v e r i c u t 、韩国的v - c n c 虚拟数控机床模拟操作系统、德国的m t s 高端数控仿真软件、u g 、m a s t e r c a m 、c i m a t r o n 等。这些软件具有先进的管理基础、强 大的工程背景、完善的操作系统和专业的技术服务，能够显著提高制造业的经济效益。 国内于8 0 年代末也对数控加工仿真技术开展了研究工作，主要集中于几何仿真的相 关技术的研究。华中科技大学、西北工业大学、天津大学、哈尔滨工业大学等也开发了一 些具有一定应用价值的数控加工仿真验证系统。比较有代表性的有：华中科技大学和清华 4 第一章绪论 大学合作开发的h f p s 加工过程仿真器、哈尔滨工业大学开发的n c m p s 动态图形仿真。 国内主要以3 轴加工中的圆柱铣刀、立铣刀、球头铣刀的力学模型为研究对象。其中西安 交通大学的马万太主要对具有弹性变形的球头铣刀的切削力模型进行了研究，上海交通大 学的倪其民对刚性的切削力模型进行了研究。天大的冯志勇对柔性的圆锥螺旋铣刀的铣削 力仿真模型进行了研究。切削力对切削过程控制的仿真研究，主要以天大的张大卫、徐安 平等为主，采用遗传算法、神经网络、广义预测控制等方法，以恒力控制为目标，进行了 切削参数的自适应控制【1 5 】。 3 数控加工仿真技术的发展趋势 加工之前，对加工参数进行合理的评估及对产品质量进行合理的预测是提高加工效 率、降低加工成本的有效手段之一。数控加工仿真技术在这一过程中起着非常关键的作用。 制造业的快速发展及市场竞争的日益激烈，促使数控加工仿真技术主要朝以下几个方向发 展： 1 1 网络环境数字化。建立数控加工仿真的参数数据库，实现开发一体化，使设计者、 生产者、消费者、服务者同时参与产品开发将是未来的发展方向之一。 劲仿真机理与实际加工进一步耦合。切削加工仿真的理论模型虽然已取得很大的成 就，但与实际生产的需求仍有一定的差距。 3 ) 仿真方法呈现多样性。将有限元法、传感器检测技术和人工神经网络等相结合，提 高建模能力，实现实时监控，增强仿真模型预测的可靠性。 4 ) 几何仿真和物理仿真相结合。几何仿真中包含有大量物理仿真所需的几何信息，如 刀具类型、几何参数、工件的几何形状和切削参数等，只有两者有机结合才能使得虚拟加 工仿真系统进一步完善。 1 3 虚拟数控加工的主要流程 虚拟数控加工的整个过程是通过计算机来实现的，是虚拟建模技术、数控加工编程技 术和数控加工仿真技术的集成。一方面根据提取的零件参数，绘制零件的几何模型，分析 零件的加工工艺，选择合适的数控编程模块生成加工刀位数据文件，再经过后置处理自动 生成适合特定机床的数控程序；另一方面构建虚拟加工环境，以生成的数控程序或刀位文 件为驱动，动态仿真零件加工的整个过程，检查加工中出现的碰撞、干涉等问题，并对加 工质量进行评估。其整个流程如图2 1 所示。 5 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控加工过程仿真研究 倒建零件c d 模型 工艺分析与方案设计 二二 戗建操作 二二 生成刀位轨逮 二二 后处理生成h c 程序 圉圉图 口豳圃 加工过程仿真输出 引i 赛 图2 1 虚拟数控加工的主要流程 1 4 课题研究的目的意义和主要内容 本课题的研究旨在实际加工之前，通过计算机模拟数控加工过程，得到优质高效的n c 程序，从而缩短产品加工周期、降低产品成本。本课题以具有自由曲面特征的凹模零件的 加工为例，基于u g 和v e r i c u t ，探讨通过建立集建模、加工、仿真与优化为一体的虚 拟数控加工链，获得高效高质量的数控加工程序的过程。本文的主要研究内容如下： 1 总结面向虚拟制造的虚拟数控加工的基础技术，分析各基础技术的国内外研究现状 及发展趋势。分析虚拟数控加工的主要流程。 2 总结虚拟数控加工中产品的建模方法，采用u g 对具有自由曲面特征的模型进行建 模。分析数控加工工艺的制定原则，并结合所建模型的结构特点与实际加工经验，制定合 理的数控加工工艺，选择合理的切削参数。为后续工作打好基础。 3 研究基于u g 的数控自动编程。结合前文的工艺分析和模型的结构特点，生成各个 工序的刀位轨迹，并获得刀位文件。介绍后置处理的算法原理及后置处理需要的条件，并 构建符合要求的数控钻铣床z x k - 3 2 d 的后置处理器。并通过新建的后置处理器对刀位文 件进行后置处理，得到适合机床的g 代码文件。 4 研究基于v e r i c u t 数控加工过程的仿真与数控程序的优化。构建z x k - 3 2 d 数控钻 铣床的虚拟加工环境。调用g 代码文件，模拟实际加工过程，检验数控程序的合理性。并 在不改变刀具轨迹的前提下对切削参数进行优化。最终得到高效、高质量的数控程序。最 后，对得到的数控程序在实际机床上进行加工验证。加工结束后，对工件的精度和粗糙度 进行检验来验证加工零件是否符合要求。 6 第一章绪论 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景和意义，总结了面向虚拟制造的虚拟数控加工的基础 技术，并阐述了各基础技术的国内外研究现状及发展趋势。分析了虚拟数控加工的主要流 程。最后给出了本课题研究的主要内容。 7 第二章零件的几何建模与工艺分析 第二章零件的几何建模与工艺分析 产品建模和工艺分析作为虚拟数控加工的基础环节，对虚拟数控加工的质量具有至关 重要的作用。本章结合加工对象的结构特点和常见的建模方法，完成对加工对象的数字化 建模，并制定合理的加工工艺。 2 1 零件的几何建模 2 1 1 几何建模方法综述 几何建模技术经历了二维建模、实体建模、特征建模、产品集成建模四大发展阶段【9 】o 1 二维建模最初是用来解决二维制图的c a d 技术，后发展成三维几何建模。线框模 型、表面模型、实体模型、基于图像空间模型和离散矢量模型是较有代表性的几种几何建 模方法。 ( 1 ) 线框建模。它是开发最早的建模方法，它通过点和边棱线的有限集合建立物体模 型，具有良好的图形交互功能，图的基本元素是点、线、圆弧、圆、b 样条曲线等。线框 模型结构简单、运算速度快，但形状复杂的零件加工轨迹数量大，仿真时很难分辨刀具当 前的位置。 ( 2 ) 表面模型。它通过表面、边线、顶点的有限集合来建立模型。表面模型的形体信 息较线框模型丰富，可以描述复杂的结构体，但无法区别结构体的实心和空心、内侧和外 侧。因此，表面模型仅适于描述物体的外壳，不宜用于表示零件。 ( 3 ) 基于图像空间的建模。它使用z b u f f e r 思想，将工件、刀具按像素离散为z b u f f e r 结构，将切削过程简化为视线方向的一维布尔运算。这种算法计算量小，实时性好，仿真 的显示效果也较好。 ( 4 ) 离散矢量建模。它以一定精度将零件表面按一定的方式离散，用离散点代替原曲 面。实质是刀具体与毛坯体的求交及毛坯体的更新，仿真精度和仿真速度是不可调和的两 个方面。 2 实体建模。它克服了线框建模的二义性和表面建模信息容易丢失的缺点，自动生成 真实感较强的图像。在物体间的干涉检查方面具有很大的优势，在设计和制造中广为应用。 实体建模是实现设计和制造一体化、自动化的重要手段，是高自动化c a d c a m 实现的基 础。 3 参数化建模和特征建模。他们是随着几何建模技术的发展，在8 0 年代后期相继出 9 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控加工过程仿真研究 现的。参数化建模的设计对象，其结构形状比较稳定，用一组参数约束尺寸关系，设计结 果随着尺寸的变动相应更改。特征建模着眼于产品功能和生产信息管理，服务于集成信息 模型。特征包含了产品的拓扑关系、几何形状、典型功能、绘图方法和公差要求等。引用 的特征直接体现出设计意图，更易为人理解，便于组织生产。 4 产品集成建模。其概念面向的是生命周期关系型的产品，此概念的出现为设计、制 造、装配和检验等各个环节间的信息共享提供了很好的工具，很好的展现了概念、装配和 零件设计等各个过程中的属性，实现了设计、加工、检验等内部信息与环境、规则等外部 信息的集成。 如今u g 、c a t i a 等很多大型的c a d c a m 软件都实现了特征建模和几何建模的集成， 用户可选择最自然的体现设计意图的方法，实现了设计过程的完全自由。 2 1 2 加工对象介绍及其几何建模 1 加工对象介绍 自由曲面的无干涉刀具轨迹生成一直是国内外研究的热点，本文选择的是具有简单自 由曲面特征的凹模零件。凹模零件图如图2 1 所示。 1 0 图2 1 凹模零件图 图2 2 样条曲线 第二章零件的几何建模与工艺分析 如图2 2 所示曲线为三次样条曲线，其四个控点在如图所示坐标系中的坐标分别为： ( 4 6 2 ，5 2 ) 、( 3 9 5 ，4 5 9 ) 、( 3 0 ，3 6 7 ) 、( 2 1 ，2 5 8 ) 。零件材料为4 5 钢，凹腔粗糙度要求较高，为妙， 一 其他表面粗糙度要求相对较低，为咿，所有尺寸误差均为o 1 m m 。 2 零件建模 u g 作为全球应用较为普遍的c 觥气m 软件之一，是全方位的3 d 开发软件，集设 计、制图、数控加工、自动测量、动态仿真等功能于一体，隶属于美国u g s 公司。 u g 建模技术包括基于特征或草图的两种参数化建模，是一种基于特征和约束的建模 技术。参数化模型修改参数或关联约束尺寸，相关部分可自动完成变更，实现了对设计过 程的关联驱动。此外，u g w a v e 和部件间的表达式建模技术实现了单个模块内部和不同 模块间的形状、尺寸关联，使产品参数化设计成为可能【1 6 】。 u g 建模主要通过以下三种建模方法实现【1 7 】： 1 ) 实体建模 u g 实体建模提供了编辑、草图设计、布尔运算、各种曲线的生成、实体扫掠、实体 旋转、尺寸驱动、沿导轨扫掠及模型参数化等功能。 2 ) 特征建模 特征建模提供了如孔、键槽、圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角、抽 壳等各种标准特征的生成和编辑。 3 ) 自由曲面建模 u g 具有扫描面、直纹面、广义曲线扫掠、通过曲线组的自由面、标准二次曲线放样、 等半径或变半径倒圆、曲面间光顺桥接、广义的二次曲线倒圆、动态调整曲面、曲面裁剪、 曲面偏置、点云生成、编辑、等丰富的曲面建模工具【1 7 1 。 鉴于u g 强大的建模功能，本文采用u g 对加工对象进行建模。分析加工对象的结构 和尺寸特点可知，其截面形状可由样条曲线、倒圆和直线组合而成，如图2 3 所示，三次 样条曲线的控点为：( 4 6 2 ，5 2 ) 、( 3 9 5 ，4 5 9 ) 、( 3 0 ，3 6 7 ) 、( 2 a ，2 5 8 ) 。然后经旋转切除得到模型 的具有自由曲面特征的凹腔。得到该零件的三维模型，如图2 4 所示。 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控加工过程仿真研究 i 样条曲线 o 图2 3 模型截面曲线 2 2 数控加工工艺分析 图2 4 模型的三维视图 曲面 数控加工与通用机床加工的工艺分析原则上一致，但数控机床自动化程度高，设备费 用高，控制方式亦有其独特的特点【1 9 】。因此，在工艺上亦有其独特的要求，可简要概括为 以下几点： 1 工艺内容要具体 数控加工中，工序、加工顺序、刀具、走刀路线及切削用量等具体的工艺问题要由编 程人员事先设计和安排好。 2 工艺设计要严密 数控机床自动化程度高，自适应性却较差，无法根据实际加工中出现的问题灵活调整。 实际加工中，一个小数点或一个符号的差错都可能导致重大的机床事故或质量事故。因此， 数控加工的图形数学处理、计算和编程等各个细节都要力求准确无误，以使数控加工顺利 进行。 3 注重加工适应性 虽然数控加工自动化程度高，加工质量相对稳定，但其成本和操作技术要求高。所以， 要谨慎选择加工方法、加工对象。若选择不当将造成重大损失。实践证明，数控加工中失 误的主要原因多为工艺方面考虑不周或计算、编程时的粗心大意。 2 2 1 数控加工工艺路线设计 根据该凹模零件的形状，毛坯可做成六面体，六个外平面在普通机床上加工，内腔在 数控机床上完成。本文主要讨论内腔的数控加工。 ( 一) 加工方法的选择 u g 提供了车削、铣削、线切割、钻孔等多种加工方法。铣削加工又可分为固定轴铣、 变轴铣。固定轴铣又分为平面铣、型腔铣和固定轴铣。变轴铣又可分为顺序铣和变轴铣。 平面铣适用于粗、精加工，可生成多层或单层刀具路径，但只能加工侧面与底面垂直 的零件。型腔铣适用于粗加工，可加工侧壁与底面不垂直的零件，可生成多层刀具路径， 1 2 第二章零件的几何建模与工艺分析 每层切削深度可自由设定，但路径均与刀轴垂直。固定轴铣如图2 5 所示，以3 轴方式加 工零件，基本上能实现任意曲面和实体的半精加工和精加工。提供了边界驱动、表面积驱 动和螺旋驱动等多种驱动方式。 图2 5 固定轴铣 可变轴轮廓铣以5 轴方式加工零件，支持定轴和多轴铣削，可加工任意形状的零件， 多种刀轴控制、走刀方式可供选择。如图2 6 所示。 图2 6 可变轴铣 顺序铣可用于固定轴轮廓铣或可变轴曲面轮廓铣，可以在3 、4 或5 轴机床上精加工 零件。具有多种驱动方式，如用于精加工零件切削区域的表面积驱动、用于零件边沿精加 工的线性驱动，顺序铣还提供了用来保持刀具与驱动和零件几何体相对位置的特殊刀轴控 制方式，并可以辨别多个检查面，如图2 7 所示。 图2 7 顺序铣 综合各种加工方法的特点及本课题模型的结构特点，粗加工和半精加工选择型腔铣削 1 3 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控加工过程仿真研究 进行分层加工。由于曲面为自由曲面，所以曲面精加工采用等高轮廓铣。结构简单的底面， 精加工时采用平面铣。 ( - - ) 工序的划分 通常，工序，指一个人或一组人在同一工作地点，所连续完成的一个或几个零件加工 工艺中的部分工作。工序划分的依据是工作地点是否发生变化或工作是否连续。在数控加 工中，根据数控加工的特点，工序的划分比较灵活，一般按以下方法划分【1 1 】： ( 1 ) 加工内容较少的零件通常以一次安装为一道工序。 ( 2 ) 一次安装中加工，程序很长的零件可以以同一把刀加工的内容划分工序。 ( 3 ) 加工内容较多的工件，可将加工部位分成几个部分，将每一部分的加工作为一道 工序。 ( 4 ) 加工后容易变形的工件可以粗、精加工划分工序。一般需要粗、精加工的过程， 都要将工序分开。 根据上述工艺原则，将凹模内腔的加工过程划分为整体开粗、整体半精加工、曲面精 加工和底面精加工四道工序。整体开粗主要是为了快速切除多余的材料，加工出基本形状， 考虑的重点是加工效率，对表面质量的要求不高。半精加工主要是为精加工做准备。精加 工主要是为了获得要求的加工精度和表面质量。由于曲面和平面的加工类型不同，故将曲 面精加工和底面精加工分开进行。 ( 三) 加工顺序的安排 加工顺序的安排应综合考虑零件结构、毛坯状况及安装、定位、夹紧的需求。一般应 遵循以下原则： ( 1 ) 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。 ( 2 ) 先内腔加工后外形加工。 ( 3 ) 以相同定位、夹紧方式或用同一把刀具加工的工序最好连续加工，以减少重复 定位、换位次数，提高加工精度。 根据凹模的结构特点，将其加工顺序安排为： 1 ) 整体开粗2 ) 整体半精加工3 ) 曲面精加工4 ) 底面精加工 2 2 2 刀具、加工余量与切削用量的选择 1 刀具选择 刀具选择是数控加工工艺中的重要内容，刀具直接影响加工效率和零件的加工质量。 刀具的选择要综合考虑机床的加工能力、工件材料、工序内容等因素。与传统机床的切削 1 4 第二章零件的几何建模与工艺分析 方法相比，数控机床对刀具的要求较高，要求刀具不仅要精度高、耐用度高、刚性好，而 且尺寸要稳定、调整要方便。 数控铣削常用的刀具主要有球头铣刀和端铣刀。球头铣刀刀具成本低、装夹方便，但 切削速度差别大，在回转轴线处，切削线速度为零，容屑空间小，主要用于成形加工。端 铣刀切削速度稳定、切削效率高、刀具磨损小、便于计算、包络的曲率分布可大幅度变化， 但刀身结构复杂，主要用于余量的切除【4 8 l 。粗铣以快速去除余量为目的，选择的刀具直径 要尽可能大，而且粗铣时切削力较大，小直径铣刀会减小切削扭矩，加工时多选择端铣刀。 精铣时，铣刀直径也要大些，尽量包容整个加工宽度，以提高加工精度和效率，并减小相 邻两次进给之间的接刀痕迹【1 1 】，多选用球头刀。本文所选择的刀具如表2 1 所示。 表2 1 刀具列表 2 加工余量的确定 加工余量，指使加工表面达到所需精度和表面质量而应切除的材料厚度。影响加工余 量的主要因素有前道工序( 或毛坯) 的表面质量、形位误差、尺寸公差和本工序的安装误 差等。加工余量的确定主要有经验估算法、查表修正法和分析计算法。其中经验估算法仅 适用于单件小批量生产，查表修正法目前应用最为广泛。合理的加工余量，是确保零件加 工质量、提高生产效率、降低生产成本的前提。具体零件的加工余量，要综合考虑加工要 求和结构特点来设定。余量过大则由于机床、刀具承受的负荷大而降低机床和刀具的寿命； 余量过小则局部切削不到位，降低加工质量，严重时会使工件成为废品。综合考虑各种因 素，本课题研究的凹模的加工余量设定如表2 2 所示。 表2 2 加工余量的选择 3 切削用量的确定 切削用量包括进给量、背吃刀量和切削速度三大要素。切削用量的选择是否合理将直 接影响到生产效率、加工精度、表面质量和加工成本，因此合理的选择切削用量十分重要。 江苏大学硕士学位论文：基于u g 和v e r i c u t 的数控编程及数控加工过程仿真研究 合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，充分利用刀具和机床的性能，获得高生产 效率和低加工成本的切削用量三要素的最佳组合【捌。 切削用量应根据加工性质、加工要求、工件材料及刀具等查阅相关手册并结合经验确 定。此外，切削用量的确定还需要考虑刀具差异、机床、生产率等问题【刎： 1 ) 刀具质量的差异。不同的生产厂家的刀具在质量上有很大的差异。因此，需要根据 刀具质量和现场的加工情况对切削用量进行修正。 2 ) 机床的特性。切削用量必须在机床允许的范围内选用。避免功率不够导致闷车现象， 避免因为机床刚性不足产生较大变形或震动，影响加工质量。 3 ) 数控机床的生产率。数控机床的工时费一般都是比较高的，相对来讲刀具损耗的费 用比重较低。可以尽量选用较大的切削量而适当降低刀具寿命，来提高机床的生产率。 粗加工时高生产效率是追求的基本目标，这个目标常用单件机动工时最少或单位时间 切除金属体积最多来表示。单件机动工时可表示为乙： l h ，r d j , h t = 一= o 二一 n w 口p f1 0 3 屹口p 厂 式中三走刀长度( = 乙+ + y ) m m ； 0 工件切削长度( 1 砌) 一一 r 切入长度( m m ) ； 切出长度( 1 l 瑚) ； 丸工件毛坯直径( m m ) ； 忍。工件转速( r m i n ) ； 加工余量( 姗) 对于某一工序，式中的丸山j l 均为撇若令a = 警，贝| j 乙2 南 可见，单件机动工时与背吃刀量、进给量和切削速度三者的乘积成反比【刎，因此增大 切削用量三要素的乘积，是提高生产效率的有效途径。粗加工中，在机床和刀具满足要求 的情况下，刀具寿命是限制切削用量提高的主要因素。切削速度对刀具寿命的影响最大， 其次是进给量、背吃刀量。因此，在