UG/NX在CAD/CAM技術中的研究與應用

一、概述

現代機械製造業中,模具工業已成為國民經濟中的基礎工業,許多新產品的開發和生產,在很大程度上依賴於模具製造技術,特別是在汽車、輕工、電子和航天等行業中尤顯重要。模具製造能力的強弱和模具製造水平的高低,已經成為衡量一個國家機械製造技術水平的重要標誌之一,直接影響著國民經濟中許多部門的發展。模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分別發展的基礎上發展起來的,它是計算機技術在模具生產中綜合應用的一個新的飛躍。CAD/CAM技術的迅猛發展,軟體、硬體水平的進一步完善,為模具工業提供了強有力的技術支持,為企業的產品設計、製造和生產水平的發展帶來了質的飛躍,已經成為現代企業信息化、集成化、網路化的最優選擇。

CAD即計算機輔助設計(Computer Aided Design)利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作 ，簡稱CAD。 在工程和產品設計中，計算機可以幫助設計人員擔負計算、信息存儲和製圖等項工作。一般認為CAD系統的功能包括：草圖設計；零件設計；複雜曲面設計；工程圖繪製；工程分析；真實感及渲染；數據交換介面等。

CAM即計算機輔助製造(Computer Aided Manufacturing)，其核心是計算機數值控制（簡稱數控），是將計算機應用於製造生產過程的過程或系統。廣義CAM一般是指利用計算機輔助完成從生產準備到產品製造整個過程的活動，包括工藝過程設計、工裝設計、NC自動編程、生產作業計劃、生產控制、質量控制等，俠義CAM通常是指NC程序編製，包括刀具路徑規劃、刀位文件生成、刀具軌跡模擬及NC代碼生成等。

CAD/CAM技術是先進位造技術的重要組成部分，它的發展和應用使傳統的產品設計、製造內容和工作方式等都發生了根本性的變化。CAD/CAM技術已成為衡量一個國家科技現代化和工業現代化水平的重要標誌之一。

二、CAD/CAM系統

CAD/CAM系統是實現CAD/CAM技術的操作平台，CAD/CAM系統是由一系列的硬體和軟體組成。硬體注意是指計算機及各種配套設備，如各種檔次的計算機、印表機、繪圖機等，軟體一般包括系統軟體、支撐軟體和應用軟體等。計算機的硬體為系統工作提供了物質基礎，而系統的功能的實現是由系統中的軟體運行來完成的，從某種程度上講，高性能的軟體價格往往高於系統硬體的價格。

CAD/CAM下的支撐軟體都已商品化，由專門的軟體公司開發。因此本課程的學習主要是以軟體的學習為主，以西門子公司下的UG為主，UG是Unigraphics的縮寫，這是一個互動式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助製造)系統，它功能強大，可以輕鬆實現各種複雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基於工作站，但隨著PC硬體的發展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，已經成為模具行業三維設計的一個主流應用。UG實現的功能主要有：工業設計；產品設計：模擬、確認和優化；NC加工；模具設計；開發解決方案。

下面就UGNX9.0版本中的建模、運動模擬、加工等功能模塊進行總結。

三、建模

建模技術是CAD/CAM的核心技術，也是計算機能夠輔助人類從事設計、製造活動的根本原因。沒有可用的模型就沒有後續的模擬分析、加工等相關模塊的實現。目前主要的建模方法有幾何建模和特徵建模兩種。幾何建模是基於幾何信息、拓撲信息建立的，是CAD/CAM最早的設計方法；特徵建模除了包含幾何信息之外還包括非幾何信息，如材料信息、尺寸、形狀公差信息、熱處理及表面粗糙度等信息。因此特徵建模技術被譽為CAD/CAM發展的里程碑。

下面就一個具體的葉輪實例簡單闡述特徵建模方法。

1、首先建立迴轉特徵，通過草圖繪製輪廓線，建立如圖3-1模型。

2、通過建立抽取面，選取YZ平面為分界面，並以YZ面為參考面建立如圖3-2樣條曲線。

3、通過修建片體命令建立圖3-3所示特徵

4、以XZ平面為參考平面建立藝術樣條，並建立旋轉特徵，角度範圍為180度，如圖3-4所示。

5、建立樣條曲線，將其投影到旋轉曲面上，並修剪片體，如圖3-5所示。

6、重複步驟5，得到如圖3-6所示。

7、建立網格曲面特徵，繪製上下左右四個曲面，如圖3-7所示。

8、最後通過生成陣列特徵，求和功能即可得到葉輪模型，如圖3-8所示。

圖3-1圖3-2圖3-3

圖3-4圖3-5圖3-6

圖3-7圖3-8

通過以上實例的建模，總結建模思路：建立合適坐標系，選擇基準；繪製草圖；建立所需要的特徵；利用布爾運算得到最終模型；後期處理，包括渲染、爆炸圖等。

四、運動模擬

UG NX運動模擬是在初步設計、建模、組裝完成的機構模型的基礎上，添加一些列的機構鏈接和驅動，使機構連接進行運轉，從而模擬機構的實際運動，分析機構的運動規律，研究機構靜止或運行時的受力情況，最後根據分析和研究的數據結構模型提出改進和進一步設計的過程。

下面，以一個裝配好的風扇模型進行運動模擬過程，實現的功能是葉片旋轉，風扇頭搖擺兩個基本的動作，具體思路如下。

首先分析幾個運動的主要部件，確定運動和靜止的部件，從而選擇合適的連桿和運動副。

其次，對於靜止的部件作為一個整體建立一個連桿，需要運動的部件作為一個連桿，為其添加合適的運動副以及正確的驅動類型和驅動參數。

實現步驟如下：

1、將底座、旋鈕、螺釘作為一個連桿1，如圖4-1所示

2、連接槽、電機罩、前罩、後罩、按鈕作為一個連桿2，如圖4-2所示

3、葉片作為一個連桿3，如圖4-3所示

4、將連桿1作為固定連桿，並將其作為連桿2的咬合連桿，兩者選擇旋轉副，設定驅動類型為簡諧運動並設置合適的驅動參數。

5、將連桿2和連桿3設置為旋轉副，連桿3作為咬合連桿，設置驅動類型為簡諧運動並設置合適的驅動參數。

6、創建結算方案並求解，輸齣動畫即可。

圖4-1圖4-2圖4-3

五、數控加工

數控技術是發展數控機床和先進位造技術的最關鍵技術，是製造業實現自動化、柔性化、集成化的基礎。應用數控技術是提高製造業的產品質量和勞動生產率必不可少的重要手段。而數控機床作為數控技術實施的重要裝備，成為提高加工產品質量、提高加工效率的有效保證和關鍵。

UG加工環境是指系統彈出UG加工模塊後進行編程操作的軟體環境，在該環境中可以實現平面銑、型腔銑、固定軸曲面輪廓銑、多軸銑等不同的加工類型，並且提供了創建數控加工工藝、創建數控加工程序和車間工藝文件的完整的過程和工具，可以自動創建數控程序、檢查、模擬等。一般的設計流程圖如下所示。

圖5-1 UG CAM設計流程圖

同樣下面以一個具體的實例進行介紹，具體過程如下。

最終要加工完成的部件如圖5-2所示。

1、用型腔銑進行粗加工，選用D25的牛鼻刀，將加工坐標系移到零件最高點，選擇所要加工的部件，指定切削區域，並修改切削參數以及進給速度等。然後生成的刀路如圖5-3所示，粗加工後如圖5-4所示。

2、半精加工，半精加工可以切削到一些小拐角、狹窄區域。選用D16 R0.8的牛鼻刀，操作步驟跟第一步差不多，主要修改刀具參數和進給速度。另外需要注意的是就是選擇部件的時候要選擇IPW文件，以繼承上一步粗加工的部件繼續加工。生成的刀路和加工後的零件如圖5-5、圖5-6所示。

3、精加工，採用D10 R5的球刀，可滿足大部分區域的精加工要求。選用固定軸輪廓銑的加工方式，其他參數設置同上。精加工的道路軌跡以及加工後的效果如圖5-7、圖5-8所示。

4、清角處理，即去除加工剩餘的殘料。經過精加工後仍有球刀加工不到的尖角部位，需要經過本操作完成。本操作選用D6平銑刀對模型的兩個定位角加工。至於其它更小的尖角可以通過電蝕的方法加工。本工序選用深度加工輪廓銑加工方式進行清角加工，加工的刀路及模型效果如圖5-9、圖5-10所示。

圖5-2圖5-3圖5-4

圖5-5圖5-6圖5-7

圖5-8圖5-9圖5-10

通過以上操作，總結數控加工工藝，如果要制定詳細的數控加工工藝，需要從以下幾個方面入手。

1、加工方案的確定，根據零件的外形及加工深度等選用合適的數控加工機床。

2、裝夾工件要選擇合適的工裝夾具。

3、選擇合理的加工工藝模塊以及合理的加工刀路。

4、選用合理的刀具以及切削量。

六、總結

綜觀先進位造技術的發展，可以看到，未來的製造是基於集成化和智能化的敏捷製造和「全球化」、「網路化」製造，未來的產品是基於信息和知識的產品。CAD/CAM技術是當前科技領域的前沿課題，它的發展和應用使傳統的產品設計方法與生產模式發生了深刻的變化，從而帶動製造業技術的快速發展，並將產生巨大的社會經濟效益。

參考文獻

[1]寧汝新.CAD/CAM技術.北京:機械工業出版社,2004

[2]馮辛安.CAD/CAM技術概論.北京:機械工業出版社,1995

[3]陳桂山、賈廣浩、李明新.UG NX8.5數控加工入門與提高.北京:機械工業出版社 2014

[4]鍾日銘等.UG NX 8.5入門範例與精通.北京:機械工業出版社,2013

關鍵詞：CAD/CAM，建模，運動模擬，數控加工

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