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基于UG在手表模型的建模、加工、后处理的应用
一、绪论
UG是Unigraphics的简称，其是美国UGS公司（后被西门子收购）开发的集CAD/CAE/CAM于一体的高效紧密集成软件，被广泛应用于制造业的各个领域，如航空、航天、汽车、模具和精密机械等。近几年，中国的经济发展迅猛，制造业也发展迅速，对数控加工的需求呈现出高速、持续的增长趋势。
UG软件中有许多个模块，常用的分别是造型、钣金、外观设计、制图、运动仿真、高效仿真、加工、装配等，软件支持约束的参数化设计，零件某部份修改后，其它相关联的模块重新运算生成后不影响全局的设计过程，用户界面灵活。其由多个应用模块组成，使用这些模块，可以实现工程设计、绘图、装配、辅助制造和分析一体化。随着版本的不断更新和功能的不断补充，使其向专业化和智能化不断迈进，例如机械布管、电器布线、航空钣金、车辆设计等。
本文就手表模型的简单零件，对三维造型、加工方法及参数，修改UG内部的专用后置处理，生成加工程序实现在机床上真实的加工过程作简单阐述。本文中使用UG版本为4.0，现在最新版本为8.0，功能更加强大。
关键词：UG 造型 数控编程加工 后置处理 CAD/CAM
二、三维建模
1、零件图纸如下图：
图一：零件图纸
零件整体来说不是很复杂。三维造型的基本思路是：选定坐标平面后，画草图，进行
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约束，结束草图后进行草图的拉伸、旋转、扫掠等成型特征操作。其它部份依次进行，并进行布尔实体运算处理。当然，对于一些比较复杂的曲面，可通过一系列的曲面生成工具做出曲面，进行曲面加厚或曲面实体裁剪等生成实体。当然UG里也支持只生成曲面，并对曲面进行加工。
2、画草图
打开软件后，进入建模模块，选定XY平面后，将零件图主视图中大部份线条画出。由于UG支持全约束，在画草图中，可大概画出线条，再进行位置和尺寸等几何的约束，如图二：
3、进行图形的修剪及约束。
草图最好是做到图形的全约束，对后续修改有很大好处。约束分尺寸大小的约束及形状、位置的几何约束。如图三是已经修剪过的图形及约束好的草图：
系统设置为红色为已经约束，绿色为未约束，黄色为过约束。
4、实体创建及表盘曲面实体生成。
在画好的草图的基础上，运用草图拉伸形成基础座实体，再拉伸出表的本体部位，并做布尔加运算。表面外围的曲面和表盘中心的曲面在XY 面分别再作草图进行实体旋转除
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料。如上图四，图五、图六：
主体三维模型已经基本完成，后面是将工件尖角部位按图纸要求进行倒圆，隐藏草图后如图七。
三、加工
1、UG加工应用特点：
应用UG进行数控编程时，可以归纳为以下 8 个步骤。
第一步：加工零件的几何模型准备。UG数控编程的加工几何体对象，既可以是UG系统生成的，也可以是有任何其他 CAD 系统生成的。
第二步：加工工艺路线的制定，在实际开始加工环境的初始化之前，编程员要确定加工工件的材料、刀具的材料与参数、加工机床特征、工件的装夹等因素，制定适合生产标准的加工工艺和加工路线图。
第三步：加工环境的选择。UG为满足不同用户的需求提供了通用和专用的加工配置，选用不同的加工配置，将会决定能够使用什么样的模板来编写刀轨。
第四步：父级组的创建及其参数的设定。编程员可以在父级组中设置正确的机床坐标系和安全平面高度，以及工件余量、进给速率等公共参数，这些参数可以向下一级的组或操作传递，这样可以大大优化编程步骤，减少重复的任务，从而提高编程效率。
第五步：加工操作的创建及参数的设定。根据各个操作的用途，还有工件材料、刀具材料、 机床运动特征等因素， 选择合适的操作类型和切削方法，确定合理的切削深度、刀具进退刀移动、刀具转速和进给率等切削参数。
第六步：刀轨的产生与校核。由于数控加工设备价格昂贵、工件材料和刀具材料的成本相当高，为了避免因出错而带来的严重后果，通常在刀轨后处理成为 NC 程序前，都要对刀轨进行虚拟切削和过切检查。
第七步：刀轨的后处理。刀轨是由一系列的刀具定位点数据和机床命令组成，俗称内部刀具路径，机床无法直接读取刀轨数据并执行加工，因此，需要应用特定的后处理器，把刀轨翻译成为 NC 指令后，才能被机床和控制系统识别。
第八步：加工工艺卡的制作。现代加工对岗位分工越来越细，一般的，数控编程和操作机床不是由同一个人来完成的， 为有效进行沟通和通信，需要编写数控加工工艺卡。这个环节既可以有编程员手工制作，也可以由系统自动完成。
UG的加工能力也十分强大，其可分为2D加工（包含有2维平面铣削、挖槽铣削），3D加工（3维挖槽、平行曲面铣、等高铣、清根等），钻镗孔加工等，在每种加工方式中，又根据不同的加工方法细分为若干个。
加工主要分为粗加工、半精加工和精加工3个阶段，不同阶段其余量及加工公差的设
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置都是不同的，
加工所涉及的方式如下图八：
2、工艺分析：
针对该模型，按照先粗后精、先主后次，确定大致工艺思路如下：
(一) 、用直径Φ12立铣刀进行3D开粗，对工作所有部位进行粗加工。
(二) 、工件外轮廓最小半径为表带槽处，圆弧半径为R3，前面用Φ12刀粗加工时，有没有切到的残留，要用Φ5的小刀进行二次开粗，可用参考刀工具生成IPW进行。
(三) 、内轮廓最小半径为表盘根部，半径为R2，在半精铣时用SR2球刀，精铣时，刀具球半径不得大于2毫米，则选R1.5球刀。采用平行曲面铣中的区域驱动方式进行半精加工，用螺旋驱动方式进行精加工。
(四) 、表外周边凹部最小圆弧半径为R2.5，可选R2的球刀，用同上步骤的方式进行精加工。
(五) 、按加工先后，先平面，再侧面，后曲面。
(六) 、粗加工平面留0.2余量，侧面留0.25余量，半精加工留0.1－0.2余量。精加工余量为0。
由于UG在加工界面内的窗口及选择的项目很多，比如： 安全平面的参数设置 进刀、退刀参数设置 进刀和退刀点参数设置 切削层参数设置 边界设定参数设置 切削参数设置 刀路轨迹参数设置 进给率参数设置
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以上这些参数称之为公共参数，在每个程式中都会出现。一般的做法是尽量生成自己的专业模板，并包括一些加工方式、刀具、毛坯及坐标设定等信息，做另一个模型编程加工时，只有调用模板，重新设置加工方式及加工表面即可。
3、工艺清单：
以下就工艺清单及每个程式做说明。
加工程序单
编程员姓名 电脑编号 PC007 编程日期 20011-5 工件名称 手表模型 材 料 45 机床型号 V300(FAUNC) 加工数量 1 模拟加工时间 1.5h 工件加工定位图(指出工件坐标系位置、标注毛坯尺寸及编程原点在工件坐标系中的坐标) 对刀方式： 1、（X、Y）四面分钟为零 25 2、（X、Y）基准角取数为零 3、（Z轴）参考面取数为零 4、（Z轴）对顶为零 5、（Z轴）对底为零 6、（Z轴）对底偏置 尺寸：120×140×60 序号 1 程式名 ZC-3D 加工的刀具路径方式 刀号 类型 合金刀 刀 具 刀具直径 装夹长度 D12 30 加工余量 底0.2侧安全高度 15 顶面及型体开粗 4 0.25 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ZC-3D-QINGJIAO ZBJ-QUMIAN ZJ-2D-MIAN ZJ-2D-CE ZJ-LUOXIAN ZJ-UV-QUMIAN 工件坐标系 程序审核 操作员姓名 加工说明 日期:2011-5-20 二次开粗清角 2 白钢刀 白钢刀 白钢刀 白钢刀 白钢刀 白钢刀 加工起始点 审核日期 加工日期 20110530 0 D5 SR2 D12 D5 SR1.5 SR1.5 25 25 30 20 20 20 底0.2侧0.2 15 侧底0.2 侧0.8底0 侧0底0 余量0 余量0 图形总高 实际加工时间 15 15 15 15 15 25 曲面区域半精铣 13 精底面 精侧面 精表盘面 精表外曲面 G54 4 2 15 13 虎钳装夹，工件凸出>25MM，直接用刀分中对刀 备注 工序清单中，序号1、2为粗加工，序号3为半精加工，4、5、6、7为精加工。各部份所留余量见工艺清单中余量一栏的值。
4、3D粗加工
在自动编程加工中，一般的原则是能用2D就不用3D加工。但此零件平面较少，大部份是曲面，比较适合于3D开粗加工。在加工前，要先设置毛坯，确定工件坐标系零点，
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确定安全高度，部份参数选择如下图九：
生成的刀轨如下图十：
蓝色线条为刀路。
5、二次开粗清角。
由于第一把刀直径较大，工件表面有残留，若不清理，则在后续加工时会产生余量突然增大而弹刀、打刀现象。UG里支持参考刀，也即假想一把大刀铣后的模型拿过来作为二
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次开粗的模型，以减少无效的刀路，提高效率。此处选择的是直径16的立铣刀为参考刀。
主要参数见图十一，生成的刀路图见图十二。
6、半精曲面加工。
加工前要选定好加工的曲面部份，如下图图十三：
曲面粗加工刀路图如图十四：
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7、平面的精铣及侧面的精铣，
如下图图十五、图十六：
在精铣侧面时，由于刀具直径较小，深度方向用两次铣削。
8、精铣表盘表面部份。
固定轴轮廓加工中，先由驱动几何体产生驱动点，并按投影方向投影到部件几何体 上，得到投影点，刀具在该点处与部件几何体接触，故又称为接触点，然后系统根据接 触点位置的表面曲率半径、刀具半径等因素，计算得到刀具定位点。最后，当刀具在部件几何体表面从一个接触点移动到下一个接触点，如此重复，就形成了刀轨这就是固 定轴轮廓加工刀轨产生的原理。 根据固定轴轮廓加工刀轨的产生原理，固定轴轮廓加工的刀轨很大程度上取决于由 驱动几何体产生的驱动点和投影方式，用户应该根据工件的特点和工艺要求，选择合理 的驱动方法。 固定轴轮廓加工时，刀具始终接触工件表面，因此，固定轴轮廓加工操作仅适合于 半精加工和精加工。，如下图图十七：
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9、
精铣表盘外曲面，如下图图十八：
由于精铣时用的小直径球刀，步进值应给定很小才能保证已加工表面的表面光洁程度。参数如图十九。
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10、程式表及加工效果
整个加工程式列表如下图二十：
用UG自带的仿真切削进行验证。目的是初步检验刀路中有无过切及刀具干涉现象。如上图图二十一：
图中着色面表面每个刀路所加工的部位，若有鲜红色则表示工件在加工中存在过切，应该对刀路进行参数修改防止过切及干涉的发生。
四、后置处理部份
后处理器是用来正确格式化刀轨使其能被特定类型的机床和控制器读取和执行的一个程序。UG提供简单的后置处理模块，用户可根据自己现有的设备及性能、参数修改来生成自己的后处理，生成机床能正确执行的G代码程序。一般用户在反复修改、调整，最终做成专用的后置处理模块，在出程序清单时直接调用即可。
使用机床为FANUC0i-mc的三轴立式加工中心。在机床换刀时必须Z轴先回参考点，系统由程序指定选刀后，由机械手换刀。程序指令中M06没有进行指令的重新编写，仅刀具交换功能。因此，在后置处理中，增加了取消上把刀的长度补偿、Z轴回参考点、刀具交换、加载新刀长度补偿等功能，同时由于在系统提供的FANUC-16M机床控制器的基础上编写的后处理，个别G代码存在定义不同的问题，也一并作了修改，并加注了程式名、刀具及加工时间等信息。
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生成的G代码程序截取如下：
o1222
(date is :Tue May 31 12:53:00 2011） G40 G17 G90 G54 G49 G80 G21
G49 G00 Z100. M09 G91 G28 Z0.0 T04 T04 M06
(ToolName=D12 D=12.00 R=0.00 F=40.00 L=75.00) M01 G90 T02
G43 Z20. H04
G01 X-53.05 Y0.0 Z10. F3000. S1500 D04 M03 M08 Z1.5 ......
G01 Z10. F3000. G49 G00 Z100. M09 G91 G28 Z0.0 T02 M06
(ToolName=D5 D=5.00 R=0.00 F=50.00 L=75.00) M01 G90 T13
G43 Z20. H02
G01 X9.355 Y-22.92 Z10. F3000. S1500 D02 M03 M08 Z-4.3 ...... Z10.
G49 G00 Z100. M09 G91 G28 Z0.0 T13 M06
(ToolName=D4R2 D=4.00 R=2.00 F=8.00 L=50.00) M01 G90 T04
G43 Z20. H13
G01 X-25.285 Y-51.175 Z3.9 F3000. S2000 D13 M03 M08 Z-3.535 ...... Z3.9
G49 G00 Z100. M09 G91 G28 Z0.0
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T04 M06
(ToolName=D12 D=12.00 R=0.00 F=40.00 L=75.00) M01 G90 T02
G43 Z20. H04
G01 X-42.74 Y-8.09 Z15. F3000. S1000 D04 M03 M08 Z1. ......
G01 Z15. F3000. G49 G00 Z100. M09 G91 G28 Z0.0 T02 M06
(ToolName=D5 D=5.00 R=0.00 F=50.00 L=75.00) M01 G90 T15
G43 Z20. H02
G01 X-47.205 Y-5.27 Z10. F3000. S2000 D02 M03 M08 Z-4.5 ...... ......
Z-2.68 F3000. Z3.
G49 G00 Z100. M09 M05
G28 G91 Z0.0 G91 G28 Y0.0 G40 G49 G80 G90 M30
;（All of cutting time :79.1 MIN ;date is :Tue May 31 12:53:00 2011）
此程序已经在真实的加工中心机床上进行切削过，由于程序较大，用cimco edit 4的专用数控传输软件传输入机床，在加工之前，按程序中的刀具尺寸装好铣刀至装入刀库，在加工之前，对每把刀长度进行仔细对刀，得到长度补偿值，并填写至系统对应的位置，对刀确定工件坐标系后再加工。
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五、总结
UG系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。
UG采用复合建模技术，融合了实体建模、曲面建模和参数化建模等多方面的技术，摒弃了传统建模设计意图传递与参数化建模严重依赖草图，以及生成和编辑方法单一的缺陷。用户可根据自身需要和习惯选择适合自身的建模方法。
该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。
作为机械类的学员，面向现代化的制造行业，不仅要有一定的专业基础知识，熟练掌握一种或多种中高端的专业设计软件，还要有一定的现场加工经验以及丰富的工艺编制及分析处理能力。加工设计理论已经不拘泥于系统的理论基础，开始强调产品尺寸精度，工艺严格性，数控编程及操作的创新精神和实践能力。只有掌握了科学研究的基本方法和思路，才能为今后的工作打下了基础。
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六、参考文献
[1]丛娟.（2007/8） 数控加工工艺与编程 第一版 北京 机械工业出版社。 [2]张绪祥.王军（2007/8）机械制造工艺 北京 高等教育出版社。
[3]陈栩雪.(2007/4)中文UnigraphicsNX5.0应用基础与实例教程 北京冶金工业出版社
[4]袁峰.(2005/5) UG NX2/3 实例教程 北京 北京大学出版社. [5]李雄. NX5.0 数控编程精解与实例 电子工业出版社
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