基于UG进行肥皂造型的仿真铣削设计

基于UG进行肥皂造型的仿真铣削设计 1 引言 21世纪是一个充满竞争与机遇的时代，企业的技术创新能力和对市场的快速反映 能力成为其赖以生存的重要因素。提高市场的快速反应能力，必须采用先进制造模式 来实现产品设计和制造过程的数字化、智能化、网络化。已经涌现出新的制造理念和 制造模式，如产品的全生命周期管理、并行工程、虚拟企业、敏捷制造等技术和方法 为企业的快速发展注入了新的活力，而这些先进制造模式的应用需要功能强大的集成 化软件平台的支持。 CAD/CAM(计算机辅助设计及制造)与PDM（产品数据管理）构成了一个现代制造型 企业计算机应用的主干。对于制造行业，设计，制造水平和产品的质量，成本及生产 周期息息相关。人工设计，单件生产这种传统的设计与制造方式已无法适应工业发展 的要求。采用CAD/CAM的技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点。 同时，随着现代数控技术的发展，数控机床的更新，机械零件的日益复杂，特别 是多轴数控机床的出现，传统的手工编程已经不能够满足现代数控加工的需要，因此,为了更好的完成数控加工任务，就必须使用数控编程软件。 Unigraphics(简称UG) 是美国Solutions of EDS公司推出的 CAD/CAM/CAE一体化软件，它拥有无缝集成的产品开发环境，不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚 拟装配和生成工程图等设计功能，而且在设计过程中可以进行有限元分析、机构运动 分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。通过通用的后置处理器, 可驱动任何数控机床, 将零件加工出来。它的功能覆盖了整个产品的开发过程，即覆盖了从 概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品发布的全过程，广泛应用在航空、 汽车、机械、电器电子等工业领域。 VERICUT 作为制造业的软件解决, 为数控加工提供了虚拟仿真平台, 对于提升数控加工水平具有重要作用。在VERICUT平台上进行数控加工工艺研究, 并把研究成果应用于生产实践中, 极大地提高了对高精度复杂零件的加工能力和效率, 随着研究的深入, 该虚拟制造技术将应用于更广泛的领域。 该课题用UG NX2.0进行肥皂造型并用VERICUT进行仿真，以达到掌握UG、VERICUT、的目的。 2 CAD/CAE/CAM是由所有制造公司实际使用的技术。用各种可提供的、易接近的软 件解决方案，公司不再依赖传统的CAD/CAE/CAM工具去获得和保持一竞争优势。为了达到竞争边缘，制造商必须把注意放在超过孤立的任务，个别的效率和点的解决方案 之外。去关注更广泛的产品生命周期生产率的问题。公司必须采用领先边缘的工具和 技术，提高运用他们独特的过程、实践和知识。 Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验 证的解决方案。Unigraphics NX为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式， 它不仅对几何的操纵，更重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发。 Unigraphics NX能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的知识，事实证 明为企业带来了战略性的收益。 来自 UGS PLM 的 NX 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全 生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品 设计、工程和制造全范围的开发过程。 如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及 收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的 可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键 性的决策。 NX 是 UGS PLM 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革 新。 NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更 大的利润。NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。 NX 允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开 发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对 于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。集成从概念设计到制 造工程的完全的工程生命周期。 从初始的概念设计、到产品设计、仿真和制造工程，Unigraphics NX提供一基于 帮助你满足你的商业目标的先进技术的综合产品开发解决方案。 针对企业从设计到制造整个过程中的CAD/CAM软件解决方案，一般都具备以下技 术特点： 1.产品开发的集成 一个完全集成的CAD/CAM软件，能辅助工程师从概念设计到功能工程分析到制造 的整个产品开发过程，如下图。 CAD／CAM 2.相关性 通过应用主模型方法，使从设计到制造所有应用相关联，如下图。 主模型方法 3.并行协作 通过使用主模型，产品数据管理PDM，产品可视化(PV)以及运用Internet技术， 支持扩展企业范围的并行协作，如下图 并行协作 2.3 本课题要求进行肥皂造型铣削，首先利用UG 的CAD 模块建立肥皂造型，具体过程如下： 1.打开ug ，开始-程序—unigraphics nx2.0- unigraphics nx 2.新建一个文件，命名为feizao,单位为公制。 3.在ug主环境中进入model模块，点击菜单栏application-modeling. 4.建一方料作为放置面点击,建立一个草图，如图2.1所示 图2.1 草图放置面 5.点击选方料表面再点击，在圆点（0，0）上画一条平行于X轴直线长度自定，同时在圆点（0，0）上画一条平行于y轴直线，长度自定然后，点击，选择这两条直线，点击确定。在此环境中画一个如图2.2所示的形状的肥皂外形图。点击退出草绘模式。 图2.2肥皂外型图 6.点击insert-form feature-datum plane，选择方料的上表面，在中 输入12。点击完成。 7.点击insert-curve-operation-project。弹出如图所示的一个对话框，选择刚 才建立的边框线，在选择如图箭头所示的平面将设置为方向为z轴正向。点击确定完成投影，如图2.3。 8.点击insert- curve operation-offset依次选择如图所示的四段曲线，在弹 出的对话框中将方向改为向内，输入7，改为，单击确定，完成偏置，点击inser- curve-base curves在弹出的对话框中选择，在弹出的下级对话框中选择图标任意选择相邻两条曲线在中输入6，依次完成其他的三个圆弧，如图2.5所示。 9.点击insert- curve-spline by poles，将点的捕捉方式改为，选择四角任意一个圆弧的中点，然后点击偏置后圆弧的中点点击确定。将坐标系移动到该曲线 的一个端点上，双击该曲线调整其外形为类似肥皂的边角，其他三个的创建方式与此 相同，最后的图形如图2.6所示。 图2.3肥皂外型的投影 图2.4肥皂外型线条的偏置 图2.5完成曲线圆弧 图2.6肥皂的轮廓图 10.点击insert-free form feature-swept按如图的形式设置截面线和引导线，设置完成后单击确定。生成的肥皂实体图形如图2.7所示。 图2.7肥皂实体图(1) 图2.7肥皂实体图(2) 11.点击insert-feature operation-untie。任意选择一个实体作为目标体，将剩下的一个作为工具体，点击确定完成合并。点击图标选择肥皂上表面的边沿，在输入6，单击确定完成模型的创建。 13.刻字。选择application-drafting,将如图所示的对话框取消掉。选择会 弹出如图所示的对话框选择图标将弹出下一级的 对话框，将设置为1，设置15，设置为1，设置为.8 设置为1， 设置为0。单击确定。在 中输入，选择肥皂的上表面，则字体被放置到 该面上。点击edit-transform, 选择字体，单击确定，将弹出对话框的命令设置为 ，输入偏移值即可，该值根据实际的情况而定，单击确定完成偏移。点击 返回建模模式下，完成的模型图形如图2.8所示，至此所有的建模已经完成。 图2.8肥皂模型图 UG 的制造模块可以输入制造信息,诸如刀具直径、切削用量、主轴转速、切削速 度等,自动生成刀具位置源文(CLSF)它具有2. 5～5 轴的数控加工能力, 可以直接加工实体造型模块生成的任何实体模型。能自动检测碰刀, 避免过切, 可进行加工过程的动态仿真及加工路径模拟校核, 能给出加工方向, 并考虑生成最佳走刀轨迹。加工 曲面表面光顺, 只要给定刀痕高度, 可自动确定刀具走刀路径和尺寸。同时还具有通 用性极强的后置处理程序、能生成西门子、发那克、辛辛拉提等80多种数控机床控制系统的G 代码程序,驱动机床动作,真正实现CAD/ CAM 集成制造。UG的加工制造模块功能极强, 它在航空制造业和模具制造业已有十几年成功应用经验,是其它应用软件无法比拟的 CAM中提供了多种切削方法：往复型切削（Zig-Zag）、单向切削（Zig）、单向带轮廓（Zig with Contour）、仿形外轮廓（Follow Periphery）、仿形零件（Follow Part）、轮廓铣（Profile）、驱动（Standard Drive），这些切削方法里都可以分别决定 不同的刀轨样式，既有较高的切削效率也能维持切削稳定和加工质量。 下面我们将利用ug的cam 模块来生成肥皂造型的数控程序。具体过程如下： 1.给肥皂定义一个120*120*33的毛坯，为加工作准备，如图3.1所示。 图3.1毛坯 2.点击 菜单栏application-manufacturing,弹出加工环境对话框，选择 cam-general. 3.在cam setup 列表选择 mill_counter, 单击initialize进入cam_general加工环境。 4.建立加工坐标系，也就是常说的编程原点，只在后置处理起作用。单击操作导 航工具条中的 图标，切换操作导航工具到几何视图。在操作导航工具的几何视图 中双击mcs_mill节点，打开mill_geom对话框。单击origin按钮，利用弹出的点构 造器选取毛坯的中心，改变加工坐标系的位置到毛坯上表面的中心。同时把 选项置为on，单击指定安全平面在120*120*33毛坯的上表面，在偏置中输入 5，即安全平面在上表面5mm。 5.创建加工几何体即毛坯，单击操作导航工具条中的 图标，切换操作导航工 具到几何视图。在操作导航工具的几何视图中双击workpiece节点，在弹出的对话框 中选择图标，然后选择所创建的鞋子造型，再在该对话框中选择图标，指定120*120*33的方料为毛坯。选择按钮在出现的对话框中选择 。 6.选择图标，将加工导航工具的视图切换为刀具视图，选择图标，将对话框中的subtype设置为mill， ，在中输入em16，单击ok，在出现的对话框中设置刀具的各个参数，将设置为16，设置为3， 设置为1。按该步骤设置剩下的几把刀，刀具的参数如3.1表。 名称 直径 刀刃数 刀号 备注 BALL_MILL_D10_R5 10 2 2 立铣刀 BALL_MILL_D6_R3 6 2 3 球头刀 Em4 4 2 4 球头刀 表3.1刀具的各个参数 7.设置加工余量。选择图标，双击mill-rough在中输入0.5，单击ok，同样的方法在MILL_SEMI_FINISH中输入0.2，MILL_FINISH中输入0。 8.粗加工。 选择，在出现的对话框中作如图所示的节点设置，单击ok，在出现的对话框中的各加工参数按图设置，单击cutting按钮将对话框中的设置为，将设置为，单击ok，完成该对话框的设置， 单击按钮，将对话框中的设置为，单击ok完成设置。单击按钮，作如图设置。选择按钮，将 设置为，将设置为on并且将对话框中的 添加到中，单击ok，然后单击生成刀轨 ，再次单击ok完成所有的设置。 图3.2粗加工界面 图3.3粗加工参数 9.创建加工所需几何体。选择图表,将对话框中的设置为,将 设置为,将设置为,将设置为MILL_AREA，单击ok，完成设置，在出现的下一个对话框中cut area选择肥皂侧面和圆角。 10.选择，将设置为，其他参数的设置如图所示，单击ok,在原对话框中设置为，选中的同时会出另一给对话框，该对话框中的各个 参数的设置如图所示，单击ok,完成该对话框的设置。选择，其参数的设置如图所示，的设置同上。然后单击生成刀轨 ，再次单击ok完成所有的设置。 11.择，将设置为，其他参数的设置如图所示，单击ok,在原对话框中设置为，选中的同时会出另一给对话框，该对话框中的各个参 数的设置如图所示，单击ok,完成该对话框的设置。选择，其参数的设置如图所示，的设置同上。然后单击生成刀轨 ，再次单击ok完成所有的设置。 3.4精加工界面 3.5精加工参数 13.精加工底面。择，将设置为，节点参数的设置 如图所示。单击确定，弹出加工参数设置对话框，参数设置如图所示。选择，其参数的设置如图所示，的设置同上。然后单击生成刀轨 ，再次单击ok完成所有的设置。 图3.6面加工界面 图3.7面加工参数 13.刻字。择，将设置为，节点参数的设置 如图所示。单击确定，弹出加工参数设置对话框，参数设置如图所示。选择，其参数的设置如图所示，的设置同上。然后单击生成刀轨 ，再次单击ok完成所有的设置。 图3.8刻字加工参数 3.9图刻字加工参数 .14.粗加工到精加工的刀轨图如下图所示。 图3.10粗加工刀轨图 图3.11半精加工刀轨图 图3.12精加工刀轨图 图3.13 面加工刀轨图 图3.14 刻字图 生成的CLS 文件如图所示为该文件的部分代码 。 图3.15CLS文件（1） 图3.15CLS文件（1） 数控加工是一个自动过程,需要工艺人员事先确定加工过程的工艺流程。在制订 流程的过程中,工艺人员不仅需要考虑各种加工工艺因素,同时还要考虑到干涉问题。 由于零件形状是空间三维形状,机床是几轴联动,在加工过程中,加工参数的选择是否合理、零件与机床干涉与否、是否存在过切等现象既相互关联又各自遵循自己的变化 规律。因此工艺人员难于以现有的分析计算手段,优化工艺流程。所以必须要给技术 人员提供一套能分析、计算的可视化环境,能制定、优化工艺流程的辅助手段,以达到提高产品质量,缩短制造周期的目的。为此迫切需要应用相对成熟的仿真技术对产品 的数控加工过程进行真实加工前的观察,以便及时发现和尽快解决问题,避免造成不必要的损失。数控加工仿真技术的研究现状为确保数控程序的正确性,在生产中,常采用易切削的材料代替工件进行试切,检验加工指令。也有采用轨迹显示法,即以划针或笔代替刀具,以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形(也可以显示二维半的加工轨迹)。但这些方法费工费料,使生产成本上升,增加了生产周期。为此,人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法,并在试切环境的模型化、仿真计算 和图形显示等方面取得了重要的进展,目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化 和改善图形显示的真实感等方向发展。 VERICUT对于数控加工是一款强大的，而且容易使用的仿真软件。它交互的模拟 数控加工轨迹代码的切削运动。VERICUT验证刀具轨迹的精度，并确保经验证的部分 达到设计标准。在正式的加工开始之前，VERICUT发现那些阻碍加工过程的矛盾并且 确认出可靠的加工轨迹序列号以便迅速便捷的修改。VERICUT需要走刀轨迹代码，需 要对于被加工的原材料的描述，也需要对于切削刀具的描述。这个验证过程的结果之 一是一个加工过的(三维)固体模型即产品;之二是一个一在模拟加工过程所监测 到的所有错误的日志文件。VERICUT中的优化设置是自动化的，并且是用户可选择的。 这让用户可以使切削效率最大。基于切削深度，切削宽度，切削角度，每一刀具轨迹 的进给速度和切削速度都被调节到最佳。 VERICUT可以模拟直至铣车组合的加工运动。应用VERICUT验证刀具轨迹的过程5轴的铣削、钻孔或线框EDM操作，也可以模拟车削和 铣车组合的加工运动。 下面利用软件“VERICUT5.4”来仿真月牙造型铣削的具体操作过程。 1.进入系统。打开“开始”菜单。在“程序/CGTech VERICUT5.4/”中选择“License Server”中“Start Server”点击，先启动服务器；在“程序/CGTech VERICUT5.4/”中选择“VERICUT5.4”点击，启动软件。 2. 新建项目。点击菜单“File”中选择“NEW Session”就新建了一个新项目。 3. 设置单位。点击菜单“File”中在选择“Properties”点击，此时出现单位 设置窗口界面如图4.1所示，选择单位Millimeter（毫米），机床选择（Mill）铣床，然后点击OK（确定）。 图4.1 设定单位 4. 定义毛坯 点击菜单“Model”中在选择“Model Definition”点击，此时出现定义毛坯窗 口界面如图4.2所示，选择有效单元“Active Component”中的毛坯“Stock”，毛坯的长是120mm宽是120mm高是33mm，然后点击Add添加，然后点击OK（确定）。可以看见毛坯如图4.3所示。如果毛坯模型复杂的也可以通过三维绘图软件来建模，通过 格式来转换，这样建毛坯就方便了。 图4.2 毛坯设置对话 图4.3 毛坯生成图 5. 定义刀具。点击菜单“Setup”中在选择“Tool Manage”单击，此时出现刀具管理窗口界面如图4.4，单击右键，选择“New Tool”中的“Mill”单击，右击选择“Cutter”点击，出现添加刀具窗口如图4.5，新建一把ID号是１直径是16mm的立铣刀（里的ID号一定要是程序里的刀号），然后点击OK（确定），就返回到刀具管 理窗口，再新建一把ID号是2直径是10mm的球头铣刀，返回刀具管理窗口新建一把 ID号是3直径是6mm的球头铣刀。再次返回刀具管理窗口新建一把ID号是4的立铣刀，出现提示如图4.7和4.8所示，点击“YES”后就出现保存的界面，选择保存路 径和输入保存名称。然后点击保存“SAVE”，关闭保存窗口将出现窗口提示如图4.8所示，点击“YES”就完成刀具的定义。 图4.4 刀具添加框 图4.5 刀具设置对话框 图 4.6 刀具设置对话框 图 4.7 生成刀具 图4.7 图4 .8 6.定义编程原点。点击菜单“Crood.system”中在选择“Define”单击，此时出现定义编程原点窗口界面如图4.9所示，选择“Croodinate System Name”中的“Opientation1”，再点击“Location”中的“Position”的文本框，文本框 边围就会有黄色的方框，然后选择编程原点上面中心如图4.10，点击“OK”完成编程原点的定义。预览刚建的原点是否正确，右击窗口如图进行操作，就可见原 点是正确的如图4.11，再用同样的方法把原点隐藏，要不大大减慢仿真的时间。 图4.9 毛坯加工坐标系对话框 图4.10 选择显示加工坐标系菜单 图4.11 加工坐标系显示 9. 调程序代码 点击菜单“Setup”选择“Toolpath”中的“Open”，点击“Add”来添加加工程序，还要选上程序原点，选择刚才建好的原点。要不仿真不出来。具体如图4.12 图4.13 添加程序 10. 设置机床运动 点击菜单“Setup”选择“Motion”来根据机床的实际参数来设置G00的运动速度，在这里设为4000mm/min，这样才能正确的仿真出实际加工的时间，在这里可以选 择任意段程序来仿真，设置在每次出错的地方暂停。 11. 开始仿真和结果 如图.4.12点击右下角的播放按钮图，开始仿真。VERICUT软件的最大特点是它能够显示加工所要用的时间，因此在每个仿真图的下面我都加上了仿真时间表。 仿真结束后出现如图4.13肥皂仿真结果图。 图4.12 播放安钮 图4.13 肥皂仿真结果图 结 论 本文通过肥皂的造型、仿真、加工等操作简单介绍了UG、VERICUT、并联机床的使用与操作。 经过半学期的毕业设计，我感受到了Unigraphics软件的高效，实用，便捷，它 具有高性能的实体造型能力、极方便的图形显示及编辑能力，特别是它的CAM模块，功能更是强大。在生成数控加工程序后，为了检验它的正确性，我又使用了一种高性 能的仿真软件—VERICUT，VERICUT验证刀具轨迹的精度，并确保经验证的部分达到设 计标准。在正式的加工开始之前，VERICUT发现那些阻碍加工过程的矛盾并且确认出 可靠的加工轨迹序列号以便迅速便捷的修改。 上述成果表明，本人基本完成了毕业设计的主要任务。由于时间仓促及基础理论 知识的限制，还有很多问题需要进行深入、系统地研究，在以后会继续学习。 致 谢 这次毕业设计之所以能够顺利完成，我首先要感谢我的指导老师吴海兵以及机械 系的有关领导，是他们无私的关心和帮助让我顺利完成了这次毕业设计。在做毕业设 计时，吴海兵老师耐心地指导我，让我在自由发挥的同时提出了许多建设性的意见， 并且对于我所遇到的问题耐心讲解，从不厌烦，使我在这次设计中获得了许多丰富的、 有益的、深刻的知识。他以他渊博的知识、严谨的治学态度、开拓进取的精神和高度 负责的责任心，使我终生受益，并将永远激励我奋发向上。在此，我向你表示深深的 谢意！ 另外我还要感谢机房老师的帮助和支持，感谢同组同学给我的无私帮助，感谢给 予我关心和帮助的其他老师和同学们。以后我会用我的实际行动来回报你们，向你们 交出一份满意的答卷。 参 考 文 献 1 张曙等著.并联运动机床.北京：机械工程出版社，2003.4 2 宁汝新.赵汝嘉等编.CAD/CAM技术.北京：机械工业出版社，2003.1 3 蔡汉明.陈清奎编.机械CAD/CAM技术. 北京：机械工程出版社.2003.6 4 王庆林等编著.UG铣制造过程实用指导.北京：清华大学出版社，2002.7 5 沈洪才编著.UG CAD工程应用基础.北京：清华大学出版社，2003.9 6 UGS公司.UG CASTNX1.0， 2002.9 7 谢过明等.UG CAM实用教程. 北京：清华大学出版社，2003 8 龚勉等.UG CAD实用教程. 北京：清华大学出版社，2003 9 徐锦康.机械设计.北京：机械工程出版社，2001 10 苏红卫编译.UG NX2铣加工过程培训教程.北京：清华大学出版社，2004.10 11 徐宏海主编.数控加工工艺. 北京：化学工业出版社.2004.1 12 蔡国铭等编著.Unigraphics/CAM三轴铣削加工.北京：中国铁道出版社.2003 13 UG NX基础及应用教程.北京：电子工业出版社.2003 14 UG NX高级开发实例. 北京：电子工业出版社.2004