果蔬切片机.docx

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果蔬切片机

实践教学环节

课程名称

CAD/CAE/CAM

课程编码

佳木斯大學

机械设计制造及其自动化专业

（卓越工程师）

设计说明书

（CAD/CAE/CAM课程设计）

题目：

果蔬切片机的CAD/CAE/CAM制作

学院：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

姓名：

指导教师：

完成日期：

2014年6月19日

佳木斯大学机械工程学院

2014年6月

摘要

本文介绍了，果蔬切片机的CAD、CAE、CAM制作过程。

果蔬切片机可以对土豆、马铃薯、苹果甚至一些冷冻的肉制品进行切片。

本文以果蔬切片机的三维模型为例，研究CAD/CAE/CAM技术[1]在设计、分析、加工中集成一体的练习，使计算机的技术和三维模型设计制造相互结合与渗透。

果蔬切片机用Creo2.0创建三维模型，用ANSYS14.5Workbench和UG8.5软件分别对电机支座进行静态受力分析以及加工过程仿真。

最后使用UG软件做辅助制造CAM，可生成加工刀具轨迹，并进行加工刀具轨迹的仿真，从而，生成NC数控加工代码，控制数控机床完成模具的加工。

采用CAD/CAE/CAM一体化技术，各环节技术集成起来，统一数据库和文件传输格式，实现信息集成和数据资源共享，自动化程度很高，可实现从建模直接到加工出实体零件的先进制造。

。

关键词　：

CAD/CAE/CAM技术、先进制造

第1章果蔬切片机的三维制作

1.1重要零件的三维制作

用软件cero2.0，如图1-1所示，对果蔬切片机进行三维建模，由于零件很多，无法对每一个零件进行纤细的设计说明，这里只挑选两个重要零件进行制作过程的说明。

图1-1软件cero2.0界面

1.1.1电机支座的三维制作

首先文件新建，选择零件，不使用缺省模块，如图1-2所示。

图1-2新建零件

如图1-3红色箭头所示，选择mmnspartsolid零件类型。

图1-3选择零件类型

点击确定以后，会出现如图1-4所示，然后选RIGHT、TOP、FRONT中的一个平面进入二维界面点击拉伸，然后草绘，如图1-5所示。

图1-4二维界面

图1-5草绘

根据电机支座的使用要求，利用草绘模式绘制二维平面图，电机支座各部分尺寸如图1-6所示。

图1-6电机支座草绘图

绘制完封闭二维图，然后拉伸50mm，如图1-7所示，点击对号生成三维模型。

图1-7三维模型的生成

然后以底面为基准面，以同样的步骤进行底面支撑板的三维实体绘制，如图1-8所示，底面的长、宽分别为85mm、80mm。

图1-8底面支撑板的三维实体绘制

选择拉伸的厚度为15mm，然后用去除的方法得到一个螺栓孔，再用阵列的方法得到四个螺栓孔，最终得到电机支座的三维实体，如图1-9所示

图1-9电机支座的三维实体

1.1.2往复机构的三维制作

前面的步骤和电机支座的步骤都一样，进入草绘，往复机构[2]的尺寸外形如图1-10所示。

图1-10往复机构草绘图

选择厚度，进行拉伸，如图1-11红色箭头所示，得到往复机构三维建模。

图1-11往复机构三维建模

然后草绘其中的一个齿，它的尺寸和角度如图1-12所示。

图1-12内齿的绘制

然后进行阵列得到内齿，再根据拉伸画出推板、最后进行倒圆角得到往复机构的三维模型如图1-13所示

图1-13往复机构的三维模型

1.2果蔬切片机的装配过程

1.2.1零件装配

首先设置工作目录，在设置的工作目录中新建一个文件夹命名为装配，将所绘制的所有元件都导入到这个文件中。

打开软件creo2.0界面，选择新建、组件、设计，不使用缺省模板，确定选项如图1-14所示。

图1-14creo2.0绘制选项

选择mmnsasmdesign选项，选则确定如图1-15所示。

图1-15creo2.0设定模块

选择将元件添加到组件中

选项，将组件中的一个元件添加到装配图中，选择约束中的缺省选项，第一个元件就变成了完全约束。

再选择将元件添加到组件中

选项，如图1-16所示。

图1-16装配界面

添加组件将电机外壳导入，放在合适位置，选择对齐约束和偏移约束得到如图1-17所示。

图1-17电机外壳装配

继续添加组件将电机轴导入，放在合适位置，选择对齐约束和配对约束得到如图1-18所示。

图1-18电机轴的装配

继续添加组件皮带轮导入，放在合适位置，选择对齐约束和匹配约束得到如图1-19所示。

图1-19皮带轮的导入

继续添加组件将皮带导入，放在合适位置，选择对齐约束和匹配约束得到如图1-20所示。

图1-20皮带轮的装配

继续添加组件将另一个皮带轮导入，放在合适位置，选择滑动杆约束得到如图1-21所示。

图1-21另一个皮带轮的导入

继续添加皮带轮导入，放在合适位置，选择对齐和匹配约束得到如图1-22所示。

图1-22皮带轮的装配

继续添加组件将刀盘、刀架、刀片依次导入，放在合适位置，选择对齐和匹配约束得到如图1-23所示。

图1-23刀盘、刀架、刀片的装配

继续添加组件将槽导入，放在合适位置，选择对齐和匹配约束得到如图1-24所示。

图1-24槽的装配

继续添加组件将循环往复机构导入，放在合适位置，选择对齐和匹配约束得到如图1-25所示。

图1-25往复机构的装配

继续添加组件将支撑往复机构的两个支撑套依次导入，放在合适位置，选择对齐和匹配约束得到如图1-26所示。

图1-26支撑套的装配

添加组件将不完全齿轮导入放在合适位置，选择对齐和匹配约束得到如图1-27所示。

图1-27不完全齿轮的装配

继续添加组件将前期装配的电机作为一个整体导入，放在合适位置，选择对齐和匹配约束得到如图1-28所示。

得到最终的总体装配图，如图1-29所示

图1-28电机整体的装配

图1-29总体装配图

第2章ANSYS受力分析

2.1软件简介

ANSYS14.5Workbench版本是ANSYS的一个子程序，它的主要功能是对机构进行静态、动态受力分析，以及流体分析[3]、温度分析的一种专业分析软件。

这次设计用ANSYS14.5Workbench对电机支座进行静态的受力分析，包括：

受力变形、压力分析、拉力分析、抗损坏分析等。

如图2-1、2-2所示，分别为ANSYS14.5Workbench的快捷方式和界面。

图2-1ANSYS14.5Workbench的快捷方式图2-2ANSYS14.5Workbench界面

2.2轴承支座的ANSYS14.5Workbench的分析过程

2.2.1前处理过程

在电脑的快捷方式下打开ANSYS14.5Workbench，如图2-3所示，点击红色箭头，出现如图2-4所示的工作界面，然后点击OK按钮即可完成打开的操作。

图2-3打开的第一步图2-4工作界面

然后进入AnalysisSystem界面，它的功能有静态分析、流体分析、动态分析等，如图2-5所示，然后点击如图所示StaticStructural进行静态结构分析。

图2-5功能显示图

打开静态分析图可得，如图2-6所示的步骤流程图，然后分别对所分析的零件进行几何实体的导入、单元网格划分、固定约束与外部约束的添加、结果数据生成与分析。

图2-6步骤流程图

2.2.2电机支座三维模型的导入

如图2-7如图所示点击Geometry选择InputGeometry选择Brower找到电机支座的igs文件格式，然后导入三维模型如图2-8所示。

图2.7三维模型的导入过程

图2-8三维实体导入

2.2.3单元网格的划分

如图2-9所示，在工具栏中选择Mesh然后选择Insert的下拉菜单Sizing对外形进行划分网格。

图2-9单元网格划分的步骤

选择操作栏的BodySizing然后点击零件进而把两件整体看作一个划分单元，如图2-10所示。

图2-10零件的定义

然后对网格的大小进行设置如图2-11红色箭头所示，设置单元的大小为0.01平行毫米。

图2-11网格大小的设定

经过设置材料属性生成最终的网格划分图，如图2-12所示。

2-12单元网格的划分

2.2.4固定约束与外部约束的添加

对电机制作进行固定约束与外部约束的添加。

首先点击如图2-13所示的StaticStructural（A5），进入固定约束与外部约束的添加界面，固定约束与外部约束的操作选项如图红色箭头部分所示。

图2-13固定约束与外部约束的添加对好框

选择Supports的下拉菜单中的Fixedsupports选项，如图2-14所示，分别对电机支座的四个螺栓孔添加固定约束。

图2-14四个螺栓孔添加固定约束

然后选择Loads的下拉菜单中的pressure对电机支座的上表面施加外部载荷如图2-15所示。

图2-15电机支座的上表面施加外部载荷

在设定栏中设定压力大小为2000Pa如图2-16所示，完成固定约束与外部约束的添加。

图2-16压力大小的设置

2.2.5结果数据生成与分析

选择Solution（A6），进入结果分析界面，如图2-17所示，可分别对Deformation（受力变形分析）、Strain（负载力分析）、Stress（压应力分析）、Energy（能源密度分析）、Damage

（抗损坏受力分析）。

图2-17结果分析界面

如图2-18红色文本框所示，选择一些具有代表性的选项进行静态分析，选择分析的主要有总体受力变形、沿受力方向上的受力变形、负载力分析、最大负载力分析、压应力分析、平均压应力分析、能量密度[4]分析。

图2-18静态受力分析

以总的受力变形为例说明，选择Deformation的下拉菜单的Total选项如图2-19所示，进行分析。

图2-19总体受力变形

选择静力分析，如图2-20所示，总体受力变形进行Solve，完成总体受力变形的操作过程。

图2-20总体受力变形的操作过程

总体受力变形的分析结果如图2-20所示，从分析的结果可以看出变形量最大的部位为电机支座的两侧，最大变形量为4.060mm，从两侧到中间变形量越来越小，底板的受力变形最小。

图2-20总体受力变形分析结果

如图2-20所示，为沿受力方向的变形分析图，从分析的结果可以看出变形量最大的部位为电机支座的有侧，最大变形量为2.2691mm，最小变形量为左侧，受力方向为右侧。

图2-20沿受力方向的变形分析图

如图2-21所示，为负载力分析图，从分析的结果可以看出变形量最大的部位为电机支座的中间连接部分，以及螺栓孔部位，最大变形量为2.1604mm，最小变形量为边缘部位，受力方向为竖直向下。

图2-21负载力分析图

如图2-22所示，为最大负载力分析图，从分析的结果可以看出变形量最大的部位为电机支座的中间连接部分，以及螺栓孔部位，最大变形量为2.2566mm，最小变形量为边缘部位，受力方向为竖直向下。

图2-22最大负载力分析图

如图2-23所示，为压应力分析图，从分析的结果可以看出变受力最大的部位为电机支座的中间连接部分，以及螺栓孔部位，最大压应力为43061Pa，压应力的大小从中间向两侧逐渐减小，最小压应力为边缘部位。

图2-23压应力分析图

如图2-24所示，为平均压应力分析图，从分析的结果可以看出受力最大的部位为电机支座的中间连接部分，以及螺栓孔部位，最大压应力为18913Pa，压应力的大小从中间向两侧逐渐减小，最小压应力为边缘部位。

图2-24平均压应力分析图

如图2-25所示，为能源密度分析图，从分析的结果可以看出受力集中的部位为电机支座的中间连接部分，以及螺栓孔部位。

图2-25能源密度分析图

第3章UG8.5软件的数控铣床仿真分析

3.1UG8.5软件简介

Unigraphies（简称UG）是美国unighiessolutions公司五大主要产品（UG、Parasolid、iMAN、solidEdge、productVision）之一，以CAD/CAE/CAM一体化而著称。

它基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出复杂的产品模型。

图3.1UG开始界面

3.1.1NC加工简介

UGNX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UGNX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：

如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。

该模块同时提供通用点位的加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。

该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、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。

UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。

UGNX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，该模块在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。

3.1.2UG在本课程设计中的应用

在本课程CAD-CAE-CAM设计中，UG软件主要负责的是在CAM三轴数控铣床的仿真工作。

基于UG8.5模块下的【加工】模块对电机支座进行数控铣加工仿真，其仿真过程如下所示。

3.2仿真准备工作

3.2.1数控铣仿真立铣刀的选择

计算机辅助制造是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。

在计算机进行辅助制造的时基于加工工艺的基础之上的，没有实际的生产理论和工艺过程理论，CAM的优势也将发挥不出来，因此在进行CAM时需要对所加工的零件进行工艺分析。

所设计模型的尺寸较小，同时存在曲面与夹缝需要进行处理。

对此选用刀具时要考虑到这些因素。

初步的加工过程如下图3-2所示：

图3-2工艺过程示意图

表3-1为加工参数：

表3-1各阶段加工参数

粗加工

半精加工

精加工

边角加工

主轴转速

1500r/min

2000r/min

2500r/min

2500r/min

进给量

125mm/min

200mm/min

500mm/min

500mm/min

Z轴进给

3mm

1mm

0.1mm

0.05mm

刀具选用

001#

002#

003#

004#

参考图3-3二刃高硬度球头铣刀与图3-4二刃高硬度圆鼻铣刀，最终选择出四把铣刀参数为：

001#——二刃高硬度球头铣刀G-BMT-2100；

002#——二刃高硬度圆鼻铣刀G-RMT-4060R1.0；

003#——二刃高硬度圆鼻铣刀G-RMT-4040R1.0；

004#——二刃高硬度球头铣刀G-BMT-20200；

图3-3二刃高硬度球头铣刀参数

图3-.4二刃高硬度圆鼻铣刀参数

3.2.2导入电机支座三维模型

Step1．在打开的软件界面中单击

按钮；

Step2．在弹出式对话框【打开】中选择文件类行为“*.x_t”，找到文件存放路径，单击“OK”按钮，打开所需文件，如图3-5所示；

图3-5打开对话框

Step3．由于模型为导入模型，不是UG软件所创建的文件，所以此时进入的软件环境为“基本环境，单击

按钮，选择下拉进入菜单中的

环境中，如图3-6所示；

图3-6加工仿真环境界面

3.3基本设置

Step1．在弹出式对话框【加工环境】中选择“要创建的CAM设置”类型为“millcountour”，单击“确定”按钮，如图3-7所示，进入CAM仿真环境中。

图3-7加工环境对话框

Step2．首先了解一下几个常用的工序导航器的切换按钮，这几个按钮会在今后的数控加工中被经常使用。

——程序顺序视图（在工序导航器中显示程序顺序视图）；

——机床视图（在工序导航器中显示机床视图）；

——几何视图（在工序导航器中显示几何视图）；

——加工方法视图（在加工导航器中显示加工方法视图）。

Step3．在【程序顺序视图】下修改程序的名字改为“NO-1”，便于后面的操作。

Step4．由于创建模型时所采用的基准平面不是XY平面，所以导致在视图窗口中的模型正方向不是ZC轴，而是YC轴，如图3-8所示；

图3-8修改坐标系方向

Step5．选中模型中的坐标系，双击鼠标左键对模型参考坐标系进行修改，此时将鼠标指针移至YC与ZC之间的圆弧处出现两个逆向的箭头，

Step6．保持参考坐标系处于编辑状态，拖动坐标系原点移至模型靠近的上顶角，如图3-9所示，完成操作后单击鼠标中间确认；

图3-9重新设定参考坐标系原点

3.4几何视图操作

Step1．切换导航视图至“几何视图”，双击导航器中的

按钮，在弹出式对话框中【机床坐标系】中单击

“CSYS对话框”，移动加工坐标系至工件顶端，如图3-10所示，完成后单击对话框中的“确定”按钮完成操作。

图3-10设置工件坐标系

Step2．双击几何视图导航器中的

按钮，在弹出式对话框【工件】中单击“几何体”→“指定部件”中

按钮（选择或编辑部件几何体）。

Step3．在弹出式对话框【部件几何体】时，单击工件模型，选择工件模型为加工目标模型，如图3-11所示，选择完成后单击“确定”按钮，完成选择。

图3-11“部件几何体”对话框

Step4．继续单击选择单击“几何体”→“指定毛胚”中

按钮（选择或编辑毛胚几何体）。

在弹出式对话框“毛胚几何体”对话框中选择“类型”中的“包容块”，在“限制”中ZM+输入框中输入“5”，使得毛胚向上延伸5mm，如图3-12所示，完成操作后单击“确定”按钮，完成操作。

图3-12毛胚几何体

Step5．当操作完成后，在每个操作右侧的螺栓图标都会高亮显示，单击“指定毛胚”中的

图标，操作视图中会以线框模式显示毛胚的大小，如图3-13所示。

图3-13显示毛胚体积

Step6．单击“工件”对话框中的

按钮，完成对工件的操作。

3.5创建立铣刀刀具

Step1．将导航窗口调至“机床视图”，单击

（创建刀具）按钮；

Step2．在弹出式对话框【创建刀具】中，选择刀具类型为“millcountour”，选择刀具的子类型为“立铣刀”，在名称中输入刀具名称“001”，单击“确定”按钮，完成操作，如图3-14所示。

图3-14“创建刀具”对话框图3-15创建刀具参数

Step3．在接下来弹出的对话框【铣刀-5参数】中，根据图4.2.1.3中所选择的刀具，输入刀的直径为10，下半径为5，创建球面铣刀，在“编号”一栏中输入“刀具号”为1，“补偿寄存器”为1，“刀具补偿寄存器”为1，然后单击“确定”按钮，完成“001刀具”的创建，如图3-15所示。

3.6粗加工仿真

Step1．将导航器切换到“加工方法视图”

Step2．单击

（创建工序）按钮；

Step3．在弹出式对话框【创建工序】中选择工序类型为“millcountour”，在“工序子类型”中选择“型腔铣”；在“工序”中选择“NO-1”；“刀具”中选择001；在“几何体”中选择“WORKPIECE”；在“方法”中选择“MILLROUGH”，如图3-16所示，然后单击“确定”按钮，完成操作。

图3-16创建工序

Step4.在弹出式对话框【型腔铣】中“刀轨设置”中输入最大距离为3，如图3-17所示。

图3-16【切削参数】对话图3-18修改切削参数

Step5．单击【型腔铣】对话框中的

（切削参数）按钮，在弹出式对话框【切削参数】中的“余量”下修改部件侧面余量为0.8，如图3-18所示，修改完成后单击“确定”按钮，完成操作。

Step6．单击【型腔铣】对话框中的

（速度和进给率）按钮，在弹出式对话框【进给率和速度】中修改“主轴转速”为“1500”，“第一刀切削”为“125”，如图3-19所示，完成操作后单击“确定”按钮退出。

图3-19进给率和速图3-20生成的粗铣加工轨迹度图3-21刀轨可视化

Step7．单击【型腔铣】对话框中的

（生成）按钮，生成铣削轨迹如图3-20所示；

Step8．单击【型腔铣】对话框中的

（确认）按钮，观察轨迹运动过程。

在弹出式对话框【刀轨可视化】中选择“3D动态”，选择“运动速度”为4，单击

（播放）按钮，观察刀轨，如图3-21所示。

操作完成后可得到粗加工的仿真运动示意图，如图3-22所示。

图3-22粗加工仿真示意图

3.7半精加工仿真

Step1．将导航窗口调至“机床视图”，单击

（创建刀具）按钮；

Step2．在弹出式对话框【创建刀具】中，选择刀具类型为“millcountour”，选择刀具的子类型为“立铣刀”，在名称中输入刀具名称“002”，单击“确定”按钮，完成操作；

Step3．在接下来弹出的对话框【铣刀-5参数】中，根据图3-21中所选择的刀具，输入刀的直径为6，下半径为1，创建圆鼻铣刀，在“编号”一栏中输入“刀具号”为2，“补偿寄存器”为2，“刀具补偿寄存器”为2，然后单击“确定”按钮，完成“002刀具”的创建，如图3-23所示，单击“确定”按钮退出对话框。

图3-23创建002#圆鼻铣刀图3-24创建工序

Step4．将导航器切换到“加工方法视图”，单击

（创建工序）按钮；

Step5．在弹出式对话框【创建工序】中选择工序类型为“millcountour”，在“工序子类型”中选择

（剩余铣）按钮；在“工序”中选择“NO-1”；“刀具”中选择002；在“几何体”中选择“WORKPIECE”；在“方法”中选择“MILL_SEMI_FINISH”，如图3-24所示，然后单击“确定”按钮，完成操作。