设计是建立在物理样机上的，研发成本高，开发周期长，基于大型三维仿真软件UG对数控铣床进行数字化设计与虚拟仿真，大大缩短产品开发周期，从而提高生产效率。利用UG可对数控铣床进行计算机辅助设计，有限元分析和计算机辅助制造，方便清楚地验证了数控铣床设计合理性，以鼠标外壳的数控加工仿真为例简单介绍数控铣床的仿真过程。
关键词： 数控铣床； 数字化设计； 虚拟运动仿真； UG
中图分类号： TN202⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）03⁃0125⁃03
Simulation design for digitization processing of CNC milling machine based on UG/ISV
WANG Chun⁃xiao， ZHANG Chang
（School of Mechanical Engineering， Qinghai University， Xining 810016， China）.
Abstract： The traditional design of CNC machine tools， including CNC milling machine， is based on physical prototype， which has high development cost and long development cycle. The digitization design and virtual simulation for CNC milling machine were conducted based on a large 3⁃D simulation software UG， which greatly shortened the product development cycle and improved the production efficiency. The computer aided design， finite element analysis and computer aided manufacturing of CNC milling machine can be realized with UG. The rationality of the CNC milling machine design was verified. The simulation process of CNC milling machine is briefly introduced by taking CNC machining simulation of a mouse shell as an example.
Keywords： CNC milling machine； digitization design； virtual movement simulation； UG
0 引 言
传统数控铣床的设计是基于经验建立在物理样机上的，开发周期时间长，研发费用高，如果物理样机试验不够充分，会造成不可预知的结果[1]。UG包括数字化设计，有限元分析以及虚拟运动仿真等技术，作为新一代的大型三维仿真软件已被广泛应用。此次研究利用UG对数控铣床进行虚拟设计以及虚拟仿真[2]，更加快速便捷地验证设计的合理性，避免了实际操作数控铣床实体造成不必要的损失，大大缩短开发周期。
1 UG三维仿真工作流程
UG三维仿真工作流程如图1所示。
2 基于UG/ISV的鼠标外壳数控加工仿真模型
的建立
设计和模拟加工鼠标外壳具有一定的典型性和示范性，鼠标外壳（见图2）作为型腔铣零件，刀轴垂直于加工表面并固定，由于轨迹形状在不同的切削层上是不同的，所以有一些残料会存留在零件上，为了能够去除残料，通常采用曲面轮廓铣，如图3所示。
应用UG/ISV进行零件仿真加工，必须建立机床仿真模型，因为鼠标是简单的型腔铣，所以采用3轴数控立式铣床对其进行仿真加工。
2.1 数字化虚拟样机的建立
数字化虚拟样机建立的实质是建立数控铣床的虚拟模型，首先建立各个零件的虚拟模型，利用UG的装配功能进行零件装配，具体过程如下[3]：
（1） 虚拟样机概念设计：概念设计即确定数控铣床的功能要求和工作参数，从而确定总体设计方案；
（2） 数字模型的建立：确定数控铣床各个零件的尺寸，建立零件的数字模型，并利用UG的装配功能将零件进行装配，如图4所示；
（3） 仿真模型的建立：以建立的数字模型为基础，增添各种仿真信息，完成整机的仿真。
图4 部件间的装配
2.2 数控铣床的运动仿真
完成装配后，就有了数控铣床的整体试图，进入机床构造器MTB进行机床运动模型的定义，机床运动模型是用来描述机床运动情况的，所以只有定义了运动模型各组件的运动才得以确定。
2.2.1 定义机床基础部件
机床基础部件是定义机床运动关系的基础，一般定义机床床身，如图5所示。
2.2.2 创建坐标系
创建连接坐标系是为了便于描述各运动轴之间的运动关系，使数控铣床处于原始状态时，工件坐标系、刀具坐标系和机床坐标系保持一致，使机床正常工作。创建坐标系过程[4]如下：
（1） 在数控铣床基础件上建立机床坐标系和机床原点，机床坐标系轴的方向很重要，原点的位置可定义在机床的任意位置，创建一个名为MACHINE⁃ZERO，分类为machinezero的连接坐标系，如图6所示。
（2） 在机床工作台创建一个PART⁃MOUNT⁃JCT的连接，用于在模仿仿真时，安装加工工件将零件安装坐标系，定在当前坐标系位置；同样方式在刀具主轴端面创建一名为TOLL⁃MOUNT⁃JCT的连接，用于模仿仿真时安装刀具。[x]轴为刀具安装轴，如图7所示。
2.2.3 数控铣床模型入库
将建立好的数控铣床模型添加到虚拟仿真机床库后通过后置处理实现加工过程的仿真与认证。数控铣床模型入库步骤如下：
（1） 首先在加工环境下打开要验证的已生成刀具路径的加工件，使导航器切换到刀具导航器，并载入建立好的机床运动模型。
（2） 定义加工件及夹具：打开机床构造导航器在载入的虚拟机床上定义数控铣床加工件，毛坯及夹具等。
（3） 定义加工刀具：在MTB环境下对加工所需的刀具装配模型进行运动模型定义。
（4） 定义机床驱动器：在Post Builder中为机床建立POST处理器，可自动生成机床驱动文件。
（5） 进行ISV仿真。
整个过程步骤如图9～图11所示。
3 结 论
UG将设计与加工过程及NC代码生成集成在统一平台上，为数控机床加工仿真提供仿真所需信息，实现从CAPP到CAM的信息集成和功能集成[5]。
本文利用UG/ISV以鼠标外壳的仿真加工为例对数控铣床进行了建模、分析以及仿真，通过UG实现了对数控铣床的产前设计、分析和修正，使设计更加合理性[6]，同时还提高了生产效率，缩短了生产周期，降低了生产成本，这在传统机床设计中是不可能实现的。
注：本文通讯作者为张长。
参考文献
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[2] 应华，熊晓萍，姜春晓.UG NX 5.0机械设计完全自学手册[M].欧阳宇，王崧，译.北京：机械工业出版社，2007.
[3] 杨晓京，傅中裕，史孝文.数控机床虚拟样机的虚拟加工实现[J].机床与液压，2007，35（1）：45⁃47.
[4] Unigraphics Solutions Inc. UG CAM实用教程[M].北京：清华大学出版社，2003.
[5] 喻丕珠.UG在数字化制造集成中的应用[J].机械制造与研究，2009，38（5）：29⁃30.
[6] 潘丹丹，孙文磊，赵群，等.基于UG的数控铣床数字化设计与仿真[J].机械工程与自动化，2012（1）：18⁃20.