CADCAM及NC加工综合实验doc西北工业大学机电学院.docx

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CADCAM及NC加工综合实验doc西北工业大学机电学院

《CADCAM及NC加工综合大实验》教学大纲

实验项目名称

CAD/CAM及NC加工综合实验

实验学时

30

指导教师

蔺小军

实验地点

2M-119

实验对象

机械类学生

可选人数

30

课程编号：

0570060课程名称：

CAD/CAM及NC加工综合大实验课程总学时：

30课程总学分：

4

实验总学时：

30

适用专业：

航空宇航制造工程

课程类型：

必修√选修

先修课程：

数控机床、机制工艺、金属切削原理与刀具、计算机辅助造型、计算机辅助制造、公差与技术测量

一、实验教学的目的、任务与要求：

1.了解典型零件数控加工工艺过程；

2.掌握两坐标（带刀补和不带刀补）数控加工编程方法；

3.掌握典型机械零件在UG中的造型方法；

4.掌握定轴（三坐标）数控加工编程方法；

5.掌握刀位文件后置处理、NC代码传输方法；

6.掌握零件在加工中心上的装卡及找正方法；

7.了解加工坐标系在机床的设置及零件加工过程；

8.了解零件在三坐标测量机上的测量方法和过程，并掌握测量数据的处理方法。

二、实验项目内容及学时分配：

序号

实验项目

学时

实验内容

实验

类型

1

数控加工工艺分析及手工数控编程

4

了解典型零件数控加工工艺过程，掌握二坐标数控编程

综合性

2.

零件造型；

10

掌握典型机械零件在UG中的造型方法

综合性

3

计算机数控编程；

8

掌握定轴（三坐标）数控加工编程方法；掌握刀位文件后置处理

综合性

4

数控加工及三坐标测量；

6

掌握零件在加工中心上的装卡及找正方法；了解加工坐标系在机床的设置及零件加工过程；了解零件在三坐标测量机上的测量方法和过程，并掌握测量数据的处理方法

综合性

5

总结及写实验报告。

2

对实验进行总结，并写出实验报告

综合性

二、主要教材（讲义、实验指导书）：

参考书：

《机床数控原理与系统》王润孝西北工业大学出版社

《计算机辅助制造》卜昆等西北工业大学出版社

实验指导书：

《CAD/CAM及NC加工综合大实验指导书》蔺小军自编

西北工业大学2005年10月

三、考核方式：

平时实验表现占70%，实验报告20%，考勤10%

四、使用主要仪器设备说明：

1、VMC850加工中心

2、GLOBALSTATUS121510三坐标测量机

3、计算机

大纲制订时间：

2006年1月8

CAD/CAM及NC加工

综合实验指导书

蔺小军

西北工业大学现代设计与集成制造技术

教育部重点实验室

2004．9

CAD/CAM及NC加工综合大实验

随着我国制造业的迅猛发展，数控技术的应用越来越广泛。

许多企业为了提高产品质量和加工效率相继购买了数控机床，如何高效地使用这些先进设备成为当务之急，这就需要一批高素质的数控加工编程技术人员。

况且我院有相当一部分本科生毕业以后将从事数控加工编程工作，因此开出CAD/CAM及NC加工综合大实验势在必行。

为了适应制造业发展的需要，我校开设了《数控机床》本科生主干课，随着计算机技术的发展，又相继开设了《计算机辅助造型》（CAD）及《计算机辅助制造》（CAM）课。

同时我校的数控技术实验室也在不断壮大，由最初的单板机控制的二轴联动数控铣床，发展到今天拥有一台五轴五联动高速数控加工中心、一台五轴五联动数控加工中心、两台四坐标四联动加工中心、四台三坐标数控铣床及一台三坐标测量机。

实验室不仅具有这些先进的设备，而且具有先进的技术使这些设备得到充分使用，通过这些设备已经完成了国家型号等多项重大课题。

随着数控编程人员需求不断增多和实验室环境的改善，开出CAD/CAM及NC加工综合大实验的时机已经成熟。

1．综合实验的目的与涉及的内容

综合实验不同于课程实验，它是培养学生对已学过理论知识的综合应用能力。

本综合大实验从零件数控加工工艺分析到成品加工完成，整个过程由学生自己完成，指导老师只起引导作用。

通过本实验达到以下目的：

1）了解典型零件数控加工工艺过程；

2）掌握两坐标（带刀补和不带刀补）数控加工编程方法；

3）掌握普通机械零件在UG中的造型方法；

4）掌握定轴（三坐标）数控加工编程方法；

5）掌握刀位文件后置处理、NC代码传输方法；

6）掌握零件在加工中心上的装卡及找正方法；

7）了解加工坐标系在机床的设置及零件加工过程。

8）了解零件在三坐标测量机上的测量方法和过程，并掌握测量数据的处理方法。

综合实验是多门课程理论在实际中的综合应用。

CAD/CAM及NC加工综合大实验涉及《数控机床》、《机制工艺》、《金属切削原理与刀具》、《计算机辅助造型》、《计算机辅助制造》、《公差与技术测量》等本科生主干课程。

2．实验内容规划

本综合实验的实验内容规划为七个单元：

数控加工工艺分析、手工数控编程、典型零件计算机辅助造型、计算机辅助数控编程、数控加工、三坐标测量、总结并写实验报告。

典型零件计算机辅助造型和计算机辅助数控编程通过CAD/CAM/CAE集成软件系统UG在计算机上完成，选用定轴三坐标编程，数控加工在VMC850数控铣床上进行。

3．实验仪器及设备

1）VMC850数控铣床

2）多台微机

4．实验的地点、组织形式及时间安排

实验的地点在现代设计与集成制造技术教育部重点实验室进行。

本实验以数控加工工艺分析、手工数控编程、零件造型、计算机数控编程、数控加工、三坐标测量、写总结报告为七个单元。

综合实验是五周75学时，其中第一阶段——熟悉图纸及数控加工工艺分析安排6学时，两坐标手工编程及数控加工安排12学时，零件造型和三坐标加工编程安排36学时，数控加工及三坐标测量安排15学时，写实验总结报告6学时。

整个实验分为三个大的阶段，数控加工工艺分析、手工数控编程是一个阶段，零件造型是第二个阶段，计算机数控编程、数控加工、三坐标测量是第三个阶段，每个阶段指导老师首先讲一些基本知识和要求，控制在2学时，然后由学生自己动手实践，学生的疑问老师随时解答。

在机床上数控加工时要在机床操作工人的协助下进行。

学生可以分组，每组一个零件，也可以所有学生一个零件。

在每一阶段不仅仅是完成所要加工零件的任务，而是掌握方法。

比如在造型阶段，任务零件的造型有可能在很短时间内完成，但并不等于就掌握了造型方法。

出现这种情况就要多准备图纸，多造型以熟练掌握零件造型方法。

5．实验具体内容及步骤

整个实验教学共分为数控加工工艺分析、手工数控编程、零件造型、计算机数控编程、数控加工、三坐标测量、写总结报告为七个部分。

每一部分既有指导老师的讲解，又有现场实践指导。

每一阶段既相互联系,又层层提高,使其成为一个生动有序的整体。

让学生在亲临其境的实践环境中，通过眼、耳、手的实际看、听、操作等过程，既快而又扎实地对该数控综合性技术有较全面的了解和掌握。

其五个阶段的实验教学具体安排如下：

1）数控加工工艺分析

熟悉零件图纸并进行数控加工工艺分析。

包括：

选择并决定零件适合在数控机床上加工的内容；对零件图纸进行数控加工工艺分析，明确加工内容及技术要求；具体设计加工工序，分析零件在数控加工时的装夹定位方法，选择刀具、夹具及切削用量；处理特殊工艺问题，如对刀点、换刀点确定，加工路线确定，刀具补偿，分配加工误差等；处理数控机床上部分工艺指令，编制工艺文件。

2）二坐标手工数控编程及数控加工

手工编程分为两部分，不带刀补和带刀补编程。

首先应该熟悉FANUC系统的G指令、M指令及FANUC系统程序头和尾的格式，然后根据图纸编制数控程序。

注意进刀和退刀方式。

3）零件造型

这个阶段由于是第一次接触UG平台，首先要掌握UG系统的基本知识，比如如何打开UG系统，如何建新文件、保存文件、打开UG文件，零件坐标系如何建立，坐标系如何变化、如何查取几何特征的信息等，然后从点——线——面——体的次序由浅入深逐渐掌握零件基本造型方法，最终要求对一般的机械零件图纸能够进行造型。

这个阶段结束时进行一个小测验，给一张零件图纸在规定时间内造型。

4）三坐标加工编程

首先讲述UG数控编程的全过程，加工坐标系的建立，加工坐标系与零件坐标系的关系；刀具的选择，什么情况下选择平底端铣刀，什么情况下选择球头铣刀；走刀方式的确定；加工面的选择，加工余量大小的确定；走刀速度的确定；容差大小的确定；如何生成刀位文件，如何进行刀位文件仿真等等。

然后通过实践，逐渐掌握UG三坐标编程方法。

最后，还要求掌握后置处理方法。

不但掌握了编程方法，能生成刀位文件，而且要掌握如何把生成的刀位文件后置处理成数控机床能接受的数控代码。

5）数控加工

第一步是在机床操作工人师傅的指导下熟悉数控铣床，包括机床的结构、机床的简单操作、NC代码的传输等；

第二步是掌握零件在机床上的装夹方法，基准面的找正，加工坐标系的设置；

第三步是对零件进行加工。

零件加工前如何对好刀具的刀长是零件加工合格的关键，对刀要进行反复训练。

另外在加工过程中要培训调整合理走刀速度的能力，以提高加工效率。

零件加工完成后，要对加工零件进行初步检验。

6）三坐标测量

对加工完成的零件进行三坐标测量，并把测量的数据与理论模型比较，分析加工误差的形成原因。

7）写实验总结报告

整个实验课结束后,要求提交实验报告一篇，其内容包括前述加工工艺路线分析、UG造型方法简述和收获、三坐标加工编程步骤及涉及的问题简述、数控机床性能、加工误差分析及加工中所遇问题的描述、实验中各种体会和认识等等。

6．结束语

NC加工编程是实践性很强的，它不是“纸上谈兵”，编程时有一点疏忽就有可能使零件加工成废品，编程的质量直接影响零件的加工质量和加工效率。

本综合实验通过零件工艺分析、零件造型、数控编程、数控加工直到最终零件加工完成整个过程，不但培养了CAD/CAM、NC编程能力，切实提高了对该技术实际应用的动手能力，而且培养了学生科学、认真、细致的作风。

另外，通过本综合大实验使学生对数控技术有一较全面的认识和了解，以适应社会的需求，增强了学生毕业后的求职能力。

7．综合实验参考资料

7.1三坐标数控铣床——VMC850数控铣床

性能指标：

（1）数控系统：

FANUCSERIES0i－MB

（2）工作行程：

X=800mm；Y=500mm；Z=610mm

（3）工作台尺寸：

（L×W）=1000mm×500mm

（4）工作台承重：

400kg

（5）主轴转速：

60～8000rpm

（6）生产厂家：

中国台湾乔福机械工业股份有限公司

7.2FANUC系统程序头和尾的格式

%PM

N2009（注释）

N2G90G17M03S300//绝对坐标XY平面主轴顺时针转转速300RPM

N3G56M08//坐标系原点设置冷却液开

N4G43H02//按H02地址内的值沿Z轴对刀具长度进行偏置

……

……

N575M30//机床停转

%//程序结束标志

7.3FANUC系统刀补指令G40、G41、G42

G41：

刀具补偿左偏。

按运动方向，刀具在工件左侧。

G42：

刀具补偿右偏。

按运动方向，刀具在工件右侧。

G40：

取消刀具补偿。

7.4二维刀具半径补偿数控加工编程系统

在轮廓数控加工过程中，由于刀具半径的原因，刀具中心的运动轨迹并不与零件的实际轮廓重合，而是与零件的轮廓形状偏移一定距离，加工内轮廓时，刀具中心向内偏离零件内轮廓表面一个刀具半径值，加工外轮廓时，刀具中心向外偏移零件外轮廓表面一个刀具半径值，这种偏移称为刀具半径补偿。

刀具半径补偿有左偏刀和右偏刀两种方式，沿着刀具运动方向看，刀具在加工轮廓的左边称为左偏刀，反之称为右偏刀。

采用带刀具半径补偿的程序在数控加工中占有一定的比例，它的作用是其它数控程序不能替代的。

在加工一些精度较高的孔、槽及轮廓时一般都要采用带刀具半径补偿的数控程序来完成。

带刀具半径补偿的数控程序有以下作用和优点：

（1）可免除刀具中心运动轨迹的人工计算，简化程序的编制；

（2）可利用同一加工程序适应不同的加工情况，比如在刀具磨损后，只要改变刀具半径补偿值，就可以加工出需要的轮廓；（3）使用不同半径的刀具时，改变刀具半径补偿值，同样可以加工出相同的零件轮廓；（4）采用改变输入数控系统刀具半径补偿值的方法，可以实现分层切削和粗、精加工；（5）采用改变刀具半径补偿值正、负号的方法，可加工某些需要配合的工件，比如冲裁模中的凸凹模；（6）可通过改变刀具半径补偿值的方法弥补铣刀制造精度的不足及刀具直径的磨损，放大返修刀具磨损的允许误差。

该二维刀具半径补偿数控加工编程系统能针对常用的数控系统发那科、西门子、飞利浦对二维刀具半径补偿数控程序进行自动编程。

系统通过处理CAD/CAM/CAE集成系统软件UG来生成零件被加工轮廓的信息文件生成数控程序，界面如下图1所示。

通过输入信息文件名、顶面坐标、加工面坐标、起刀点坐标，选择数控系统、左偏/右偏、刀轴方向（G17或G18），带刀具半径补偿的数控程序就自动生成。

在系统界面中，信息文件名可通过按“选择”按钮找到存储在计算机中的信息文件。

顶面和加工面是垂直于刀轴（Z轴或Y轴）的平面。

当刀具下落到顶面时就开始切削，加工面是刀具切深的最低点，加工面一定比顶面低。

顶面坐标和加工面坐标只输一个值，当刀轴为Z轴（G17）时，输入的坐标是Z值，当刀轴为Y轴（G18）时，输入的坐标是Y值。

7．5以铣孔为例说明二坐标手工编程

铣削孔有两种编程方式，一种是不带刀具补偿，另一种是带刀具补偿。

带刀具补偿的程序在数控加工时，一边测量孔径，一边修正刀具半径，直到加工出合格的孔径。

不带刀具补偿的数控程序，孔径尺寸由刀具直径保证。

相比较而言带刀具补偿的程序加工的孔径尺寸精度高。

图2是不带刀补数控加工示意图。

当左偏走刀时，其编程轨迹（也是刀位轨迹）为：

线OD—>弧DB—>弧BA—>弧AE—>弧EB—>弧BA—>弧AC—>线CO，圆弧全部是逆时针圆弧。

当右偏走刀时，其编程轨迹（也是刀位轨迹）为：

线OC—>弧CA—>弧AB—>弧BE—>弧EA—>弧AB—>弧BD—>线DO，圆弧全部是顺时针圆弧。

弧BA（弧AB）、弧AE（弧EA）、弧EB（弧EB）的半径为孔径与刀具半径的差值，通过设定进刀圆弧DB（CA）和退刀圆弧AC（BD）的半径、角度α、β就可以计算出点A、B、C、D的坐标。

假定所铣的孔的参数为：

孔顶圆心坐标（30，-20，40），半径R=70，孔深H=20；刀具半径r=10。

对于不带刀补的数控程序按左偏输出，带刀补的数控程序按右偏输出。

不带刀补的数控铣孔程序：

N2001（MILLING_HOLE,ZUOPIAN,FR10,2003.12.8）

N2G90G17M03S500

N3G56M08

N4G43H02

N10G1X30.000Y-20.000Z140.000F2000

N11Z43.000F1800

N12Z20.000F60

N13X4.954Y-73.524F100

N14G3X24.771Y-79.772R48.000

N15X35.229Y-79.772R60.000

N16X30.000Y40.000R60.000

N17X24.771Y-79.772R60.000

N18X35.229Y-79.772R60.000

N19X55.046Y-73.524R48.000

N25G1X30.000Y-20.000

N26Z140.000F1800

N27M30

%

图3是带刀补数控加工示意图。

当左偏走刀时，其编程轨迹为：

线OH—>线HD—>弧DB—>弧BA—>弧AE—>弧EB—>弧BA—>弧AC—>线CG—>线GO，圆弧全部是逆时针圆弧。

当右偏走刀时，其编程轨迹为：

线OG—>线GC—>弧CA—>弧AB—>弧BE—>弧EA—>弧AB—>弧BD—>线DH—>线HO，圆弧全部是顺时针圆弧。

带刀补的数控程序按右偏输出。

带刀补的数控铣孔程序：

N2001（MILLING_HOLE,YOUPIAN,FR10,2003.12.8）

N2G90G17M03S500

N3G56M08

N4G43H02

N10G1X30.000Y-20.000Z140.000F2000

N11Z43.000F1800

N12Z20.000F60

N13G41X80.928D20

N14Y-61.787F60

N15G2X42.155Y-88.937R56.000

N16X17.845Y-88.937R70.000

N17X30.000Y50.000R70.000

N18X42.155Y-88.937R70.000

N19X17.845Y-88.937R70.000

N20X-20.928Y-61.787R56.000

N21G1Y-20.000

N22G40

N23G1X30.000Y-20.000

N24Z140.000F1800

N25M30

%

7．6UG简介

UG为Unigraphics的缩写，它起源于美国麦道飞机公司，20世纪60年代起成为商品化软件，几十年来，UG软件在客户需求驱动下，发展迅速，汇集了航空、航天、汽车工业的专业经验，并经历了飞机、汽车等大型工程项目的实际考验，成为目前国际、国内，尤其是航空发动机各主要科研院所和主机生产厂家应用最为广泛的CAD/CAE/CAM集成化软件之一。

该软件功能强大、内容丰富，涵盖了从设计、分析、加工、管理等各领域，除通用模块之外，还提供了各种专用模块，如计算机辅助工业设计模块、钣金设计加工模块、模具设计加工模块、管路设计布局模块等，同时留有二次开发接口及相关语言，供开发之用。

该软件每年根据软、硬件技术的发展和广大用户的应用反馈，均推出新的版本，使功能更强大、界面更友好、操作更方便，使其领先技术始终位于先进制造技术领域的前沿。

随着UG软件在我国航空、航天、汽车、机械、家电等行业的广泛推广和应用，使用UG软件的人员日益增多，迫切需要一本适合广大工程技术人员培训和自学的教材，同时针对实际应用UG软件人员的水平不一，尤其是一些常用模块和功能的高效使用、运用技巧的提高，关键模块的应用开发，也成为软件应用人员的迫切愿望。

UG18运行于WINNT内核的操作系统下，现有的操作系统有WINNT4.0，WIN2000，WINDOWSXP。

UG18运行对硬件要求较高，能够运行的基本配置要求：

CPU奔腾三代450，显卡TNT2，16M显存，2G硬盘，128M内存；推荐配置：

CPU奔腾三代1GMHZ,显卡：

Gferce2代以上64M显存，硬盘5G以上。

7.6.1file菜单

New：

新建

Open：

打开

Close：

关闭

import/export（parasolid,iges）：

导入/导出

recentlyopenparts（8files）：

最近打开的8个文件

save:

保存

saveas:

另存为

saveall:

保存所有打开的文件

7.6.2application应用选项菜单

Modeling（造型）、Drafting（出图）、Manufacturing（加工）、Assemblies（装配）

7.6.3Preferences（预设置）菜单

预设置的作用是在构造几何对象或某些操作之前，设定一些参数和功能，如对象的颜色、线型显示方式等。

不同的应用内容，其预设置的内容不同。

通常情况下系统已设定好隐含值，一旦更改，它将会影响后续操作。

一般将Modeling（造型）中的DistanceTolerance=0.001,AngleTolerance=0.005，而原隐含值太大，有时会影响造型及检测精度。

7.6.4FormatLayerSetting（层设置）菜单

对象可以放在不同的层中，使对象更加清楚。

MakeWork:

使该层成为工作层。

所有操作都保存在工作层中。

Selectable:

可选择层，可对该层的对象进行操作；

Visible：

该层对象可以看见，但不能操作；

Invisible：

该层对象不能看见，也不能操作。

7.6.5Information和Analysis菜单

UG通过Information和Analysis获取信息，比如点的坐标、线段的长度、夹角等。

7.7UG造型（Modeling）

造型可以采用草图（Sketch）方法，也可以直接进行造型。

在这里以3D造型为例来说明UG造型方法。

所有零件的3D造型过程均通过point、curve、face、solid组成，经由edit和布尔运算得到，point、curve、face、solid相互关系均由下图组成：

图4

7.7.1点（point）的输入

点是所有造型过程的基础，其获得可由以下几种方法

1）少量点可由键盘输入，Point。

2）根据对象取特征点

a.Point——>Pointconstructor

b.PointSet

3）设计点文件

对多个点以文件（*.dat）格式输入，不但方便而且不容易出错。

文件格式如下：

X0Y0Z0

X1Y1Z1

…

…

XnYnZn

通过样条曲线（Spline）命令读入点文件数据生成样条曲线，再通过生点命令（PointSet——>SplineKnotPoint）生成点。

7.7.2Curve的获得

1）基本曲线（BasicCurve）

　·Line（直线）

·Arc（圆弧）

·Circle（圆）-----通常在XOZ平面

·Fillet（倒圆角）

·Trim（裁剪）

·Editcurveparameter（编辑曲线）

2）其它曲线

·Spline（样条）

定义点（DefiningPoints）-----样条特征点

极点（Poles）-----样条控制多边形顶点

结点（KnotPoints）-----多段样条的拼接点

拐点（InflectionPoints）-----曲率反向变化点

曲率峰值点（PeakPoints）----曲线在此点的曲率变化最大

曲率梳（CombTooth）-----样条的曲率分布图

·Rectangle（长方形）

·Polygon（正多边形）------InscribedRadius（内切圆半径）,CircumscribedRadius（外切圆半径）

·Ellipse（椭圆线）

·Parabola（抛物线）-----FocalLength（焦距长度）

·Hyperbola（双曲线）

·GeneralConic（一般二次曲线）----有多种选项

·Helix（螺旋线）------Pitch（螺距）

·LawCurve（规律曲线）-----例：

正（余）旋曲线

ToolsExpression

t=01,Pi=3.1415926

Theta=360*t

x=theta*Pi/180.

Y=sin（theta）

Z=0

InsertCurveLawCurveByequation，做一回转体后，随截面线的改变而连动改变。

3）截面线（section）

·单平面

·一族平行