论文浅析UG中的建模、仿真、加工等功能模块

UG NX在CAD/CAM技术中的研究与应用一、概述
现代机械制造业中,模具工业已成为国民经济中的基础工业,许多新产品的开发和生产,在很大程度上依赖于模具制造技术,特别是在汽车、轻工、电子和航天等行业中尤显重要。

模具制造能力的强弱和模具制造水平的高低,已经成为衡量一个国家机械制造技术水平的重要标志之一,直接影响着国民经济中许多部门的发展。

模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上发展起来的,它是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。

CAD/CAM技术的迅猛发展,软件、硬件水平的进一步完善,为模具工业提供了强有力的技术支持,为企业的产品设计、制造和生产水平的发展带来了质的飞跃,已经成为现代企业信息化、集成化、网络化的最优选择。

CAD即计算机辅助设计(Computer Aided Design) 利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。

在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。

一般认为CAD系统的功能包括：草图设计；零件设计；复杂曲面设计；工程图绘制；工程分析；真实感及渲染；数据交换接口等。

CAM即计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing)，其核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。

广义CAM一般是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等，侠义CAM通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。

CAD/CAM技术是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。

CAD/CAM技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。

二、CAD/CAM系统
CAD/CAM系统是实现CAD/CAM技术的操作平台，CAD/CAM系统是由一系列的硬件和软件组成。

硬件注意是指计算机及各种配套设备，如各种档次的计算机、打印机、绘图机等，软件一般包括系统软件、支撑软件和应用软件等。

计算机的硬件为系统工作提供了物质基础，而系统的功能的实现是由系统中的软件运行来完成的，从某种程度上讲，高性能的软件价格往往高于系统硬件的价格。

CAD/CAM下的支撑软件都已商品化，由专门的软件公司开发。

因此本课程的学习主要是以软件的学习为主，以西门子公司下的UG为主，UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。

它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。

UG实现的功能主要有：工业设计；产品设计：仿真、确认和优化；NC加工；模具设计；开发解决方案。

下面就UG NX9.0版本中的建模、运动仿真、加工等功能模块进行总结。

三、建模
建模技术是CAD/CAM的核心技术，也是计算机能够辅助人类从事设计、制造活动的根本原因。

没有可用的模型就没有后续的仿真分析、加工等相关模块的实现。

目前主要的建模方法有几何建模和特征建模两种。

几何建模是基于几何信息、拓扑信息建立的，是CAD/CAM最早的设计方法；特征建模除了包含几何信息之外还包括非几何信息，如材料信
息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度等信息。

因此特征建模技术被誉为CAD/CAM 发展的里程碑。

下面就一个具体的叶轮实例简单阐述特征建模方法。

1、首先建立回转特征，通过草图绘制轮廓线，建立如图3-1模型。

2、通过建立抽取面，选取YZ平面为分界面，并以YZ面为参考面建立如图3-2样条曲线。

3、通过修建片体命令建立图3-3所示特征
4、以XZ平面为参考平面建立艺术样条，并建立旋转特征，角度范围为180度，如图3-4所示。

5、建立样条曲线，将其投影到旋转曲面上，并修剪片体，如图3-5所示。

6、重复步骤5，得到如图3-6所示。

7、建立网格曲面特征，绘制上下左右四个曲面，如图3-7所示。

8、最后通过生成阵列特征，求和功能即可得到叶轮模型，如图3-8所示。

图3-1 图3-2 图3-3
图3-4 图3-5 图3-6
图3-7 图3-8
通过以上实例的建模，总结建模思路：建立合适坐标系，选择基准；绘制草图；建立所需要的特征；利用布尔运算得到最终模型；后期处理，包括渲染、爆炸图等。

四、运动仿真
UG NX运动仿真是在初步设计、建模、组装完成的机构模型的基础上，添加一些列的机构链接和驱动，使机构连接进行运转，从而模拟机构的实际运动，分析机构的运动规律，研究机构静止或运行时的受力情况，最后根据分析和研究的数据结构模型提出改进和进一步设计的过程。

下面，以一个装配好的风扇模型进行运动仿真过程，实现的功能是叶片旋转，风扇头摇摆两个基本的动作，具体思路如下。

首先分析几个运动的主要部件，确定运动和静止的部件，从而选择合适的连杆和运动副。

其次，对于静止的部件作为一个整体建立一个连杆，需要运动的部件作为一个连杆，为其添加合适的运动副以及正确的驱动类型和驱动参数。

实现步骤如下：
1、将底座、旋钮、螺钉作为一个连杆1，如图4-1所示
2、连接槽、电机罩、前罩、后罩、按钮作为一个连杆2，如图4-2所示
3、叶片作为一个连杆3，如图4-3所示
4、将连杆1作为固定连杆，并将其作为连杆2的咬合连杆，两者选择旋转副，设定驱动类型为简谐运动并设置合适的驱动参数。

5、将连杆2和连杆3设置为旋转副，连杆3作为咬合连杆，设置驱动类型为简谐运动并设置合适的驱动参数。

6、创建结算方案并求解，输出动画即可。

图4-1 图4-2 图4-3
五、数控加工
数控技术是发展数控机床和先进制造技术的最关键技术，是制造业实现自动化、柔性化、集成化的基础。

应用数控技术是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。

而数控机床作为数控技术实施的重要装备，成为提高加工产品质量、提高加工效率的有效保证和关键。

UG加工环境是指系统弹出UG加工模块后进行编程操作的软件环境，在该环境中可以实现平面铣、型腔铣、固定轴曲面轮廓铣、多轴铣等不同的加工类型，并且提供了创建数控加工工艺、创建数控加工程序和车间工艺文件的完整的过程和工具，可以自动创建数控程序、检查、仿真等。

一般的设计流程图如下所示。

图5-1 UG CAM设计流程图
同样下面以一个具体的实例进行介绍，具体过程如下。

最终要加工完成的部件如图5-2所示。

1、用型腔铣进行粗加工，选用D25的牛鼻刀，将加工坐标系移到零件最高点，选择所要加工的部件，指定切削区域，并修改切削参数以及进给速度等。

然后生成的刀路如图5-3所示，粗加工后如图5-4所示。

2、半精加工，半精加工可以切削到一些小拐角、狭窄区域。

选用D16 R0.8的牛鼻刀，操作步骤跟第一步差不多，主要修改刀具参数和进给速度。

另外需要注意的是就是选择部件的时候要选择IPW文件，以继承上一步粗加工的部件继续加工。

生成的刀路和加工后的零件如图5-5、图5-6所示。

3、精加工，采用D10 R5的球刀，可满足大部分区域的精加工要求。

选用固定轴轮廓铣的加工方式，其他参数设置同上。

精加工的道路轨迹以及加工后的效果如图5-7、图5-8所示。

4、清角处理，即去除加工剩余的残料。

经过精加工后仍有球刀加工不到的尖角部位，需要经过本操作完成。

本操作选用D6平铣刀对模型的两个定位角加工。

至于其它更小的尖角可以通过电蚀的方法加工。

本工序选用深度加工轮廓铣加工方式进行清角加工，加工的刀路及模型效果如图5-9、图5-10所示。

图5-2 图5-3 图5-4
图5-5 图5-6 图5-7
图5-8 图5-9 图5-10
通过以上操作，总结数控加工工艺，如果要制定详细的数控加工工艺，需要从以下几个方面入手。

1、加工方案的确定，根据零件的外形及加工深度等选用合适的数控加工机床。

2、装夹工件要选择合适的工装夹具。

3、选择合理的加工工艺模块以及合理的加工刀路。

4、选用合理的刀具以及切削量。

六、总结
综观先进制造技术的发展，可以看到，未来的制造是基于集成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“网络化”制造，未来的产品是基于信息和知识的产品。

CAD/CAM技术是当前科技领域的前沿课题，它的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，从而带动制造业技术的快速发展，并将产生巨大的社会经济效益。

参考文献
[1] 宁汝新.CAD/CAM技术.北京:机械工业出版社,2004
[2] 冯辛安.CAD/CAM技术概论.北京:机械工业出版社,1995
[3] 陈桂山、贾广浩、李明新.UG NX8.5数控加工入门与提高.北京:机械工业出版社 2014
[4] 钟日铭等. UG NX 8.5入门范例与精通.北京:机械工业出版社,2013
关键词：CAD/CAM，建模，运动仿真，数控加工。