數控加工仿真是CAD／CAM領域的關鍵技術之一，通過數控加工仿真，可用幾何圖形、圖像或動畫的方式顯示加工過程，從而檢驗零件的最終幾何形狀是否符合要求，加工過程中是否存在漏切、過切現象，刀具運動過程中是否會與夾具或機床產生碰撞，從而確保能加工出符合設計的零件，并避免刀具、夾具和機床的不必要損壞?；谌S實體的數控加工仿真，可以精確全面地描述空間幾何體的相對位置。能夠有效地克服傳統(tǒng)的NC程序檢驗方法(試切法和二維軌跡顯示法等)的局限性，提高NC程序檢驗的效率。

    UGNX是當今世界上最先進和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAID／CAD／CAE／CAM高端軟件。作為一個全面集成的產品工程解決方案，其中的IS&V(Integerated Simulation&verfication，即綜合仿真與檢查)是系統(tǒng)提供的一個全客戶化的應用模塊，主要對整個機床的切削過程進行仿真，給用戶提供一個動態(tài)的、立體的視覺效果；此外，仿真能檢查在機床、夾具、刀具和零件問的干涉檢測。通過建立精確的機床運動模型來模擬整個加工過程，以使模擬仿真結果完全符合實際情況。

    作者通過運用CAD／CAM軟件UGNX 5.0及其IS&V模塊，針對VSl575型三軸立式數控銑床進行了虛擬機床技術的研究。并基于該技術進行了對某一銑削加工過程實時仿真的驗證。

1 IS&V的系統(tǒng)實現

    綜合仿真與檢查系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。

圖1 綜合仿真與檢查系統(tǒng)的結構圖

    綜合仿真與檢查功能通過下面的步驟實現：

    (1)定義機床裝配模型。進行綜合仿真與檢查之前，必須建立機床的幾何體裝配模型，機床的各組件要在裝配模塊中進行裝配組合。機床零部件必須是單獨的部件模型，因為機床組件在運動學模型中必須是運動件。

    (2)定義運動學模型。運動學模型是用來描述并確定機床運動的，裝配模型成為機床模型，每一個裝配模型的文件對應一個運動模型，可以在機床構建器(Machine Tool Builder)中編輯。需要注意的是：進入機床構建起模塊的前提是兩件模型不能進入NX5.0的加工環(huán)境，即如果零件模型進入了加工環(huán)境，則無法打開機床構建器。

    (3)將模型存儲在數據庫中。定義了機床的運動學模型后，還需要把機床的全部模型存入系統(tǒng)的外部數據庫中，即把機床的全部模型保存在NX5.0的安裝目錄“UGS＼MACH＼resource＼library＼machine＼graphics”下。

    (4)定義加工刀具。和定義機床運動學模型的方法一樣，在機床構建器環(huán)境中需要定義刀具的裝配模型，該模型必須包含安裝信息。如果不定義刀具裝配模型，系統(tǒng)會找不到刀具裝配，此時系統(tǒng)可以根據加工模型中的刀具參數產生一個刀具。

    (5)定義起床驅動器。機床驅動器(MachineTool Drive，簡稱MTD)，是NX5.0后處理器的擴展，用來生成數控代碼命令文件。為了模擬真實的機床NC控制器行為，需要用戶定義虛擬NC控制起來控制虛擬機床。

    (6)準備機床仿真的工具模型。在加工模型中建立工件運動組件，通過自動裝配功能在機床上安裝工作，然后才能夠進行綜合仿真與檢查。

2 機床模型的建立

    2.1 建立機床仿真模型

    如果要進行機床仿真操作，必須把機床模型建立成一個裝配體，機床的各個組件分別在獨立的部件中給出，然后裝配起來，這是因為所有的部件要賦予運動幅。應用裝配模塊組裝成機床裝配模型，在機床模型中不要有幾何元素，特別重要的是，哪些要變成運動組件的機床組件一定要在單獨的文件中畫出，然后組裝成裝配體。

    以山東理工大學校辦工廠的由威海華東數控股份有限公司生產的VSl575大型立式加工中心為模型進行模擬機床的建模。為了使建立好的機床仿真模型數據不甚復雜并保證其最后的仿真逼真度，一般仿真模型中只要包含其主要部件就能滿足要求。到現場實際量取機床主要組件的數據以備建模。利用UGNX5.0建模，機床組件模型尺寸與實際機床組件誤差控制在0.5cm以內。確定機床各個部件的結構層次關系后再利用NX5．0的裝配功能得到機床的幾何裝配模型，如圖2所示。

圖2 VSl575機床仿真模型

 2.2 建立機床運動模型

    運動模型(Kinematics Model)需要添加到一個建模完成的裝配中。運動模型定義裝配部件之間的關系，以及軸的名稱，方向和行程。仿真過程將利用這些信息和機床驅動器(Machine Tool Driver)提供的信息來使機床運動起來。機床驅動器是由后處理器創(chuàng)建的。只有在機床的仿真模型上定義了運動，機床驅動器MTD才能通過后處理文件驅動機床進行運動。定義的運動要完全參照實際機床的運動，這樣進行的仿真才會生成可靠的結構。而該三軸銑床主要完成3個方向的運動，故定義了其x、y、z 3個方向的運動和其他一些輔助信息。建立的VSl575運動模型結構圖如圖3所示。

圖3 VSl575運動模型結構圖

    2.3 機床運動模型的后續(xù)操作

    創(chuàng)建好的機床運動模型還不能直接用于綜合仿真與檢查，需要進行相應的后續(xù)操作。機床運動模型的后續(xù)操作用來把運動模型添加到機床庫中，按下面的操作步驟進行后續(xù)操作：

    (1)修改機床數據文件“Machine_Data．dat”。打開NX5.0的安裝目錄“UGS＼NX5．0＼MACH＼resource、library、machine、ascii”的Machine_Data．dat文件，添加如下內容“DATA | new_mill_lxd ｜3_AxMill(MM)(XY-TB／Z-HD／Vert)｜None｜Ex：l｜4$｜UGII_CAM_POST_DIR}lxd_sim．dat｜1．000000”至文件中，并保存。

    (2)建立機床后處理文件。利用后置處理構造器創(chuàng)建的機床后處理文件為“l(fā)xd_sim．pui”，在生成該文件的同時，還生成了一系列的后處理文件，分別是機床定義文件“l(fā)xd _sim．def”、事件管理器文件“l(fā)xd_sim．tcl”和虛擬控制器文件“l(fā)xd_sim_vnc．tel”。復制并編輯安裝目錄“UGS＼NX 4.0＼MACH＼resource＼postprocessor”的sim010101_001_in．dat文件，重命名為Lxd_sim．dat，編輯后處理器名稱和位置如下：lxd_sim，${UGII_CAM_POST_DIR}lxd_sim．tcl，${UGII_CAM—POST—DIR}lxd_simdef。隨同上面3個文件一起存到UGS＼NX 5．0＼MACH＼resource＼postprocessor目錄下。

    (3)復制文件到安裝目錄。把建立的VSl575運動模型Dew_mill_lxd存放到安裝目錄“UGS＼NX5．0＼MACH f resource t library|machine f graphics}new_mill_lxd”中。

    至此，機床運動模型的后續(xù)操作就完成了，接下來就可以進行綜合仿真與檢查了。

3 IS&V環(huán)境下的加工仿真

    實際應用中，以山東理工大學校辦工廠為泰安航天特種車有限公司加工的TA5380特種車過橋齒輪下箱蓋為例子，如圖4 所示。

圖4 已生成刀路的TA5380過橋下箱蓋

    將已生成刀路的TA5380特種車過橋下箱蓋調入已經建立好的銑床仿真模型。并將夾具、工件、毛坯、刀具等重新定位到機床上，建立整個機床的加工仿真系統(tǒng)(包括銑床，工件、刀具、夾具等)。針對該仿真系統(tǒng)，打開操作導航器的“機床”視圖，選擇第一行結點并右擊，選擇“刀軌”→“仿真”命令。通過設置“仿真控制面板”對話框可以進行整個加工過程的綜合仿真與檢查操作。其中機床的滑鞍做y向運動，工作臺做x向運動，而箱體做z向運動。這3個方向的運動和實際銑床完全一致。在該銑床的仿真過程中，可以通過縮放、平移以及旋轉操作來全方位地觀察仿真過程并及時發(fā)現加工中的問題，而且可以通過干涉和碰撞的設置讓IS&V在發(fā)生干涉碰撞時給出警告以便對加工零件進行即使修正。

    加工過程仿真實例如圖5所示，可以清楚的看到刀具、刀柄和機床的運動。

圖5 仿真加工中的IS&V機床

    上述仿真過程很真實模擬了對TA5380特種車過橋上箱蓋在VSl575大型立式加工中心實際加工情況，達到了減少并替代試切的效果。

4 結語

    結合軟件UG的CAD／CAM功能和UG的后處理功能的數控加工過程仿真功能，針對VSl575大型立式加工中心三軸立式數控銑床探討了虛擬機床技術。隨著現代制造技術逐漸向集成化、智能化方向發(fā)展，仿真加工技術對促進現代制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義?？傊?，UG IS&V數控仿真設計是UG二次開發(fā)中具有代表意義和實際應用的一個發(fā)展方向，由于其具有可降低生產成本、縮短開發(fā)周期等優(yōu)點，將得到廣泛的應用。