Unigraphics NX/CAM数控铣编程的关键技术及应用

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Unigraphics NX/CAM数控铣编程的关键技术及应用
www.iCAD.com.cn  2004-4-1  CAD世界
  
一、前言
Unigraphics在全球最大的VPD实施项目中支持通用汽车公司。Unigraphics成为日本主要的汽车配件生产商Denso的标准。在美国航天航空工业已安装有10000多套UG。Unigraphics占有90％的俄罗斯航空市场和80％的北美汽油淌轮发动机市场，拥有如普惠GE喷气发动机等客户，其他的航天航空客户包括：BEAerospace、Boeing、以色列飞机工业公司(IAI)和英国航天航空公司等，遍及到机械、医疗设备、电子、高技术和消费品工业等领域，客户包括3M、DEC、Philips等公司。
UnigraphicsNX融线框模型、曲面造型、实体造型为一体，是参数化和特征化的CAD/CAM/CAE系统。系统建立在统一的富有关联性的数据库基础上，提供了工程上的完全关联性，使CAD/CAM/CAE各部分数据自由切换。以基本特征作为交互操作的基础单位，利用特征技术，用户可以在更高层次上进行产品设计、模具设计、数控加工编程和工程分析，实现并行工程CAD/CAPP/CAM的集成与联动。这不仅有利于CAD/CAM系统之间交换信息，而且有利于信息的共享。应用好Unigrahpics NX提供的强大的数控加工编程功能，包括数控车削、铣削、线切割等编程模块等，是提高企业数控加工技术应用水平的一个重要途径。
二、Unigraphics NX/CAM数控铣削加工编程
Unigrahics NX/CAM有以下重要组成部分：三维建模、刀具轨迹设计、刀具轨迹编辑修改、加工仿真、后置处理、数控编程模板、切削参数库设计和二次开发功能接口等。
1. 数控编程模板
使用数控编程模板有利于利用已有的经验和专家知识，达到企业内部资源共享的目的。系统提供了加工程式模板、刀具模板、加工对象模板和刀具轨迹模板。在模板中不断注入数控编程员、加工工艺师和技术工人等的知识、经验和习惯，建立起规范的数控加工工艺过程，为强化企业生产管理、提高产品的加工效率和质量打下良好的工艺技术基础。CAM系统创建用户自己的模板可以将预先的加工顺序、工艺参数和切削参数设置好。针对相似的零件加工对象，应用模板可以大幅度提供数控编程的效率和质量，尤其是在模具行业对形似的成组零件的加工。例如，在制造模具时将加工凸模和凹模时的最佳工艺过程定义为加工模板，在加工新的产品对象时，只需调用模板文件，选择所需的几何体，并起动这个流程即可。用户通过加工向导非常容易地从模板中获得专家级的制造过程指导。通过向导，预先定义的模板可以被激活，并通过简单的交互快速生成数控加工刀具轨迹。
Unigraphics NX系统提供了基本的数控编程模板，以Shops_diemould模板集为例，其包含的内容如图1所示。其配置文件Shops_diemold.dat位于\mach\resource\configuration中，模板集文件Shops_diemold.opt则位于\mach\resource\template目录下，其文件内容分别如图1b)所示。用户可根据本企业的经验创建自己的程式、粗精加工、刀具、产品等类型的编程模板。利用模板之前，需要对不同产品类的零件的不同加工方式的模板进行整理与收集。在创建模板时可按加工方式进行分类，对于系列化或相似的加工工艺，如凸凹模具类零件的加工等，则可以包含粗精加工方案、刀具及工艺参数的选择等完整的加工流程模板。模板的定义可根据产品加工要求与几何特征划分，也可根据产品加工要求与材料等多种方式进行划分。
2. 刀具轨迹的生成
系统提供了钻孔循环、攻丝和镗孔等点位加工编程模块，具有多种轮廓加工、等高环切、行切以及岛屿加工平面铣削等编程功能。其提供的3～5坐标复杂曲面的固定轴与变轴加工编程功能，可以任意控制刀具轴的矢量方向，具有曲面轮廓、等高分层、参数线加工、曲面流线、陡斜面和曲面清根等多种刀具轨迹控制方式。
  
a) b)
图1 数控编程模板设置
(1)UG/Planar Milling(UG平面铣削)
UG平面铣削模块功能，包括多次走刀轮廓铣、仿形内腔铣、Z字形走刀铣削，规定避开夹具和进行内部移动的安全余量，提供型腔分层切削功能、凹腔底面小岛加工功能，对边界和毛料几何形状的定义、显示未切削区域的边界，提供一些操作机床辅助运动的指令，如冷却、刀具补偿和夹紧等。
(2)UG/Core & CavityMilling(UG型芯、型腔铣削)
利用UG型芯、型腔铣削可完成粗加工单个或多个型腔，可沿任意类似型芯的形状进行去除大余量的粗加工，对非常复杂的形状产生刀具运动轨迹，确定走刀方式。通过容差型腔铣削可加工设计精度低、曲面之间有间隙和重叠的形状，而构成型腔的曲面可达数百个，发现型面异常时，它可以或自行更正，或在用户规定的公差范围内加工出型腔来。
(3) UG/Fixed AxisMilling(UG固定轴铣削)
UG固定轴铣削模块功，包括产生3轴联动加工刀具路径功能、加工区域选择功能，有多种驱动方法和走刀方式可供选择，如沿边界切削、放射状切削、螺旋切削及用户定义方式切削等。在沿边界驱动方式中，又可选择同心圆和放射状走刀等多种走刀方式，提供逆铣、顺铣控制以及螺旋进刀方式，自动识别前道工序未能切除的未加工区域和陡峭区域，以便用户进一步清理这些地方。
(4) UG/Flow Cut (UG自动清根)
自动找出待加工零件上满足“双相切条件”的区域，一般情况下这些区域正好就是型腔中的根区和拐角。用户可直接选定加工刀具，UG/Flow Cut模块将自动计算对应于此刀具的“双相切条件”区域并将其作为驱动几何，自动生成一次或多次走刀的清根程序。当出现复杂的型芯或型腔加工时，该模块可减少精加工或半精加工的工作量。
(5) UG/Variable Axis Milling(UG变轴铣削)
变轴铣削模块支持定轴和多轴铣削功能，可加工UG造型模块中生成的任意几何体，并保持主模型的相关性。该模块提供经多年工程使用验证的3～5轴铣削功能，提供刀轴控制、走刀方式选择和刀具路径生成功能。
(6) UG/Sequential Milling(UG顺序铣)
UG顺序铣模块可实现如下功能：控制刀具路径生成过程中的每一步骤的情况，支持2～5轴的铣削编程，和UG主模型完全相关，可以自动化的方式获得类似APT直接编程的绝对控制，允许用户交互式一段一段地生成刀具路径，并保持对过程中每一步的控制。它提供的循环功能使用户可以仅定义某个曲面上最内和最外的刀具路径，由该模块自动生成中间的步骤。该模块是UG数控加工模块中如自动清根等功能一样的特有模块，适合于高难度的数控程序编制。
(7) 高速铣削加工的支持
系统提供的等高分层加工应用于高速铣削场合，在转角处以圆角的形式过渡，避免90°急转(高速场合对导轨和电机容易损坏)，同时采用螺旋进退刀，系统还提供环绕等多种方式支持高速加工刀具轨迹的生成策略。如图2所示分别为其刀具轨迹的示意图与实例。
  
a) b)
图2 高速加工刀具轨迹示意图
3. 刀具轴的导动方式  
空间曲面轴加工涉及的内容比较多，尤其是五轴加工时更明显。进行五轴加工时，涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技术。四轴五轴加工的关键技术之一是理解刀具轴的矢量(刀具轴的轴线矢量)在空间的变化。刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可加工出产品。五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有如图3所示的几种方式。
  
a) 固定矢量 b)曲面法线
  
c)固定点 d)直线导动
  
e)直纹面导动 f)曲线投影
图3 刀具轴矢量导动方式
4. 刀具轨迹的编辑修改
该模块可在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并进行图形化修改，具有刀位文件复制、编辑和修改，定义刀具、机床和切削参数数据库等功能（如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等），可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁等。
5. 加工仿真
切削仿真模块UG/Vericut是集成在UG软件中的第三方模块，它采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一种方便的验证数控程序的方法。由于省去了试切样件的步骤，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作。通过定义被切零件的毛坯形状，调用NC刀位文件数据，就可检验由NC生成的刀具路径的正确性。UG/Vericut可以显示出加工后并着色的零件模型，用户可以容易地检查出不正确的加工情况。作为检验的另一部分，该模块还能计算出加工后零件的体积和毛坯的切除量，因此就容易确定原材料的损失。Vericut提供了许多功能，其中有对毛坯尺寸、位置和方位的完全图形显示，可模拟2～5轴联动的铣削和钻削加工
6. 后置处理
后置处理最重要的是将CAM软件生成的刀位轨迹转化为适合数控系统加工的NC程序，通过读取刀位文件，根据机床运动结构及控制指令格式，进行坐标运动变换和指令格式转换。通用后置处理程序是在标准的刀位轨迹以及通用的CNC系统的运动配置及控制指令的基础上进行处理。它包含机床坐标运动变换、非线性运动误差校验、进给速度校验、数控程序格式变换及数控程序输出等方面的内容。只有采用正确的后置处理系统才能将刀位轨迹输出为相应数控系统的机床能正确进行加工的数控程序，因此，编制正确的后置处理系统模板是数控编程与加工的前提条件之一。后处理的主要内容包括三个方面的内容。
(1)数控系统控制指令的输出
主要包括机床种类及机床配置、机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环和程序头尾输出等方面的控制。
(2)格式转换
包括数据类型转换与圆整、字符串处理等，主要针对数控系统的输出格式，如单位、输出地址字符等方面的控制。
(3)算法处理
主要针对多坐标加工时的坐标变换、跨象限处理和进给速度控制等。
UG/Post Execute和UG/Post Builder共组成了UG加工模块的后置处理。UG的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序。该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，多年的应用实践中已被证明适用于２～５轴或更多轴的铣削加工，２～４轴的车削加工和电火花线切割。UG/Nurbs Path Generator样条轨迹生成器模块允许在UG软件中直接生成基于Nurbs样条的刀具轨迹数据，使得生成的轨迹拥有更高的精度和光洁度，而加工程序量比标准格式减少30%～50%，实际加工时间则因为避免了机床控制器的等待时间而大幅度缩短。该模块是希望使用具有样条插值功能的高速铣床(FANUC或SIEMENS)用户必备工具。利用UG/Post Builder进行后处理的新建、编辑和修改时，生成三个文件 ：机床控制系统的功能和格式的定义文件*.def，用Tcl语言编写控制机床运动事件处理文件*.tcl和利用PostBuilder编辑器设置所有数据信息的参数文件*.pui。后置处理程序将CAM系统通过机床的CNC系统与机床数控加工紧密结合起来。如图4所示的是PostBuilder后处理编辑器的主界面。
  
图4 PostBuilder后处理编辑器界面
7. 切削参数库设计
使用系统库可以得到机床、刀具及其材料、零件材料、切削工艺方法、主轴转速及进给速度的数据，定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库，使粗加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺，提供储存刀具及切削参数和标准刀具指令数据库。用户通过修改库中的数据，使其满足本企业的需要。
8. CAM二次开发功能接口
使用系统提供了二次开发接口，用户可以C语言，利用VisualC++为集成开发环境，开发专业的数控编程功能程序，以进一步提高编程的效率和简化操作。其提供的C语言头函数位于UG OPEN目录下，包括Uf_cam.h、Uf_camgeom.h、Uf_cam_planes.h等头文件。下面位几个重要头文件的主要内容。
(1)Uf_cam.h
主要定义系统加工的一些信息，如枚举、结构体和系统起动入口设置，对用户应用程序完成初始化设置加载应用程序，访问系统机床、刀具、加工对象等数据库的方法函数。
(2)Uf_cam_planes.h
定义系统编程加工涉及的平面数据信息，如定义、编辑、访问平面的原点和法线，设置和访问平面的状态信息等内容的属性方法等。
(3)Uf_cambnd.h
用于定义设置、获取边界信息。
(4)Uf_camgeom.h
包含用于定义设置和获取NC加工的几何对象的属性和方法。
三、UnigrahpicsNX/CAM数控编程流程
Unigraphics NX/CAM用于产品零件的数控加工，其流程一般如下图5所示。
  
图5 Unigraphics NX数控编程流程图
首先是调用产品零件加载毛坯，调用系统的模板或用户自定义的模板；然后分别创建加工的程式，定义工序加工的对象，设计刀具，定义加工的方式并生成该相应的加工程式；用户依据加工程式的内容，如加工对象的具体内容、刀具的导动方式、切削步距、主轴转速、进给量、切削角度、进退刀点、干涉面及安全平面等详细内容来确立刀具轨迹的生成方式；仿真加工后对刀具轨迹进行相应的编辑修改、拷贝等；待所有的刀具轨迹设计合格后，进行后处理生成相应数控系统的加工代码进行DNC传输与数控加工。Unigraphics NX/CAM系统提供了多种加工对象的定义方式，刀具轴的导动方式和刀具轨迹的多样化设计。如图6所示的分别为加工程式定义、加工对象定义和刀具轴导动的用户界面。
  
a) b)
  
c) d)
图6 Unigraphics NX用户界面
四、凸凹模数控铣削加工编程实例
如下图7为某产品模具凹模的数控铣削粗精加工的刀具轨迹示意图，从图中可以看出，其生成的轨迹灵活多样。如何选择最佳的路径，要结合产品的加工精度与制造成本及生产周期、企业的实力综合考虑。
  
a) b)
  
c) d)
图7 刀具轨迹方式
图8是针对相应的刀具轨迹与数控系统，采用匹配的HEIDENHAIN数控系统后处理程序生成的NC加工程序部分代码。
  
原作者：中国三江航天集团国营红阳机械厂 王华侨 李新洲 许建明
来 源：〈CAD/CAM与制造业信息化〉杂志

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