数控加工仿真是CAD／CAM领域的关键技术之一，通过数控加工仿真，可用几何图形、图像或动画的方式显示加工过程，从而检验零件的最终几何形状是否符合要求，加工过程中是否存在漏切、过切现象，刀具运动过程中是否会与夹具或机床产生碰撞，从而确保能加工出符合设计的零件，并避免刀具、夹具和机床的不必要损坏。基于三维实体的数控加工仿真，可以精确全面地描述空间几何体的相对位置。能够有效地克服传统的NC程序检验方法(试切法和二维轨迹显示法等)的局限性，提高NC程序检验的效率。
UGNX是当今世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAID／CAD／CAE／CAM高端软件。作为一个全面集成的产品工程解决方案，其中的IS&V(Integerated Simulation&verfication，即综合仿真与检查)是系统提供的一个全客户化的应用模块，主要对整个机床的切削过程进行仿真，给用户提供一个动态的、立体的视觉效果；此外，仿真能检查在机床、夹具、刀具和零件问的干涉检测。通过建立精确的机床运动模型来模拟整个加工过程，以使模拟仿真结果完全符合实际情况。
作者通过运用CAD／CAM软件UGNX 5.0及其IS&V模块，针对VSl575型三轴立式数控铣床进行了虚拟机床技术的研究。并基于该技术进行了对某一铣削加工过程实时仿真的验证。
1 IS&V的系统实现
综合仿真与检查系统的结构图如图1所示。
图1 综合仿真与检查系统的结构图
综合仿真与检查功能通过下面的步骤实现：
(1)定义机床装配模型。进行综合仿真与检查之前，必须建立机床的几何体装配模型，机床的各组件要在装配模块中进行装配组合。机床零部件必须是单独的部件模型，因为机床组件在运动学模型中必须是运动件。
(2)定义运动学模型。运动学模型是用来描述并确定机床运动的，装配模型成为机床模型，每一个装配模型的文件对应一个运动模型，可以在机床构建器(Machine Tool Builder)中编辑。需要注意的是：进入机床构建起模块的前提是两件模型不能进入NX5.0的加工环境，即如果零件模型进入了加工环境，则无法打开机床构建器。
(3)将模型存储在数据库中。定义了机床的运动学模型后，还需要把机床的全部模型存入系统的外部数据库中，即把机床的全部模型保存在NX5.0的安装目录“UGS＼MACH＼resource＼library＼machine＼graphics”下。
(4)定义加工刀具。和定义机床运动学模型的方法一样，在机床构建器环境中需要定义刀具的装配模型，该模型必须包含安装信息。如果不定义刀具装配模型，系统会找不到刀具装配，此时系统可以根据加工模型中的刀具参数产生一个刀具。
(5)定义起床驱动器。机床驱动器(MachineTool Drive，简称MTD)，是NX5.0后处理器的扩展，用来生成数控代码命令文件。为了模拟真实的机床NC控制器行为，需要用户定义虚拟NC控制起来控制虚拟机床。
(6)准备机床仿真的工具模型。在加工模型中建立工件运动组件，通过自动装配功能在机床上安装工作，然后才能够进行综合仿真与检查。
2 机床模型的建立
2.1 建立机床仿真模型
如果要进行机床仿真操作，必须把机床模型建立成一个装配体，机床的各个组件分别在独立的部件中给出，然后装配起来，这是因为所有的部件要赋予运动幅。应用装配模块组装成机床装配模型，在机床模型中不要有几何元素，特别重要的是，哪些要变成运动组件的机床组件一定要在单独的文件中画出，然后组装成装配体。
以山东理工大学校办工厂的由威海华东数控股份有限公司生产的VSl575大型立式加工中心为模型进行模拟机床的建模。为了使建立好的机床仿真模型数据不甚复杂并保证其最后的仿真逼真度，一般仿真模型中只要包含其主要部件就能满足要求。到现场实际量取机床主要组件的数据以备建模。利用UGNX5.0建模，机床组件模型尺寸与实际机床组件误差控制在0.5cm以内。确定机床各个部件的结构层次关系后再利用NX5．0的装配功能得到机床的几何装配模型，如图2所示。
图2 VSl575机床仿真模型
2.2 建立机床运动模型
运动模型(Kinematics Model)需要添加到一个建模完成的装配中。运动模型定义装配部件之间的关系，以及轴的名称，方向和行程。仿真过程将利用这些信息和机床驱动器(Machine Tool Driver)提供的信息来使机床运动起来。机床驱动器是由后处理器创建的。只有在机床的仿真模型上定义了运动，机床驱动器MTD才能通过后处理文件驱动机床进行运动。定义的运动要完全参照实际机床的运动，这样进行的仿真才会生成可靠的结构。而该三轴铣床主要完成3个方向的运动，故定义了其x、y、z 3个方向的运动和其他一些辅助信息。建立的VSl575运动模型结构图如图3所示。
图3 VSl575运动模型结构图
2.3 机床运动模型的后续操作
创建好的机床运动模型还不能直接用于综合仿真与检查，需要进行相应的后续操作。机床运动模型的后续操作用来把运动模型添加到机床库中，按下面的操作步骤进行后续操作：
(1)修改机床数据文件“Machine_Data．dat”。打开NX5.0的安装目录“UGS＼NX5．0＼MACH＼resource、library、machine、ascii”的Machine_Data．dat文件，添加如下内容“DATA | new_mill_lxd ｜3_AxMill(MM)(XY-TB／Z-HD／Vert)｜None｜Ex：l｜4$｜UGII_CAM_POST_DIR}lxd_sim．dat｜1．000000”至文件中，并保存。
(2)建立机床后处理文件。利用后置处理构造器创建的机床后处理文件为“lxd_sim．pui”，在生成该文件的同时，还生成了一系列的后处理文件，分别是机床定义文件“lxd _sim．def”、事件管理器文件“lxd_sim．tcl”和虚拟控制器文件“lxd_sim_vnc．tel”。复制并编辑安装目录“UGS＼NX 4.0＼MACH＼resource＼postprocessor”的sim010101_001_in．dat文件，重命名为Lxd_sim．dat，编辑后处理器名称和位置如下：lxd_sim，${UGII_CAM_POST_DIR}lxd_sim．tcl，${UGII_CAM—POST—DIR}lxd_simdef。随同上面3个文件一起存到UGS＼NX 5．0＼MACH＼resource＼postprocessor目录下。
(3)复制文件到安装目录。把建立的VSl575运动模型Dew_mill_lxd存放到安装目录“UGS＼NX5．0＼MACH f resource t library|machine f graphics}new_mill_lxd”中。
至此，机床运动模型的后续操作就完成了，接下来就可以进行综合仿真与检查了。
3 IS&V环境下的加工仿真
实际应用中，以山东理工大学校办工厂为泰安航天特种车有限公司加工的TA5380特种车过桥齿轮下箱盖为例子，如图4 所示。
图4 已生成刀路的TA5380过桥下箱盖
将已生成刀路的TA5380特种车过桥下箱盖调入已经建立好的铣床仿真模型。并将夹具、工件、毛坯、刀具等重新定位到机床上，建立整个机床的加工仿真系统(包括铣床，工件、刀具、夹具等)。针对该仿真系统，打开操作导航器的“机床”视图，选择第一行结点并右击，选择“刀轨”→“仿真”命令。通过设置“仿真控制面板”对话框可以进行整个加工过程的综合仿真与检查操作。其中机床的滑鞍做y向运动，工作台做x向运动，而箱体做z向运动。这3个方向的运动和实际铣床完全一致。在该铣床的仿真过程中，可以通过缩放、平移以及旋转操作来全方位地观察仿真过程并及时发现加工中的问题，而且可以通过干涉和碰撞的设置让IS&V在发生干涉碰撞时给出警告以便对加工零件进行即使修正。
加工过程仿真实例如图5所示，可以清楚的看到刀具、刀柄和机床的运动。
图5 仿真加工中的IS&V机床
上述仿真过程很真实模拟了对TA5380特种车过桥上箱盖在VSl575大型立式加工中心实际加工情况，达到了减少并替代试切的效果。
4 结语
结合软件UG的CAD／CAM功能和UG的后处理功能的数控加工过程仿真功能，针对VSl575大型立式加工中心三轴立式数控铣床探讨了虚拟机床技术。随着现代制造技术逐渐向集成化、智能化方向发展，仿真加工技术对促进现代制造业的发展具有重要意义。总之，UG IS&V数控仿真设计是UG二次开发中具有代表意义和实际应用的一个发展方向，由于其具有可降低生产成本、缩短开发周期等优点，将得到广泛的应用。
(审核编辑: 智汇小新)
