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1、基于MBD 的数控编程与仿真1 数控编程与仿真技术应用系统应用架构在工艺PDM /CAPP、CAM 基础上，梳理数控加工流程，完善机床模型库、控制系统库、刀具库、夹具库、加工参数库，打通基于PDM 的UG /CAM系统、Vericut 仿真优化系统、DNC 加工验证系统的数据通道，确定基于Vericut 的干涉检查和程序优化流程，建立数控加工仿真的应用环境，解决数控加工仿真资源的分散管理的问题; 实现工艺设计、程序编制、仿真优化、试切验证的一体化，减少制造准备时间，提高数控加工效率。加工仿真系统建设方案由应用层、协同层和数据层三部分组成，其框架如图1 所示，通过打通Vericut 仿真优化系统
2、与PDM /CAPP 工艺系统、DNC 系统、UG /CAM 编程系统的信息集成，创建在PDM 下的机床模型库、控制系统库、刀具库、夹具库、加工参数库，在工艺应用环境中实现工艺设计、程序编制、仿真优化、试切验证的一体化。图1 加工仿真系统框架11 应用层应用层的主要功能是为每个工艺设计人员提供综合设计环境。(1) 系统对设计进行身份认证，系统为工艺人员提供NC 设计仿真软件和相关数据。(2) 工艺设计人员利用UG /CAM 进行NC程序编制，生成NC 程序的*NC 文件，系统将UG /CAM 产生的*PT 文件和* NC 文件保存到PDM 中。其中，* PT 文件包含零件、毛坯、工装、刀具、坐
3、标系和装夹方式。( 3) 工艺设计人员可以单独使用Vericut 进行仿真，也可以将UG /CAM 产生*PT 的零件、毛坯、工装、刀具、坐标系、装夹方式和*NC文件接收到Vericut 系统。同时Vericut 仿真优化需要的机床模型和控制系统模型从加工资源库调出，经过Vericut 仿真优化系统验证和优化的NC程序保存到PDM 中。(4) 工艺设计人员可以将Vericut 仿真优化的NC 程序和加工仿真可视化文件传递到DNC系统中，用以实现现场加工的NC 程序传递/接收和现场NC 版本控制，之后通过现场加工验证的NC程序和加工参数由工艺人员整理保存到PDM 中。12 协同层协同层的主要功能
4、是将CAPP 工序信息传递到UG /CAM 编程系统，该编程系统可以借用CAD 产品模型。(1) 负责UG /CAM 编程系统、Vericut 优化系统和DNC 试切系统的数据传递和控制。(2) 负责UG /CAM 编程和Vericut 仿真优化时，对加工资源库中模型的调用。(3) 负责加工仿真流程的定义和技术状态控制。13 数据层数据层的主要功能是对加工资源库进行管理，实现对NC 程序在编制、仿真和验证过程中数据的分类管理，以及加工知识的积累和重用。其中:(1) 加工资源库包括NC 程序库、机床模型库、控制系统库、刀具库、夹具库、加工参数库。(2) NC 程序库、刀具库、夹具库中的模型按UG
5、 /CAM 使用方式创建; 机床模型库、控制系统库、加工参数库按Vericut 仿真优化使用方式创建。(3) 加工资源库由PDM 系统统一管理。2 业务流程21 数控加工流程传统数控加工流程是在CAM 编程后经过多次的现场试切来完成，没有第三方软件仿真验证。结合仿真软件应用的进展情况，在科研产品试制过程中建立一套以提高机床效率为目的的技术流程显得尤为重要。在新的数控加工流程中( 如图2 所示) ，增加了仿真优化验证，并对验证后的NC程序、机床模型、控制系统模型、刀具模型、夹具模型、加工参数模型等利用PDM 进行统一管理。图2 数控加工流程通过这样一套完整的工作流程，能够有效缩短无效占机时间，降
6、低试切废品率，同时为提高产品质量及提高生产率提供行之有效的科学工具。22 NC 程序仿真基于Vericut 的NC 程序仿真与优化，是指基于切削条件和切削的材料量，通过重新计算进给速度或主轴转速，以满足最小加工时间的目标函数及最大机床功率等约束条件的要求，从而产生一个优化的刀具轨迹文件。优化后的刀具轨迹并不改变刀具原有加工路线，它可以根据给定的模型和用户设定的一组优化参数，根据切削条件，确定各个工步的最佳进给速度或主轴转速，并创建新的刀具轨迹，最大限度的提高去料切削率，从而提高零件加工效率，缩短加工时间。23 加工资源库建设加工资源库由NC 程序库、机床模型库、控制系统库、刀具库、夹具库、加工
7、参数库组成。其中NC 程序库在PDM /CAPP 系统中已经完成初步框架设计。231 建立Vericut 机床模型建立动力学机床模型就是用3D 数字模型再现虚拟的数控机床本体，并用相应的软件模拟各种控制系统，实现虚拟环境的机床运动。机床模型创建流程包括: 收集机床数据、创建部件结构树、创建部件模型、设置加工行程、系统调试，如果机床模型与实际机床结构有差异，修改相应模型。23 .2 建立Vericut 控制文件Vericut 软件本身携带丰富的控制文件，用来模拟不同机床控制系统，以适应各个机床不同的运动代码定义，这些控制文件基本上涵盖了目前主流机床厂商的标准机床的控制系统配置。同时，该软件也提供
8、了系统定制功能，可以根据需要量身定做机床的控制文件。但定制系统控制文件要求用户不但要熟悉软件的设置，对机床控制系统也要深刻的理解。当Vericut 软件本身携带的控制文件不能满足使用要求时，则由用户根据需要配置控制文件。选取菜单中配置控制打开，弹出打开控制文件对话框，在Vericut 安装目录的Libray 子目录选取控制系统( ctl) 文件，选取菜单配置控制字/地址，弹出如图3 所示的对话框，根据机床的控制系统功能和指令格式，对准备功能G 码、辅助功能M 代码、寄存器地址和状态指令等进行设置，并保存该文件。233 建立Vericut 刀具模型刀具库的建立在仿真加工中尤为重要，所形成的刀具资
9、料库可方便程编人员任意调用。选取菜单中配置刀具管理，弹出刀具管理对话框，如图4 所示。 图3 配置控制文件图4 刀具管理对话框(1) 刀套( Holder) 的建立刀套可在Vericut 中建立，也可先用其它软件建模，并将其转换成STL 格式，便于使用时调入和调整位置。根据机床所使用的各种套筒规格，按尺寸在Vericut 中建立刀套。应当注意的是，刀套模型坐标原点即为刀具的装夹点。(2) 刀具( Cutter) 的建立将零件加工中使用的所有刀具在VericutT 中建立出来，再与对应的刀套装配在一起，指定刀具装配位置点( GageOffset) ，并给刀具附以相应的名称。名称内容包含刀具的各种
10、参数，如直径、长度等，这样可方便仿真时选用。234 创建Vericut 夹具模型在Vericut 中通过G 代码或M 代码可以配置动态的移动/( 夹紧) 夹具模型，如图5 所示，创建的一个可以自动夹紧和松开的虎钳。图5 创建Vericut 夹具模型24 基于PDM 下的Vericut 集成241 基于PDM 的应用环境建立PDM、UG 与Vericut 软件的集成应用环境，实现在PDM、UG 环境下启动Vericut 软件，并将PDM、UG 中的数控模型、工装模型、NC 代码、刀具模型等信息传入到Vericut 中进行加工仿真。当仿真完成后，将仿真结果保存到本地磁盘，最后将打包后的仿真结果、仿
11、真过程的动画和优化后的NC 代码通过系统提供的接口导入到PDM 系统中。图6 是PDM 下应用数控加工仿真软件界面。图6 数控加工仿真软件界面242 加工资源库创建在PDM 下创建加工资源库。包括机床模型库、控制系统库、刀具库、夹具库、加工参数库，系统中设置不同角色，其中，不同角色有不同数据操作权，如图7 所示。工艺人员利用UG /CAM 进行数控加工工艺的编制，在UG /CAM 环境下启动Vericut 进行加工过程仿真，仿真完成后可将加工仿真包保存到本地后再导入到PDM 系统中。同时，工艺人员也可以直接将PDM 系统中的加工仿真项目包签出到本地路径后进行加工过程的仿真，完成后再将项目包签入
12、到PDM 系统中。图7 加工资源库创建过程243 PDM 下的数据组织Vericut 数控加工仿真项目包中有很多类型的文件，其中有些是进行数控加工过程仿真所必须的，为了方便进入PDM 系统管理，表1 所示的几种类型的文件需要进入PDM 系统进行管理。在PDM 中，通过二次开发对Vericut 仿真数据进行有效组织和管理。以下为部分开发程序。: cgtgetargiftest%1 = = testgotocgtchkendif%1 = = BATCHsetwaitopt = /waitif%1 = = batchsetwaitopt = /waitif%1 = = BATCHPsetwaitop
13、t = /waitif%1 = = batchpsetwaitopt = /waitsetargstr = %argstr%1shiftgotocgtgetarg: cgtchkendif%OS% = = Windows_NT setstart_cmd= startVEICUT%waitopt%if%OS% = = setstart_cmd = start%waitopt%setUGII_ VENDO _ DI = % CGTECH _ INSTALL%/windows /ugv /v202. 44 UG/CAM 与Vericut 协同作者针对复杂零件加工，进行了过程的应用。创建机床模型、控制
14、系统、刀具库，NC 程序、坐标点、工装、毛坯等在UG /CAM 中完成，通过接口将UG /CAM 中加工信息传递到Vericut 中。选择加工16 铣刀，选择Optipath active 选项，进入参数设置界面。选择切除律法，并将切除率设定值为30000mm2 /min，将Aircutfeed 设定为2000mm/min，并进行一些机床参数设置( 见图8) 。图8 机床参数设置界面经过Vericut 仿真软件根据切削情况，对轨迹和进给速度进行了优化。根据graph 功能分析，优化前加工时间33 78min，优化后27 7min。从时间上考虑，机床效率提高了18%; 另一方面，轨迹的优化也改善了刀具加工情况，有利于提高刀具的使用寿命，提高工件质量，如图9所示。图9 轨迹和进给速度优化前后对比在UG /CAM 中选择Vericut 模版，选择设计模型、毛坯、选定加工坐标系，生成或选择G 代码文件，点击OUTPUTFILES，输出并转化模型文件、刀具、程序、机床、控制系统文件、加工坐标系，运行UNVEICUT，进入Vericut 软件界面，如图10。图10
