1、13第1章 UG NX5基本操作及加工基礎第1章 UG NX5基本操作及加工基礎UGS（Unigraphics Solutions）是全球發展最快的機械CAX（即CAD、CAE、CAM等的總稱）公司之一。它的產品Unigraphics（簡稱UG）軟件是當前世界上最先進和最緊密集成的、面向制造業的CAX高端軟件，是知識驅動自動化技術領域中的領先者。它實現了設計優化技術與基于產品和過程的知識工程的組合。UG軟件能夠為各種規模的企業提供可測量的價值；能夠使企業產品更快地提供給市場；能夠使復雜的產品設計與分析簡單化；能夠有效地降低企業的生產成本并增加企業的市場競爭實力。正是由于該軟件的高度集成化和優越

2、的性能，使之成為目前世界上最優秀公司廣泛使用的軟件，這些公司包括波音飛機、通用汽車、普惠發動機、飛利浦、松下、精工和愛立信等。UG成為日本主要的汽車配件生產商Denso的標準，其占有90%的俄羅斯航空市場和80%的北美發動機市場。美國航天航空界已安裝了10000多套UG，在世界各國航天航空界享有極高的地位。UG軟件目前也普及到機械、醫療設備和電子等行業，并發揮著越來越顯著的作用。UG NX5是2007年UG公司在UG NX4基礎上推出的新一版本的更強大的CAD/CAM/CAE軟件。其中界面修改比較多，參數整合較先前的版本都有質的提高。每個彈出窗口更人性化，書寫編輯自由度更強。在UG NX5加工

3、應用環境中，系統在交互式操作界面下提供多種類型的加工方法，可用于各種表面形狀零件的粗加工、半精加工和精加工。每個加工類型又包括多種加工模塊。在其可視化功能下，用戶可以在3D、2D下實現對刀具的運動路徑及其真實加工過程的模擬，同時檢驗工件、刀具、刀柄之間的碰撞、過切等。如果在CAM環境中運行，可以對特定的機床及其控制器進行監控，對機床、工件、刀具、刀柄、工件、夾具、機床的相互碰撞進行檢查，防止過切削、欠切削問題的發生。同時可以檢查殘留材料，并生成刀位文件。UG NX5不僅提供了默認的加工環境，用戶還可以設置自己的加工環境。定制編程環境是指UG/CAM的編程環境在一定程度上可以由用戶定制的，可以根

4、據自己的工作需要定制編程環境，排除與自己的工作不相關的功能。這樣可以簡化編程環境，使編程環境最符合自己的需要，減少過于復雜的編程界面帶來的精神壓力，有利于提高工作效率。通過在默認加工環境中創建并生成自己的加工環境，在以后的工作中可以繼承已有參數，避免重復勞動，提高操作效率。UG NX5的操作導航器提供用戶觀察和管理操作、幾何、加工方法和刀具之間的關系。UG NX5的加工模塊中幾乎都提供驅動方法、走刀方式、刀軸方向和投影矢量，可以根據部件表面輪廓選擇最佳的切削路徑和切削方法。UG NX5還提供控制點、進刀/退刀、避讓以及切削等方法來設置加工過程。本章主要介紹UG NX5的CAM模塊。針

5、對銑加工編程的基礎知識，讓讀者對UG CAM有一個初步的認識。本書面對的主要是3軸以上的加工，尤其是后面章節主要針對多軸加工，因此本章使用很大部分的篇幅對多軸加工基本知識進行描述。【本章要點】l UG NX5多軸加工的基本知識l UG NX5數控加工的基本流程l 程序、刀具、幾何體和方法的父節點的創建l 節點和樹的數據繼承與共享l 程序節點及操作狀態標記l 內容查找及過濾l CAM參數的復制、粘貼、刪除l CAM加工中的基本知識l CAM的通用功能1.1 UG NX5多軸加工概述隨著CAD、CAM等技術不斷發展和日趨完善，它們在各個領域得到了極其廣泛的應用。其中Unigraphics軟件是應用

6、這一技術比較成功的軟件之一，它起源于美國麥道飛機公司，以CAD/CAM/CAE一體化而著稱，目前已廣泛應用于航空航天、汽車、通用機械等領域。其CAM模塊尤其出色，在同類軟件中處于絕對領先地位。該模塊提供了一種交互式編程工具，可計算生成精確可靠的刀具加工軌跡，是一個功能強大的計算機輔助制造模塊。目前，這一技術已成功應用于模具及零件的制造過程，為企業帶來了極高的加工質量及可觀的經濟效益。隨著機床等基礎制造技術的發展，多軸機床在生產制造過程中的使用越來越廣泛。尤其是針對某些復雜曲面或者精度非常高的機械產品，加工中心的大面積覆蓋將多軸的加工推廣得越來越普遍。在國防工業系統中，比較前沿的多軸加工中心一直

7、處在發達國家的技術壁壘的控制下。但是隨著我國工業技術的飛速發展，如今中國已經成為全世界舉足輕重的制造業大國，具備了對高精、高速、高效的加工技術制造和創新能力。可以推斷，中國在多軸加工技術上一定會走在世界的前沿。現代制造業所面對的經常是具有復雜型腔的高精度模具制造和復雜型面產品的外型加工，其共同特點是以復雜三維型面為結構主體，整體結構緊湊，制造精度要求高，加工成型難度極大。筆者通過近幾年對UG軟件的應用摸索，針對上述制造過程中普遍存在的技術難點，將傳統工藝方案中適用現代數控加工的精華部分溶入UG/ CAM的應用過程，總結出一套適用于各類復雜型面的數控加工編程方法。這就是UG NX5在CAM模塊中

8、最誘人的優勢。1.1.1 多軸加工基本知識在UG NX5中，多軸加工主要是指可變軸曲面輪廓銑和順序銑。兩者針對的待加工的復雜曲面具有不同點，加工方法類型具有很大的區別。UG多軸加工主要通過控制刀具軸矢量、投影方向和驅動方法來生成加工軌跡。加工關鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化，或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削加工來完成。多軸加工主要用于半精加工或精加工曲面輪廓銑削，其加工區域由選擇的表面輪廓組成，并且提供了多種驅動方法和走刀方式。因此多軸加工可以對不同的部件輪廓曲面選擇最佳的切削路徑和切削方法，進而滿足各種復雜型面的加工要求。1刀具軸矢量控

9、制方式刀軸是一個矢量，它的方向從刀尖指向刀柄，可以定義固定的刀軸，相對也能定義可變的刀軸。固定的刀軸和指定的矢量始終保持平行，固定軸曲面銑削的刀軸就是固定的，而可變刀軸在切削加工中會發生變化。刀具軸的選項如圖1-1、圖1-2所示，基本概括如下，在后面章節將多次應用。l 點和線刀具軸（Point and Tool Axis）：用遠離點、線或朝向點、線的方法定義刀具軸。l 法向刀具軸（Normal Tool Axis）：保持刀具軸在每一個接觸點上總是垂直于零件幾何體、驅動幾何體或旋轉四軸。l 相對刀具軸（Relation Tool Axis）：保持刀具軸在每一個接觸點上總是垂直于零件幾何體、驅動體

10、或旋轉四軸，并用于給刀具軸定義引導角和傾角。l 直紋面驅動刀具軸（Swarf Drive Tool Axis）：保持刀具軸平行于驅動幾何體（使用時，驅動幾何體引導刀具側刃，零件幾何體引導刀具底部）。l 插補刀具軸（Interpolated Tool Axis）：可以通過在指定的點定義矢量方向來控制刀具軸。  圖1-1 圖1-22投影矢量投影矢量是指用于指定驅動點投影到零件幾何上以及零件與刀具接觸的一側。一般情況下，驅動點沿投影矢量方向投影到零件幾何上，生成投影點。有時當驅動點重驅動曲面向部件表面投影時，可能會沿著投影矢量的相反方向投影，但無論如何投影，刀具總是能沿投影矢量與部件表面的

11、一側接觸。系統提供了多種指定投影矢量的方法，如刀軸、兩點、遠離點、遠離直線等，而可以選用的投影矢量方法卻取決于驅動方式。投影矢量的下拉菜單選項如圖1-3所示，在后面章節將說明。3驅動方法驅動方法用于定義創建刀具路徑的驅動點。UG NX5在曲面加工中提供多種類型的驅動方法。其區別于UG NX4.0的還是在于將這些驅動方式的整合，并在操作對話框里出現。其中有些驅動方法允許曲線創建驅動點集，而另外的一些驅動方法則允許在一個區域中創建點陣列，實際就是將驅動方法歸納為邊界驅動和區域驅動兩大類。驅動方式選擇下拉菜單如圖1-4所示。 圖1-3 圖1-4如果沒有創建部件幾何體，則系統會直接在驅動幾何體上創建刀

12、具路徑，否則沿指定投影矢量將驅動點投影到部件表面上以創建刀具路徑。4可變軸曲面輪廓銑（VARIABLE_CONTOUR）可變軸曲面輪廓銑是相對固定軸加工而言的，指在加工過程中刀軸的軸線方向是可變的。即可隨著加工表面的法線方向不同而相應改變，從而改善加工過程中刀具的受力情況，放寬對加工表面復雜性的限制，使得原來用固定軸曲面加工時為陡峭的表面變成非陡峭表面而一次加工完成。可變軸曲面輪廓銑的驅動方法包括邊界驅動、曲面區域驅動、螺旋線驅動、曲線/點驅動、刀具軌跡驅動和徑向切削驅動。這些驅動方式的定義與固定軸曲面銑一致。需要注意的是，可變軸曲面輪廓銑沒有區域驅動與清根切削驅動，而UG NX5將經常使用的

13、曲面區域驅動和邊界驅動作為主要驅動方式在菜單中顯示。讀者可以在后面實例章節上感受到這點。這一點相對以前的版本有所不同。5順序銑（SEQUENTIAL_MILL）順序銑是利用部件表面控制刀具底部，驅動面控制刀具側刃，檢查面控制刀具停止位置的加工形式。刀具在切削過程中，側刃沿著驅動面運動且保證底部與部件面相切，直至刀具接觸到檢查面。該操作適合切削有角度的側壁，如圖1-5所示。一個順序銑操作有4種類型子操作組成，分別是：點到點運動、進刀運動、連續軌跡運動和退刀運動。另外，實體模型的建立是以工作坐標系為基礎，而多軸數控加工刀位源文件的生成則是以加工坐標系為基礎。加工坐標系的坐標原點位置應便于加工者快速

14、準確對刀，同時方便加工過程中需要進行的尺寸計算。確定加工坐標軸方向時應考慮被加工產品在數控機床上的裝夾擺放情況，避免打刀。圖1-5在多軸數控加工時，特別是銑削加工時，為減少接刀痕跡，保證輪廓表面質量，銑刀切入工件時，應避免沿零件外廓的法向切入，而應沿外廓曲線延長線的切向切入，以保證零件曲線平滑過渡。在切離工件時，也應避免在工件輪廓處直接退刀，而應沿零件輪廓延長線的切向逐漸切離工件。另外，為提高銑削加工質量，精加工時應盡量采用順銑。6可變軸曲面輪廓銑和順序銑的比較可變軸曲面輪廓銑與順序銑都要指定驅動、部件和檢查面。總體上來說，驅動幾何體引導刀具的側刃，部件幾何體引導刀具的底部，檢查幾何體阻止刀具

15、的運動。在可變軸曲面輪廓銑與順序銑中，指定部件和檢查幾何體非常類似。l 部件幾何體可變軸曲面輪廓銑并不總是需要指定部件幾何體的。如果不指定，那么驅動幾何體就是部件幾何體。而順序銑需要指定部件幾何體，默認選擇是前一個部件幾何體。l 驅動幾何體在可變軸曲面輪廓銑中的驅動幾何體用來生成投影刀部件幾何體上的驅動點。可變軸曲面輪廓銑可以使用不包容在模型中的幾何體。這種“外部”的幾何體根據選擇的驅動方法不同，可以是點、曲線、邊界等。順序銑中的驅動幾何體用來控制刀具的側刃，而不需要生成投影驅動點。通常，選擇部件模型的側壁作為驅動幾何體，使得當刀具在部件上切削時，刀具側刃與部件側壁保持接觸。l 檢查幾何體可變

16、軸曲面輪廓銑不需要檢查幾何體。如果指定了檢查幾何體，則其一般是用來阻止碰撞和過切的。順序銑需要選擇檢查幾何體。檢查幾何體是用來指定刀具下一步子操作的起始位置，并且也能阻止碰撞和過切。其實選擇可變軸曲面輪廓銑還是順序銑的兩種方法，比較關鍵是哪種方式能夠生成最佳刀軌。這依賴于部件的模型，判斷部件模型是否具有只能使用可變軸曲面輪廓銑或者順序銑的特征。如果兩種都可以考慮，就得根據兩者相互比較下的長處來最后決定使用哪種加工方法得出比較完美的刀具路徑，最終加工出符合要求的零件，如表1-1所示。表1-1可變軸曲面輪廓銑順序銑適用于區域銑削適用于線性銑削主要用刀具的底刃銑削主要用刀具的側刃銑削多種驅動方式，包

17、含刀軌單一的驅動方式對特定應用的多種切削模式只有循環或者嵌套可以用片體和曲面區域幾何體可以用臨時平面幾何體在操作中不能重新指定刀具軸在操作中能重新指定刀具軸可以對整個刀軌進行編輯只對部分刀軌進行編輯最適于切削凸拐角的側壁最適宜切削有角度的側壁創建操作比較簡單一個操作中有很多步驟創建多層切削較簡單不能多層切削1.1.2 多軸加工的能力和特點目前3軸數控加工機床還是工業界的主流，然而面對的精密機械加工，多軸加工將成為日后發展的趨勢。近年來，多軸加工已受到航天工業、汽車業、輪胎模具業、及其他模具業等的重視。國內外對多軸加工技術的需求越來越大，國內有許多基礎制造企業正努力把多軸機床的研制作為日后的發展

18、目標。為了使國內的制造工業界更具有競爭力以及國防的需要，多軸機床乃至多軸加工技術的本土化都是大勢所趨。當然，一個完善的多軸加工體系的建立，除了在硬件設備上要求更精密之外，更需要搭配良好的刀具路徑規劃和優秀的多軸加工作業人員的培養，才能真正發揮多軸加工的優點。以往傳統的3軸加工機床只有正交的X、Y、Z軸，則刀具只能沿著此3軸做線性平移，使加工工件的幾何形狀有所限制。因此，必須增加機床的軸數來獲得加工的自由度，即A、B和C軸3個旋轉軸。但是一般情況下只需兩個旋轉軸便能加工出復雜的型面。多軸加工的主要優點是加工整體復雜工件時，只要對工件進行一次夾持定位。另一個好處在于可使用較短刀具，以確保切削精度。

19、過去在模具界乃至其他中端的行業都甚少使用多軸加工，問題主要是多軸加工中心的價格昂貴及NC程序的制作困難。UG多軸加工模塊便能很好地解決NC代碼生成困難的問題。在UG/CAM的后處理中，能夠直接生成加工中心能夠識別的文件，然后通過信息交互實現多軸加工代碼的傳輸。增加機床的軸數來獲得加工的自由度，最典型的就是增加兩個旋轉軸，成為5軸加工機床（增加一個軸便是四軸加工中心，這里針對五軸的來說明多軸加工的能力和特點）。5軸加工機床在X、Y、Z正交的三軸驅動系統內，另外加裝傾斜的和旋轉的雙軸旋轉系統，在其中的X、Y、Z軸決定刀具的位置，兩個旋轉軸決定刀具的方向。將它分為三大類：l 兩個旋轉軸都在主軸頭的刀

20、具側，稱為主軸傾斜類型，如圖1-6所示。圖1-6l 兩個旋轉軸都在工作物側，稱為工作臺傾斜類型，如圖1-7所示。圖1-7l 一個旋轉軸在主軸頭的刀具側，另一個旋轉軸在工作側，稱為主軸/工作臺傾斜類型，如圖1-8所示。圖1-8通過上述軸數的改變，使多軸加工幾乎無所不能。無論多復雜的曲面，只要在機床精度足夠、機床剛度夠強等一系列機床參數前提下，都能加工出來。而且出來的最終成品，質上有飛躍的提高，總體效率超乎尋常。多軸加工的特點：l 加工多個斜角、倒勾時，利用旋轉軸直接旋轉工件，可降低夾具的數量，并可以省去校正的時間，如圖1-9所示。l 利用五軸加工方式及刀軸角度的變化，并避免靜電摩擦，以延長刀具壽

21、命，如圖1-10所示。 靜電摩擦圖1-9 圖1-10l 使用側刃切銷，減少加工道次，獲得最佳質量、提升加工效能，如圖1-11所示。l 當傾斜角很大時，可降低工件的變形量，如圖1-12所示。 圖1-11 圖1-12l 減少使用各類成型刀，通常以一般的刀具完成加工。通常在進行多軸曲面銑削規劃時，以幾何加工方面誤差來說，路徑間距、刀具進給量和過切等三大主要影響因素。在參數化加工程序中，通常是憑借刀具接觸點的數據，來決定刀具位置及刀軸方向，而曲面上刀具接觸數據點最好可以在加工的允許誤差范圍內隨曲面曲率做動態調整，也就是路徑間距和刀具進給量可以隨著曲面的平坦或是陡峭來做不同疏密程度的調整。這些都能在UG

22、多軸加工中充分體現。實踐證明，UG/CAM的高端技術可以為產品復雜三維型面的數控加工帶來極高的加工效率、加工質量，并給企業帶來可觀的經濟效益。將先進的VARIABLE_CONTOUR（可變軸曲面輪廓銑）和SEQUENTIAL_MILL（順序銑）等加工模塊應用于數控加工中，讓這先進的制造技術為企業的產品開發制造及各類加工中心（包括三軸、四軸、五軸加工中心）的高效利用發揮巨大作用，創造出更大的經濟效益。1.1.3 UG NX5操作導航工具欄基本內容節點與“樹”關系圖1-13UG NX5操作導航器是讓用戶管理當前部件的操作及操作參數的一個樹形界面，用于說明部件的組和操作之間的關系。處于從屬關系的組或

23、者操作將可以繼承上一級組的參數。操作導航器中以圖示的方式表示操作與組之間的關系。在操作導航器中可以對操作或組進行復制、剪切、粘貼、刪除等操作，用戶也可以使用相應的快捷菜單命令或工具欄上的圖標命令進行編輯。如圖1-13所示，可以在這個菜單中更改當前視圖。根據需要，可以分別得到【程序順序視圖】、【機床視圖】、【幾何視圖】和【加工方法視圖】。操作導航器是各加工模塊的入口位置，是用戶進行交互變換操作的圖形界面。進入加工環境后，將鼠標停留在界面左邊第三個屬性按鈕使得操作導航器上顯示操作導航視圖。它以樹形結構顯示程序順序視圖、機床視圖（刀具視圖）、幾何視圖和加工方法視圖，以及父子的從屬關系。當鼠標離開操作

24、導航器視圖，它將自動關閉，除非要特意將其固定。單擊導航器中各節點前的展開號（+）或折疊號（-），可以展開或關閉各節點包含的對象。根據操作和組在操作導航器工具中相對位置的不同，一個組中的參數可以向另一組或操作中傳遞，同時也可以包含它的高一級組中的繼承參數，高一級的組稱為父組。在操作導航器工具中，組和操作的位置可通過剪切與粘貼以及直接拖動來改變。當一個組或操作被粘貼到某個組中時，則參數繼承關系也隨之發生變化，會繼承新組中的所有參數。該組下的所有操作將會受到影響，需要重新生成。1程序順序視圖程序順序視圖，該視圖按照刀具路徑的執行順序列出當前部件中的所有操作，顯示每個操作所屬的程序組和每個操作在機床上

25、執行的順序，各操作的排列順序確定了后置處理的順序和生成刀具位置源文件的順序。如圖1-14所示，SJ06234A00是父節點，下面有A0001、A0002、A0003等一系列的繼承節點。在節點下面又分布很多的操作，當需要改變從屬關系就可以通過復制、剪切、內部粘貼等方法。圖1-14總的輸出規則是：如果通過選取程序節點輸出，每次只能選擇一個程序節點；如果通過直接選擇操作輸出，只能選取同一程序節點下的連續排列的操作，且一旦輸出這些操作，系統即會自動為這些操作創建一個程序節點；如果通過選取程序節點輸出，而這個程序節點下有程序子節點，同層次程序節點是先輸出上面節點中的操作，后輸出下面節點中的操作，不同層次

26、的順序節點是先輸出父節點中的操作，后輸出子節點中的操作；同一節點中操作的輸出順序是先輸出上面的操作后輸出下面的操作。在程序順序視圖中，每個操作名稱后面顯示該操作的相關信息：l 換刀：顯示該操作相對以前操作是否更換刀具，如果換則顯示一個刀具樣的圖標。l 路徑：顯示該對應操作的刀具路徑是否已經生成，如果是，將顯示一個對勾。l 刀具：顯示該操作使用的刀具，一般使用直徑加底圓半徑作為名稱。l 刀具號：在加工中心中如果刀具已經編號則使用對應的刀具號，一般可以按順序排號。如果不定義則為空。l 時間：指對應操作的加工時間。l 幾何體：顯示該操作所使用的幾何體。l 方法：顯示加工的方法。包括精加工、粗加工和普通的加工方法。2機床視圖機床視圖是使用刀具來組織各個操作的。其中列出了當前部件中存在的各種刀具，以及對應的操作名稱，如圖1-15所示，并且在機床視圖中列出與當前刀具相關的描述信息。圖1-15刀具節點及其下面的操作都可以通過剪切和粘貼等來改變其在“樹”中的位置。改變刀具的位置沒有實際意義，僅僅是讓同類刀具排在一起便于查看。一個操作只能對應一把刀具，因此將一個操作從一把刀具下移到另一把刀具下實際上就是改變了操作所使用的刀具。改變同一把刀具下的操作的排序沒有實際意義。l 描述：顯示該操作對應的描述，可以是刀具類型、加工方法等。l 順序組：顯示該操作對應的加工順序程序順序號，