Unigraphics NX/CAM數(shù)控銑編程關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

一、前言
Unigraphics在全球最大的VPD實(shí)施項(xiàng)目中支持通用汽車公司。Unigraphics成為日本主要的汽車配件生產(chǎn)商Denso的標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)航天航空工業(yè)已安裝有10000多套UG。Unigraphics占有90％的俄羅斯航空市場(chǎng)和80％的北美汽油淌輪發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)，擁有如普惠GE噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等客戶，其他的航天航空客戶包括：BEAerospace、Boeing、以色列飛機(jī)工業(yè)公司(IAI)和英國(guó)航天航空公司等，遍及到機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、電子、高技術(shù)和消費(fèi)品工業(yè)等領(lǐng)域，客戶包括3M、DEC、Philips等公司。
UnigraphicsNX融線框模型、曲面造型、實(shí)體造型為一體，是參數(shù)化和特征化的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)。系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的富有關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，提供了工程上的完全關(guān)聯(lián)性，使CAD/CAM/CAE各部分?jǐn)?shù)據(jù)自由切換。以基本特征作為交互操作的基礎(chǔ)單位，利用特征技術(shù)，用戶可以在更高層次上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工編程和工程分析，實(shí)現(xiàn)并行工程CAD/CAPP/CAM的集成與聯(lián)動(dòng)。這不僅有利于CAD/CAM系統(tǒng)之間交換信息，而且有利于信息的共享。應(yīng)用好Unigrahpics NX提供的強(qiáng)大的數(shù)控加工編程功能，包括數(shù)控車削、銑削、線切割等編程模塊等，是提高企業(yè)數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用水平的一個(gè)重要途徑。
二、Unigraphics NX/CAM數(shù)控銑削加工編程
Unigrahics NX/CAM有以下重要組成部分：三維建模、刀具軌跡設(shè)計(jì)、刀具軌跡編輯修改、加工仿真、后置處理、數(shù)控編程模板、切削參數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)和二次開(kāi)發(fā)功能接口等。
1. 數(shù)控編程模板
使用數(shù)控編程模板有利于利用已有的經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)，達(dá)到企業(yè)內(nèi)部資源共享的目的。系統(tǒng)提供了加工程式模板、刀具模板、加工對(duì)象模板和刀具軌跡模板。在模板中不斷注入數(shù)控編程員、加工工藝師和技術(shù)工人等的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，建立起規(guī)范的數(shù)控加工工藝過(guò)程，為強(qiáng)化企業(yè)生產(chǎn)管理、提高產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量打下良好的工藝技術(shù)基礎(chǔ)。CAM系統(tǒng)創(chuàng)建用戶自己的模板可以將預(yù)先的加工順序、工藝參數(shù)和切削參數(shù)設(shè)置好。針對(duì)相似的零件加工對(duì)象，應(yīng)用模板可以大幅度提供數(shù)控編程的效率和質(zhì)量，尤其是在模具行業(yè)對(duì)形似的成組零件的加工。例如，在制造模具時(shí)將加工凸模和凹模時(shí)的最佳工藝過(guò)程定義為加工模板，在加工新的產(chǎn)品對(duì)象時(shí)，只需調(diào)用模板文件，選擇所需的幾何體，并起動(dòng)這個(gè)流程即可。用戶通過(guò)加工向?qū)Х浅Ｈ菀椎貜哪０逯蝎@得專家級(jí)的制造過(guò)程指導(dǎo)。通過(guò)向?qū)ВA(yù)先定義的模板可以被激活，并通過(guò)簡(jiǎn)單的交互快速生成數(shù)控加工刀具軌跡。
Unigraphics NX系統(tǒng)提供了基本的數(shù)控編程模板，以Shops_diemould模板集為例，其配置文件Shops_diemold.dat位于mach esourceconfiguration中，模板集文件Shops_diemold.opt則位于mach esource emplate目錄下。用戶可根據(jù)本企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建自己的程式、粗精加工、刀具、產(chǎn)品等類型的編程模板。利用模板之前，需要對(duì)不同產(chǎn)品類的零件的不同加工方式的模板進(jìn)行整理與收集。在創(chuàng)建模板時(shí)可按加工方式進(jìn)行分類，對(duì)于系列化或相似的加工工藝，如凸凹模具類零件的加工等，則可以包含粗精加工方案、刀具及工藝參數(shù)的選擇等完整的加工流程模板。模板的定義可根據(jù)產(chǎn)品加工要求與幾何特征劃分，也可根據(jù)產(chǎn)品加工要求與材料等多種方式進(jìn)行劃分。
2. 刀具軌跡的生成
系統(tǒng)提供了鉆孔循環(huán)、攻絲和鏜孔等點(diǎn)位加工編程模塊，具有多種輪廓加工、等高環(huán)切、行切以及島嶼加工平面銑削等編程功能。其提供的3～5坐標(biāo)復(fù)雜曲面的固定軸與變軸加工編程功能，可以任意控制刀具軸的矢量方向，具有曲面輪廓、等高分層、參數(shù)線加工、曲面流線、陡斜面和曲面清根等多種刀具軌跡控制方式。
(1)UG/Planar Milling(UG平面銑削)
UG平面銑削模塊功能，包括多次走刀輪廓銑、仿形內(nèi)腔銑、Z字形走刀銑削，規(guī)定避開(kāi)夾具和進(jìn)行內(nèi)部移動(dòng)的安全余量，提供型腔分層切削功能、凹腔底面小島加工功能，對(duì)邊界和毛料幾何形狀的定義、顯示未切削區(qū)域的邊界，提供一些操作機(jī)床輔助運(yùn)動(dòng)的指令，如冷卻、刀具補(bǔ)償和夾緊等。
(2)UG/Core & CavityMilling(UG型芯、型腔銑削)
利用UG型芯、型腔銑削可完成粗加工單個(gè)或多個(gè)型腔，可沿任意類似型芯的形狀進(jìn)行去除大余量的粗加工，對(duì)非常復(fù)雜的形狀產(chǎn)生刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，確定走刀方式。通過(guò)容差型腔銑削可加工設(shè)計(jì)精度低、曲面之間有間隙和重疊的形狀，而構(gòu)成型腔的曲面可達(dá)數(shù)百個(gè)，發(fā)現(xiàn)型面異常時(shí)，它可以或自行更正，或在用戶規(guī)定的公差范圍內(nèi)加工出型腔來(lái)。
(3) UG/Fixed AxisMilling(UG固定軸銑削)
UG固定軸銑削模塊功，包括產(chǎn)生3軸聯(lián)動(dòng)加工刀具路徑功能、加工區(qū)域選擇功能，有多種驅(qū)動(dòng)方法和走刀方式可供選擇，如沿邊界切削、放射狀切削、螺旋切削及用戶定義方式切削等。在沿邊界驅(qū)動(dòng)方式中，又可選擇同心圓和放射狀走刀等多種走刀方式，提供逆銑、順銑控制以及螺旋進(jìn)刀方式，自動(dòng)識(shí)別前道工序未能切除的未加工區(qū)域和陡峭區(qū)域，以便用戶進(jìn)一步清理這些地方。
(4) UG/Flow Cut (UG自動(dòng)清根)
自動(dòng)找出待加工零件上滿足“雙相切條件”的區(qū)域，一般情況下這些區(qū)域正好就是型腔中的根區(qū)和拐角。用戶可直接選定加工刀具，UG/Flow Cut模塊將自動(dòng)計(jì)算對(duì)應(yīng)于此刀具的“雙相切條件”區(qū)域并將其作為驅(qū)動(dòng)幾何，自動(dòng)生成一次或多次走刀的清根程序。當(dāng)出現(xiàn)復(fù)雜的型芯或型腔加工時(shí)，該模塊可減少精加工或半精加工的工作量。
(5) UG/Variable Axis Milling(UG變軸銑削)
變軸銑削模塊支持定軸和多軸銑削功能，可加工UG造型模塊中生成的任意幾何體，并保持主模型的相關(guān)性。該模塊提供經(jīng)多年工程使用驗(yàn)證的3～5軸銑削功能，提供刀軸控制、走刀方式選擇和刀具路徑生成功能。
(6) UG/Sequential Milling(UG順序銑)
UG順序銑模塊可實(shí)現(xiàn)如下功能：控制刀具路徑生成過(guò)程中的每一步驟的情況，支持2～5軸的銑削編程，和UG主模型完全相關(guān)，可以自動(dòng)化的方式獲得類似APT直接編程的絕對(duì)控制，允許用戶交互式一段一段地生成刀具路徑，并保持對(duì)過(guò)程中每一步的控制。它提供的循環(huán)功能使用戶可以僅定義某個(gè)曲面上最內(nèi)和最外的刀具路徑，由該模塊自動(dòng)生成中間的步驟。該模塊是UG數(shù)控加工模塊中如自動(dòng)清根等功能一樣的特有模塊，適合于高難度的數(shù)控程序編制。
(7) 高速銑削加工的支持
系統(tǒng)提供的等高分層加工應(yīng)用于高速銑削場(chǎng)合，在轉(zhuǎn)角處以圓角的形式過(guò)渡，避免90°急轉(zhuǎn)(高速場(chǎng)合對(duì)導(dǎo)軌和電機(jī)容易損壞)，同時(shí)采用螺旋進(jìn)退刀，系統(tǒng)還提供環(huán)繞等多種方式支持高速加工刀具軌跡的生成策略。
3. 刀具軸的導(dǎo)動(dòng)方式
空間曲面軸加工涉及的內(nèi)容比較多，尤其是五軸加工時(shí)更明顯。進(jìn)行五軸加工時(shí)，涉及加工導(dǎo)動(dòng)曲面、干涉面、軌跡限制區(qū)域、進(jìn)退刀及刀軸矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是理解刀具軸的矢量(刀具軸的軸線矢量)在空間的變化。刀具軸的矢量變化是通過(guò)擺動(dòng)工作臺(tái)或主軸的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場(chǎng)合，一般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品。五軸加工關(guān)鍵就是通過(guò)控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個(gè)角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來(lái)完成。刀具軸的矢量變化控制一般有如圖3所示的幾種方式。



4. 刀具軌跡的編輯修改
該模塊可在圖形方式下觀測(cè)刀具沿軌跡運(yùn)動(dòng)的情況并進(jìn)行圖形化修改，具有刀位文件復(fù)制、編輯和修改，定義刀具、機(jī)床和切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)等功能（如對(duì)刀具軌跡進(jìn)行延伸、縮短或修改等），可按用戶需求進(jìn)行靈活的用戶化修改和剪裁等。
5. 加工仿真
切削仿真模塊UG/Vericut是集成在UG軟件中的第三方模塊，它采用人機(jī)交互方式模擬、檢驗(yàn)和顯示NC加工程序，是一種方便的驗(yàn)證數(shù)控程序的方法。由于省去了試切樣件的步驟，可節(jié)省機(jī)床調(diào)試時(shí)間，減少刀具磨損和機(jī)床清理工作。通過(guò)定義被切零件的毛坯形狀，調(diào)用NC刀位文件數(shù)據(jù)，就可檢驗(yàn)由NC生成的刀具路徑的正確性。UG/Vericut可以顯示出加工后并著色的零件模型，用戶可以容易地檢查出不正確的加工情況。作為檢驗(yàn)的另一部分，該模塊還能計(jì)算出加工后零件的體積和毛坯的切除量，因此就容易確定原材料的損失。Vericut提供了許多功能，其中有對(duì)毛坯尺寸、位置和方位的完全圖形顯示，可模擬2～5軸聯(lián)動(dòng)的銑削和鉆削加工。
6. 后置處理
后置處理最重要的是將CAM軟件生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)化為適合數(shù)控系統(tǒng)加工的NC程序，通過(guò)讀取刀位文件，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制指令格式，進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換和指令格式轉(zhuǎn)換。通用后置處理程序是在標(biāo)準(zhǔn)的刀位軌跡以及通用的CNC系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)配置及控制指令的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理。它包含機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換、非線性運(yùn)動(dòng)誤差校驗(yàn)、進(jìn)給速度校驗(yàn)、數(shù)控程序格式變換及數(shù)控程序輸出等方面的內(nèi)容。只有采用正確的后置處理系統(tǒng)才能將刀位軌跡輸出為相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床能正確進(jìn)行加工的數(shù)控程序，因此，編制正確的后置處理系統(tǒng)模板是數(shù)控編程與加工的前提條件之一。后處理的主要內(nèi)容包括三個(gè)方面的內(nèi)容。
(1)數(shù)控系統(tǒng)控制指令的輸出
主要包括機(jī)床種類及機(jī)床配置、機(jī)床的定位、插補(bǔ)、主軸、進(jìn)給、暫停、冷卻、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)和程序頭尾輸出等方面的控制。
(2)格式轉(zhuǎn)換
包括數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換與圓整、字符串處理等，主要針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的輸出格式，如單位、輸出地址字符等方面的控制。
(3)算法處理
主要針對(duì)多坐標(biāo)加工時(shí)的坐標(biāo)變換、跨象限處理和進(jìn)給速度控制等。
UG/Post Execute和UG/Post Builder共組成了UG加工模塊的后置處理。UG的加工后置處理模塊使用戶可方便地建立自己的加工后置處理程序。該模塊適用于目前世界上幾乎所有主流NC機(jī)床和加工中心，多年的應(yīng)用實(shí)踐中已被證明適用于２～５軸或更多軸的銑削加工，２～４軸的車削加工和電火花線切割。UG/Nurbs Path Generator樣條軌跡生成器模塊允許在UG軟件中直接生成基于Nurbs樣條的刀具軌跡數(shù)據(jù)，使得生成的軌跡擁有更高的精度和光潔度，而加工程序量比標(biāo)準(zhǔn)格式減少30%～50%，實(shí)際加工時(shí)間則因?yàn)楸苊饬藱C(jī)床控制器的等待時(shí)間而大幅度縮短。該模塊是希望使用具有樣條插值功能的高速銑床(FANUC或SIEMENS)用戶必備工具。利用UG/Post Builder進(jìn)行后處理的新建、編輯和修改時(shí)，生成三個(gè)文件 ：機(jī)床控制系統(tǒng)的功能和格式的定義文件*.def，用Tcl語(yǔ)言編寫(xiě)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)事件處理文件*.tcl和利用PostBuilder編輯器設(shè)置所有數(shù)據(jù)信息的參數(shù)文件*.pui。后置處理程序?qū)AM系統(tǒng)通過(guò)機(jī)床的CNC系統(tǒng)與機(jī)床數(shù)控加工緊密結(jié)合起來(lái)。
7. 切削參數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)
使用系統(tǒng)庫(kù)可以得到機(jī)床、刀具及其材料、零件材料、切削工藝方法、主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度的數(shù)據(jù)，定義標(biāo)準(zhǔn)化刀具庫(kù)、加工工藝參數(shù)樣板庫(kù)，使粗加工、半精加工、精加工等操作常用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以減少使用培訓(xùn)時(shí)間并優(yōu)化加工工藝，提供儲(chǔ)存刀具及切削參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)刀具指令數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶通過(guò)修改庫(kù)中的數(shù)據(jù)，使其滿足本企業(yè)的需要。
8. CAM二次開(kāi)發(fā)功能接口
使用系統(tǒng)提供了二次開(kāi)發(fā)接口，用戶可以C語(yǔ)言，利用VisualC++為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)專業(yè)的數(shù)控編程功能程序，以進(jìn)一步提高編程的效率和簡(jiǎn)化操作。其提供的C語(yǔ)言頭函數(shù)位于UG OPEN目錄下，包括Uf_cam.h、Uf_camgeom.h、Uf_cam_planes.h等頭文件。下面位幾個(gè)重要頭文件的主要內(nèi)容。
(1)Uf_cam.h
主要定義系統(tǒng)加工的一些信息，如枚舉、結(jié)構(gòu)體和系統(tǒng)起動(dòng)入口設(shè)置，對(duì)用戶應(yīng)用程序完成初始化設(shè)置加載應(yīng)用程序，訪問(wèn)系統(tǒng)機(jī)床、刀具、加工對(duì)象等數(shù)據(jù)庫(kù)的方法函數(shù)。
(2)Uf_cam_planes.h
定義系統(tǒng)編程加工涉及的平面數(shù)據(jù)信息，如定義、編輯、訪問(wèn)平面的原點(diǎn)和法線，設(shè)置和訪問(wèn)平面的狀態(tài)信息等內(nèi)容的屬性方法等。
(3)Uf_cambnd.h
用于定義設(shè)置、獲取邊界信息。
(4)Uf_camgeom.h
包含用于定義設(shè)置和獲取NC加工的幾何對(duì)象的屬性和方法。
三、UnigrahpicsNX/CAM數(shù)控編程流程
Unigraphics NX/CAM用于產(chǎn)品零件的數(shù)控加工，其流程一般如下。
首先是調(diào)用產(chǎn)品零件加載毛坯，調(diào)用系統(tǒng)的模板或用戶自定義的模板；然后分別創(chuàng)建加工的程式，定義工序加工的對(duì)象，設(shè)計(jì)刀具，定義加工的方式并生成該相應(yīng)的加工程式；用戶依據(jù)加工程式的內(nèi)容，如加工對(duì)象的具體內(nèi)容、刀具的導(dǎo)動(dòng)方式、切削步距、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削角度、進(jìn)退刀點(diǎn)、干涉面及安全平面等詳細(xì)內(nèi)容來(lái)確立刀具軌跡的生成方式；仿真加工后對(duì)刀具軌跡進(jìn)行相應(yīng)的編輯修改、拷貝等；待所有的刀具軌跡設(shè)計(jì)合格后，進(jìn)行后處理生成相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼進(jìn)行DNC傳輸與數(shù)控加工。Unigraphics NX/CAM系統(tǒng)提供了多種加工對(duì)象的定義方式，刀具軸的導(dǎo)動(dòng)方式和刀具軌跡的多樣化設(shè)計(jì)。