基于UG的曲轴的数控加工设计doc.docx

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基于UG的曲轴的数控加工设计doc

题目：

基于UG的曲轴的数控加工

班级：

姓名：

专业：

数控技术及应用

指导教师：

答辩日期：

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

曲轴是内燃发动机的中心零件，是引擎的心脏，如果它的功能无法准确的执行，那么引擎的马力就无法正常的发挥。

曲轴的各相对角度必须正确，否则点火正时和气门正时就无法精确有序的一个汽缸接着一个汽缸的运作。

如果这顺序出了问题，可以想见这结果就是爆震连连。

曲轴是最难加工的工件之一，它极不对称，又长又纤细，所用材料的加工性也很差，但质量限制很严，对制造的要求又非常高。

而运用当前广泛使用的三维软件平台，通过对其三维实体造型不断完善，就可以大大提高曲轴的设计精度，进而也为提高其工作性能打下了基础。

目前，国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。

粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。

一般精加工采用曲轴磨床，通常靠手工操作，加工质量不稳定，尺寸的一致性差。

具有加工能力强、精度高、效率高、一致性好的优点，许多单靠普通车床难以加工或不能加工的零件都可以通过数控机床来加工，并能保证优良的加工质量。

但用数控机床进行加工时，需要首先进行编程，而曲轴形状比较复杂，单靠手工编程，既效率低，又容易出错，并且也难以保证质量。

有鉴于此，本文作者进行了运用UG对曲轴进行三维建模、自动编程的尝试！

希望通过UG软件与数控机床的结合，克服曲轴加工的难题！

关键词：

曲轴UG三维建模自动编程数控加工

摘要1

1.绪论3

1.1UG软件平台介绍3

1.2.数控加工8

1.3数控技术的发展前景8

2.曲轴加工工艺11

2.2.数控编程的原则步骤15

2.1.数控加工工艺的编制11

3.曲轴的三维建模18

4.曲轴数控仿真22

5.结论与展望…………………………………………………………………………….36

致谢………………………………………………………………………………………………38

参考文献39

1.

绪论

1.1UG软件平台介绍

UnigraphicsNX融线框模型、曲面造型、实体造型为一体，是参数化和特征化的CAD/CAM/CAE系统。

系统建立在统一的富有关联性的数据库基础上，提供了工程上的完全关联性，使CAD/CAM/CAE各部分数据自由切换。

以基本特征作为交互操作的基础单位，利用特征技术，用户可以在更高层次上进行产品设计、模具设计、数控加工编程和工程分析，实现并行工程CAD/CAPP/CAM的集成与联动。

这不仅有利于CAD/CAM系统之间交换信息，而且有利于信息的共享。

应用好UnigrahpicsNX提供的强大的数控加工编程功能，包括数控车削、铣削、线切割等编程模块等，是提高企业数控加工技术应用水平的一个重要途径。

UnigrahicsNX/CAM数控加工模块由以下重要组成部分：

三维建模、刀具轨迹设计、刀具轨迹编辑修改、加工仿真、后置处理、数控编程模板、切削参数库设计和二次开发功能接口等。

【1】数控编程模板

使用数控编程模板有利于利用已有的经验和专家知识，达到企业内部资源共享的目的。

系统提供了加工程式模板、刀具模板、加工对象模板和刀具轨迹模板。

在模板中不断注入数控编程员、加工工艺师和技术工人等的知识、经验和习惯，建立起规范的数控加工工艺过程，为强化企业生产管理、提高产品的加工效率和质量打下良好的工艺技术基础。

CAM系统创建用户自己的模板可以将预先的加工顺序、工艺参数和切削参数设置好。

针对相似的零件加工对象，应用模板可以大幅度提供数控编程的效率和质量，尤其是在模具行业对形似的成组零件的加工。

例如，在制造模具时将加工凸模和凹模时的最佳工艺过程定义为加工模板，在加工新的产品对象时，只需调用模板文件，选择所需的几何体，并起动这个流程即可。

用户通过加工向导非常容易地从模板中获得专家级的制造过程指导。

通过向导，预先定义的模板可以被激活，并通过简单的交互快速生成数控加工刀具轨迹。

UnigraphicsNX系统提供了基本的数控编程模板，用户也可以根据本企业的经验创建自己的程式、粗精加工、刀具、产品等类型的编程模板。

利用模板之前，需要对不同产品类的零件的不同加工方式的模板进行整理与收集。

在创建模板时可按加工方式进行分类，对于系列化或相似的加工工艺，如凸凹模具类零件的加工等，则可以包含粗精加工方案、刀具及工艺参数的选择等完整的加工流程模板。

模板的定义可根据产品加工要求与几何特征划分，也可根据产品加工要求与材料等多种方式进行划分。

【2】刀具轨迹的生成

系统提供了钻孔循环、攻丝和镗孔等点位加工编程模块，具有多种轮廓加工、等高环切、行切以及岛屿加工平面铣削等编程功能。

其提供的3～5坐标复杂曲面的固定轴与变轴加工编程功能，可以任意控制刀具轴的矢量方向，具有曲面轮廓、等高分层、参数线加工、曲面流线、陡斜面和曲面清根等多种刀具轨迹控制方式。

（1）UG/PlanarMilling（UG平面铣削）

UG平面铣削模块功能，包括多次走刀轮廓铣、仿形内腔铣、Z字形走刀铣削，规定避开夹具和进行内部移动的安全余量，提供型腔分层切削功能、凹腔底面小岛加工功能，对边界和毛料几何形状的定义、显示未切削区域的边界，提供一些操作机床辅助运动的指令，如冷却、刀具补偿和夹紧等。

（2）UG/Core&CavityMilling（UG型芯、型腔铣削）

利用UG型芯、型腔铣削可完成粗加工单个或多个型腔，可沿任意类似型芯的形状进行去除大余量的粗加工，对非常复杂的形状产生刀具运动轨迹，确定走刀方式。

通过容差型腔铣削可加工设计精度低、曲面之间有间隙和重叠的形状，而构成型腔的曲面可达数百个，发现型面异常时，它可以或自行更正，或在用户规定的公差范围内加工出型腔来。

（3）UG/FixedAxisMilling（UG固定轴铣削）

UG固定轴铣削模块功，包括产生3轴联动加工刀具路径功能、加工区域选择功能，有多种驱动方法和走刀方式可供选择，如沿边界切削、放射状切削、螺旋切削及用户定义方式切削等。

在沿边界驱动方式中，又可选择同心圆和放射状走刀等多种走刀方式，提供逆铣、顺铣控制以及螺旋进刀方式，自动识别前道工序未能切除的未加工区域和陡峭区域，以便用户进一步清理这些地方。

（4）UG/FlowCut（UG自动清根）

自动找出待加工零件上满足“双相切条件”的区域，一般情况下这些区域正好就是型腔中的根区和拐角。

用户可直接选定加工刀具，UG/FlowCut模块将自动计算对应于此刀具的“双相切条件”区域并将其作为驱动几何，自动生成一次或多次走刀的清根程序。

当出现复杂的型芯或型腔加工时，该模块可减少精加工或半精加工的工作量。

（5）UG/VariableAxisMilling（UG变轴铣削）

变轴铣削模块支持定轴和多轴铣削功能，可加工UG造型模块中生成的任意几何体，并保持主模型的相关性。

该模块提供经多年工程使用验证的3～5轴铣削功能，提供刀轴控制、走刀方式选择和刀具路径生成功能。

（6）UG/SequentialMilling（UG顺序铣）

UG顺序铣模块可实现如下功能：

控制刀具路径生成过程中的每一步骤的情况，支持2～5轴的铣削编程，和UG主模型完全相关，可以自动化的方式获得类似APT直接编程的绝对控制，允许用户交互式一段一段地生成刀具路径，并保持对过程中每一步的控制。

它提供的循环功能使用户可以仅定义某个曲面上最内和最外的刀具路径，由该模块自动生成中间的步骤。

该模块是UG数控加工模块中如自动清根等功能一样的特有模块，适合于高难度的数控程序编制。

（7）高速铣削加工的支持

系统提供的等高分层加工应用于高速铣削场合，在转角处以圆角的形式过渡，避免90°急转（高速场合对导轨和电机容易损坏），同时采用螺旋进退刀，系统还提供环绕等多种方式支持高速加工刀具轨迹的生成策略。

【3】刀具轴的导动方式

空间曲面轴加工涉及的内容比较多，尤其是五轴加工时更明显。

进行五轴加工时，涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技术。

四轴五轴加工的关键技术之一是理解刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间的变化。

刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。

对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可加工出产品。

五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。

刀具轴的矢量变化控制一般有如图3所示的几种方式。

【4】刀具轨迹的编辑修改

该模块可在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并进行图形化修改，具有刀位文件复制、编辑和修改，定义刀具、机床和切削参数数据库等功能（如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等），可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁等。

【5】加工仿真

切削仿真模块UG/Vericut是集成在UG软件中的第三方模块，它采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一种方便的验证数控程序的方法。

由于省去了试切样件的步骤，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作。

通过定义被切零件的毛坯形状，调用NC刀位文件数据，就可检验由NC生成的刀具路径的正确性。

UG/Vericut可以显示出加工后并着色的零件模型，用户可以容易地检查出不正确的加工情况。

作为检验的另一部分，该模块还能计算出加工后零件的体积和毛坯的切除量，因此就容易确定原材料的损失。

Vericut提供了许多功能，其中有对毛坯尺寸、位置和方位的完全图形显示，可模拟2～5轴联动的铣削和钻削加工。

【6】后置处理

后置处理最重要的是将CAM软件生成的刀位轨迹转化为适合数控系统加工的NC程序，通过读取刀位文件，根据机床运动结构及控制指令格式，进行坐标运动变换和指令格式转换。

通用后置处理程序是在标准的刀位轨迹以及通用的CNC系统的运动配置及控制指令的基础上进行处理。

它包含机床坐标运动变换、非线性运动误差校验、进给速度校验、数控程序格式变换及数控程序输出等方面的内容。

只有采用正确的后置处理系统才能将刀位轨迹输出为相应数控系统的机床能正确进行加工的数控程序，因此，编制正确的后置处理系统模板是数控编程与加工的前提条件之一。

后处理的主要内容包括三个方面的内容。

（1）数控系统控制指令的输出：

主要包括机床种类及机床配置、机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环和程序头尾输出等方面的控制。

（2）格式转换：

包括数据类型转换与圆整、字符串处理等，主要针对数控系统的输出格式，如单位、输出地址字符等方面的控制。

（3）算法处理：

主要针对多坐标加工时坐标变换、跨象限处理和进给速度控制等。

UG的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序。

该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，多年的应用实践中已被证明适用于２～５轴或更多轴的铣削加工，２～４轴的车削加工和电火花线切割。

UG/NurbsPathGenerator样条轨迹生成器模块允许在UG软件中直接生成基于Nurbs样条的刀具轨迹数据，使得生成的轨迹拥有更高的精度和光洁度，而加工程序量比标准格式减少30%～50%，实际加工时间则因为避免了机床控制器的等待时间而大幅度缩短。

该模块是希望使用具有样条插值功能的高速铣床（FANUC或SIEMENS）用户必备工具。

后置处理程序将CAM系统通过机床的CNC系统与机床数控加工紧密结合起来。

【7】切削参数库设计

使用系统库可以得到机床、刀具及其材料、零件材料、切削工艺方法、主轴转速及进给速度的数据，定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库，使粗加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺，提供储存刀具及切削参数和标准刀具指令数据库。

用户通过修改库中的数据，使其满足本企业的需要。

1.2.数控加工

数控加工：

根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。

数控加工的原理：

通过把数字化了的刀具移动轨迹信息（通常指CNC加工程序），传入数控机床的数控装置，经过译码、运算，指挥执行机构（伺服电机带动的主轴和工作台）控制刀具与工件相对运动，从而加工出符合编程设计要求的零件。

数控加工主要包括以下几个步骤：

A.阅读零件图纸：

充分了解图纸的技术要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工件的材料、硬度、加工性能以及工件数量等；

B.工艺分析：

根据零件图纸的要求进行工艺分析，其中包括零件的结构工艺性分析、材料和设计精度合理性分析、大致工艺步骤等；

C.制定工艺：

根据工艺分析制定出加工所需要的一切工艺信息——如：

加工工艺路线、工艺要求、刀具的运动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进给量、吃刀深度）以及辅助功能（换刀、主轴正转或反转、切削液开或关）等，并填写加工工序卡和工艺过程卡；

D.数控编程：

根据零件图和制定的工艺内容，再按照所用数控系统规定的指令代码及程序格式进行数控编程；

E.程序传输：

将编写好的程序通过传输接口，输入到数控机床的数控装置中。

调整好机床并调用该程序后，就可以加工出符合图纸要求的零件。

1.3数控技术的发展前景

1.3.1.高速、高精加工技术及装备的新趋势

   效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

   在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。

近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。

这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

   从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。

目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。

美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。

加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r/mm和1g。

   在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

   在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

1.3.2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展

   采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。

一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。

但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。

   当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。

因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床的发展。

1.3.3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

   21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

   为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC（TheNextGenerationWork-Station/MachineControl）、欧共体的OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems）、日本的OSEC（OpenSystemEnvironmentforController），中国的ONC（OpenNumericalControlSystem）等。

数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

   网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造