烟灰缸的几何造型及仿真加工毕业设计.docx
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烟灰缸的几何造型及仿真加工毕业设计
毕业设计（论文）
题目：
烟灰缸的几何造型及仿真加工
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：
毕业设计（论文）鉴定表
院系机电工程学院专业机械制造与自动化
年级2009级姓名杨斌斌
题目烟灰缸的几何造型及仿真加工
指导教师：
张权
评语
过程得分：
（占总成绩20%）
是否同意参加毕业答辩
指导教师（签字）
答辩教师
评语
答辩得分：
（占总成绩80%）
毕业论文总成绩等级：
答辩组成员签字
年月日
毕业设计（论文）任务书
班级：
2009级机械班学生姓名杨斌斌学号：
200903050164
发题日期：
2011年12月15日完成日期：
2012年3月日
题目烟灰缸的几何造型及仿真加工
1、本论文的目的、意义
1）Mastercam的发展及其在数控领域的应用
2）了解CAD/CAM技术的一些基本操作
3）掌握零件加工数控技术及工艺分析
4）掌握Mastercam在实际加工中的应用
5）掌握论文资料调研、写作方案的拟定、撰写方法
2、学生应完成的任务
1）资料调研、确定写作方案
2）查阅相关资料
3）应用Mastercam绘制相关图形
4）对零件加工工艺分析、确定加工方案
5）应用Mastercam对图形加工编程
6）应用Mastercam对图形进行实体切削仿真验证
7）编制零件加工程序
8）完成论文撰写、答辩
3、论文各部分内容及时间分配：
（共20周）
第一部分查阅与Mastercam相关的资料（3周）
第二部分对零件加工工艺分析（4周）
第三部分使用Mastercam对图形绘制和编制加工程序（6周）
第四部分根据设计资料编写设计说明书（10周）
第五部分交到老师处由老师指导修改（3周）
评阅及答辩（1周）
备注
指导教师：
张权年月日
审批人：
年月日
摘要
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，它是集传统的机械制造技术，计算机模拟及仿真加工技术，机床仿真及后置处理，机械加工工艺，装夹定位技术与夹具设计与制造技术，金属切削理论，以及毛坯制造技术等多方面的关键技术。
数控技术的发展具有良好的社会和经济效益，对国家整个制造业的技术进步，进步制造业的市场竞争力有着重要的意义。
数控技术是用数字或数字信号构成的程序对设备的工作过程实现自动控制的一门技术，简称数控（NumericalControl即NC）。
数控技术综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密检测、机械设计和机械制造等技术的最新成果，通过程序来实现设备运动过程和先后顺序的自动控制，位移和相对坐标的自动控制，速度、转速及各种辅助功能的自动控制。
数控系统是指利用数控技术实现自动控制的系统，而数控机床则是采用数控系统进行自动控制的机床。
其操纵命令以数字或数字代码即指令的形式来描述，其工作过程按照指令的控制程序自动进行。
数控技术是发展数控机床和先进制造技术的最关键技术，是制造业实现自动化、柔性化、集成化的基础，应用数控技术是进步制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。
数控机床作为数控技术实施的重要装备，成为进步加工产品质量，进步加工效率的有效保证和关键。
MastercamX是美国CNCSoftware公司于2005年推出的新产品，是CAD/CAM与一体的最新软件，是面向机械制造行业的重要CAD/CAM软件最优秀之一，在机械、电子、模具、汽车、航空、造船等行业中有着广泛的作用。
MastercamX主要分为两个部分：
一部分主要是绘制二维和三维图形，任何一零件在加工前必须绘制图形，绘了二维或三维图形；另一个是利用CAM部分中各种曲面的精加工方法，生成NCI文件，是数控机床能接受，然后传送给数控加工中心选取合适的刀具进行加工。
关键词：
数控技术；Mastercam；CAD/CAM
第1章绪论
本章主要介绍数控加工的概念、组成、加工对象以及加工步骤，数控机床的组成，数控技术的现状及发展方向；Mastercam的基本情况和功能模块。
1.1数控加工的概述
1.1.1数控加工的概念
数控（NumericalControl,NC）是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法。
数控机床是应用数控技术对加工过程进行控制的机床。
数控加工是采用数控机床加工零件的方法。
1.1.2数控机床的组成与原理
数控机床是由输入输出设备、数控设备、伺服系统和机床本体等部分组成，其结构框图如1.1所示。
输入输出设备数控装置伺服系统机床本体
反馈装置
图1.1数控机床的组成
伺服系统的主要作用是根据控制系统发出的控制信号驱动执行元件运动。
伺服系统由驱动装置和执行元件组成，其中常用的执行元件有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机3种。
机床主体是加工运动的实际部件，包括主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）和支撑部件（如床身、立柱）等。
有些数控机床还配备了特殊的部件，如刀库、自动换刀装置和托盘自动交换装置等。
数控机床本体结构与传统机床相比有很大的变化，普遍采用了滚珠丝杠、滚动导轨，传动效率更高。
由于减少了齿轮的使用数量，使传动系统更为简单。
大多数数控机床还具有位置检测装置，用于检测实际的位移量。
伺服系统中的位移比较环节就是对控制位移量与实际位移量进行比较，根据比较的差值，调整控制信号，适时控制机床的运动位置。
1.1.3数控机床的分类与加工步骤
数控机床的分类方法有多种，如果从数控机床应用的角度分类，可分为数控车床、数控铣床、多轴数控铣床和加工中心等。
1.数控铣床
典型的立式数控铣床如图1.3所示。
其中主轴带动刀具旋转，且主轴箱可上下移动（Z轴），工作台可沿横向和纵向移动（X、Y轴）。
二轴联动的数控铣床可以加工复杂的内外型轮廓和简单的型腔；具有复杂曲面的零件可以在三轴联动的数控铣床上加工。
图1.3典型的立式数控铣床结构
2.多轴数控铣床
如果使数控铣床的工作台和主轴箱实现围绕X、Y、Z坐标轴旋转的运动（分别为A、B、C轴），则就成了多轴（四、五坐标联动）数控铣床。
如图l.4所示的A向和B向的转动进给就构成了五轴数控铣床，它可以加工更为复杂的空间曲面。
图1.4典型的多轴数控铣床结构
3.加工中心
如果给数控铣床配上刀库和自动换刀装置就构成了加工中心，如图1.5所示为立式加工中心。
加工中心的刀库可以存放数十把工具，由自动换刀装置进行调用和更换。
工件在加工中心上的一次装夹可完成多项加工内容，生产效率与数控铣床相比大大提高。
有些高端加工中心，不仅具有回转刀库，还具有交换托盘，当一个工件正在加工时，可以在交换托盘内装夹下一个工件。
当前一个工件加工完毕，下一个将要加工的工件会自动移动到工作台上，从而节约了由于工件装夹而用机床的时间，提高了机床的有效加工时间。
图1.5立式加工中心的结构
1.1.4数控技术的现状与发展方向
1．数控技术的现状
20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。
自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50多个年头。
数控设备包括：
车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专用机床，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10-20万台，产值上百亿美元。
世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。
90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。
如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。
我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。
但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50％，库存超过4个月。
从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。
当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。
目前我国是全世界机床拥有量最多的国家，但我们的机床数控化率仅达到1.9％左右，这与西方工业国家一般能达到20％的差距太大。
日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。
数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。
2．数控技术的发展趋势
近十年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。
（1）.高速化与高精度化
要实现数控机床高速化，首先要使计算机系统读入加工指令数据后能高速处理并计算出伺服电动机的移动量，并要求伺服系统能快速地做出使数控机床在极短的空行程内由零加速到高速度和在高行程速度下保持高定位精度，必须具有高加速度、高精度的位置检测系统和伺服系统。
此外，必须实现主轴、进给系统、刀具交换系统、托盘交换系统等各种关键部分的高速化。
因此需要重新考虑设备的全部特性，即从机床的基础部件到刀架等。
数控机床的加工精度的提高，一般通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。
在减少CNC系统控制误差方面，通常采用的是提高数控系统的分辨率，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，提高位置检测精度，以及在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。
在采用补偿技术方面，除采用齿隙补偿，丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，设备的热变形误差补偿技术和空间误差的综合补偿技术已成为世界范围的研究课题。
（2）.智能化
在数控机床工作过程中，有很多变量直接或间接影响加工效果，如工件毛坯余量不均匀、材料硬度不一致、刀具磨损或破损、工件变形、化学亲和力、润滑和切削液等因素。
这些变量是事先难以预测的，编制加工程序时往往凭经验数据，而实际加工时，难以用最佳参数进行切削。
现代数控机床采用了自适应控制技术，它能根据切削条件变化而自动调整并保持最优工作状态，从而使得经济效果好，加工精度和表面质量高。
另外，在现代数控机床上装有各种类型的监控、检测装置，对工件及刀具进行监测，并监视加工全过程。
一旦发现工件尺寸超差、刀具磨损破损，便立即报警，并补偿或调换刀具。
（3）.高可靠性
现代数控机床的可靠性是在设计阶段就开始进行，即预先确定可靠性指标，在生产过程中模拟实际工作条件进行检测并采取各种提高可靠性的措施予以保证。
通常采用的可靠性技术有：
冗余技术、故障诊断技术，自动检错、纠错技术，系统恢复技术，软件可靠性技术。
采取以下措施提高系统的可靠性：
提高元器件和系统的可靠性、采用抗干扰技术、使数控系统模块化、通用化和标准化、提高自诊断及保护功能。
1.2Mastercam简介
Mastercam软件是美国CNCSoftware,INC开发的基于PC平台上集设计和制造的CAD/CAM一体化系统，是最经济有效率的全方位的软件系统。
它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径模拟及真实感模拟等功能于一身。
它具有方便直观的几何造型Mastercam提供了设计零件外形所需要的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。
Mastercam9.0以上版本还有支持中文环境，而且价位适中，对广大中小企业来说是理想的选择，是经济有效的全方位软件系统，是工业界及学校广泛采用的CAD/CAM系统。
Mastercam不但具有强大的造型功能，可设计出复杂的曲线、曲面零件，而且具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。
其可靠刀具路径效验功能使Mastercam可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况，不愧为优秀的CAD/CAM软件。
同时Mastercam对系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计、CNC铣床、CNC车床或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果。
Mastercam软件已被广泛应用于通用机械、航空、船舶、军工等行业的设计与NC加工，从80年代末起，我国就引进了这一款著名的CAD/CAM软件，我国的制造业迅速崛起作出了巨大贡献。
Mastercam主要功能及特点：
1.设计造型（design）功能
（1）强大的二维绘图功能：
可以快速高效的绘图、编辑复杂的二维图形，并能够方便地对二维图形进行尺寸标注、图形注释和图形填充等工作，还可以打印工程图样。
（2）完整的曲线设计功能：
可以设计和编辑二维、三维空间曲线，而且还可以灵活、方便地创建曲线曲面，包括相交线、分模线、剖切曲线、动态绘制曲线等。
（3）曲面造型方法丰富：
Mastercam可以非常直观地用多种方法创建规则曲面，也可以创建网格、扫掠曲面、举升曲面等多种不规则的光滑曲面。
（4）先进的实体建模功能：
可以对实体进行布尔运算、圆角、倒角、抽壳等处理，操作简单，适合零部件的结构设计。
铣削加工模块
Mastercam的操作管理器（OperationsManager）把同一加工任务的各项操作集中在一起，管理器的界面清晰明确。
加工使用的刀具以及加工参数等在管理器内，编辑、校验刀具路径也很方便。
在操作管理器着重很容易复制和粘贴相关程序。
在Mastercam系统中，挖槽铣削、轮廓铣削和点位加工的刀具路径与被加工零件的模型是相关联的。
当零件几何模型或加工参数修改后，Mastercam能迅速准确自动更新相应的刀具路径，无需重新设计和计算刀具路径。
用户可把常用的加工方法及加工参数存储于数据库中，将显著提高数控程序设计效率及计算的自动化程度。
2.车削加工模块
车削零件造型非常简单便捷，Mastercam具有完整的曲线曲面建模功能，建立二维、三维几何模型十分方便。
灵活、完整的曲面编辑和分析功能，保证几何模型的精度，修改几何模型后，相关的尺寸标注自动更新。
可在多个视窗内动态旋转、缩放几何图形、导航功能自动捕捉常用的特征点，提高建模速度。
Mastercam的数据转换器可与任何的CAD系统交换数据。
3.雕刻加工模块和线切割模块
Mastercam提供了丰富的粗精加工切削方式，它能完成二至五轴数控铣削加工编程，建立雕刻模型，选择合理加工方式即可达到文字雕刻的目的。
可以快速、高效的完成线切割加工程序的编制。
实体切割路径验证切削可以查看毛坯材料的实体切割过程，并可以查看在线切割路径的任何一点的动态信息，具有强有力的零件模型化功能。
第2章零件的几何造型及建模
本章主要了解和掌握基本实体（基本曲面）及创建实体、实体编辑、布尔运算、实体管理器、绘制工程图（三视图）、实体零件图等知识，烟灰缸几何造型和建模过程。
2.1实体建模简介
Mastercam提供了创建基本实体和曲面的功能，做成实体或曲面模型，主要是在选项对话框的右上角是选取“实体”还是“曲面”。
在生成实体过程中，主要有四种方式：
挤出实体、旋转实体、扫描实体、举升实体。
曲面生成实体是将一个或多个曲面转换为实体，生成两种型式的实体，如选取曲面为封闭曲面，则转换生成的是封闭实体，如选取曲面为开放式曲面，则生成的是薄片实体，若选择所有曲面，曲面之间边的凹口在指定公差内，创建一个闭式的实体，否则，创建一个开式薄片。
实体编辑是将已创建的实体进行编辑和修改，可进行倒圆角、倒角、薄壳、修剪、薄片实体（加厚实体）、移除实体面、牵引实体面、由曲面生成实体等。
倒圆角主要有边倒圆角、面与面倒圆角、可变倒圆角、整体倒圆角四种方法。
倒角或倾斜边是一种熔接边的线性截面形式，Mastercam倒角实体的边生成一个新的面，从实体的被选边增加或切除材料，不正切于原有边于边的面，确定倒角的长度可输入一个或两个，或一个距离和一个角度。
修剪有修剪刀平面、修剪刀曲面、修剪刀薄片实体三种。
薄壳功能是挖空实体，去除实体上的材料，选取实体的面。
薄壳的方向有朝内、朝外、双向三种方式。
薄壳的厚度有朝内的厚度和朝外的厚度两种方式。
布尔运算功能：
求和、求差、求交。
求和是将两个或两个以上现存实体合并在一起，创建增加的实体。
求差是从一个实体（目标实体）减去另一个实体（工具实体），创建新的是实体的过程。
求交是在两个实体中定义一个公共区域使两个实体进行搭接，创建的新实体。
选取的原始实体叫目标实体，增加或减去的实体叫工具实体。
实体绘制工程图（三视图）的设计功能使用Mastercam中已绘制的实体直接创建设计一个三视图，如俯视图、前视图、侧视图以及等角视图，自动将三视图安排在标准图幅中。
2.2烟灰缸的几何造型及建模
此次论文是运用Mastercam根据图2.2.1中的烟灰缸进行实体分析和仿真加工，利用数控加工相关知识以及Mastercam软件进行图形的绘制、零件的建模及实体的仿真加工。
图2.2.1
烟灰缸实体建模步骤：
1.打开MastercamX软件，新建图形，按F9键显示坐标系，在图层1中原点处绘制直径为110的圆和内接三角形。
再切换到图层2，使用圆弧“两点画弧”命令绘制三段半径90的圆弧，如图2.2.2所示。
图2.2.2
2．切换到图层3，关闭图层1，显示出等角视图，使用实体挤出命令对z轴方向向下建立烟灰缸基本体，拔模角朝外20度，挤出距离26，如图2.2.3所示。
图2.2.3
3.切换到图层4，在原点处绘制直径为70的圆。
如图2.2.4所示。
图2.2.4
4．使用实体挤出命令对z轴方向向下切割烟灰缸基本体。
设置拔模角朝内30度，挤出距离为20。
如图2.2.5所示。
图2.2.5
5.切换到图层5，设置构图面为前视角，在原点处绘制直径为12的圆。
然后，再使用实体挤出命令向y轴正方向建立出直径为12的圆的实体，拔模角为0度，挤出距离为60，如图2.2.6所示。
图2.2.6
6.设置构图平面为俯视角，使用转换菜单中“旋转”命令，复制出2个直径为12的圆柱，角度为120度，如图2.2.7所示。
图2.2.7
7.使用实体菜单中“布尔运算-切割”命令，在烟灰缸基本体中对3个圆柱进行切割。
如图2.2.8所示。
图2.2.8
8.关闭图层5显示，使用实体菜单中“倒圆角”命令，完成下图箭头所示位置处倒圆角，如图2.2.9所示。
图2.2.9
9.倒圆角后，选中整个图形，将鼠标指针移动到
单击右键，将线框转移到图层6中。
将图层6设为工作层后，如图2.2.10所示。
图2.2.10
10.完成之后，保存烟灰缸实体图样。
第3章零件仿真加工
本章主要是介绍曲面的加工类型，了解曲面精粗加工包含的相关知识以及掌握干涉面设定的相关问题，烟灰缸的仿真加工。
3.1曲面加工简介
Mastercam可以对简单曲面、多重曲面、实体面和CAD文件图形等进行加工。
曲面加工类型分为两大类：
曲面粗加工和曲面精加工。
曲面粗加工
曲面粗加工刀具路径是使用较大的铣刀，多次横向进给和深度铣削快速切除大量的毛坯材料，留下少量的余量进行精加工，工件的粗加工刀具路径依赖于零件、毛坯材料形状和加工设备的状态，选取不同的加工参数进行最优化加工。
Mastercam提供八种粗加工方法：
平行加工、径向加工、投影加工、流线加工、等高外形加工、残料加工、挖槽加工、插入式加工。
粗加工平行铣削刀具路路径是使用多次常数切削深度快速切除毛坯材料。
曲面精加工
曲面精加工刀具路径是切除粗加工留下的余量和残屑，使加工零件达到图纸尺寸，粗糙度和形状位置度的要求。
Mastercam提供11种精加工方法：
平行加工、平行陡坡加工、径向加工、投影加工、流线加工、等高外形加工、浅平面加工、交线清角加工、残料清角加工、O环绕等距加工、熔接加工。
精加工平行铣削使用同粗加工相同的方法，从一边至另一边切除粗加工留下的材料，切削可使用双向和单向切削。
精加工平行铣削最大步距是控制刀具每次在XY平面移动的距离，使用该设置切削深度，控制邻边间运动和曲面边的运动。
3.2曲面粗加工
曲面粗加工的加工刀路设置步骤：
1.设置坐标系：
打开烟灰缸实体模型文件，切换到图层6中，使用边界盒命令产生实体边界，使用直线命令连接边界盒上端对角点，切换视图到俯视图显示，按F9键显示出系统坐标系，可见当前边界盒中心与系统原点没有重合。
为方便用方形工件加工时使用分中对刀，使用转换菜单中“平移”命令，窗选所有图素，使用两点平移方式，指定对角线中点移动到系统原点，将边界盒中心移动到系统原点位置。
如图所示3.2.1
图3.2.1
2.切换到图层7，关闭图层6，以原点为中心，在-26高度处绘制130x130的矩形。
使用实体菜单“挤出”命令向Z轴负方向创建出一个10毫米厚度的方形料基础台。
再切换到图层8，使用转换菜单中“串联补正”命令，对基础台的外边缘线向外补正10毫米，以此用于后续加工中设定为边界线。
如图所示3.2.2
图3.2.2
3.对工件进行开粗去除大部分余量。
选择机床类型---铣床---默认，进入铣削编程。
选择刀具路径---曲面粗加工---挖槽加工，窗选所有曲面，定义好加工边界线，确定后进入“曲面粗加工挖槽”参数设置界面，设置好各页面相关参数，系统将计算出刀具的加工路径。
4.选择刀库中直径为20的圆鼻刀，并设置切削参数，精加工预留量0.5。
如图3.2.3
图3.2.3
5.设置下刀方式为螺旋式下刀、切削深度。
如图3.2.4
图3.2.4
6.选则切削方式为双向切削方式。
如图3.2.5
图3.2.5
7.对所编制好的刀具路径进行查看验证，如图3.2.6
图3.2.6
8.对系统产生的刀具路径进行实体验证，加工效果如图3.2.7所示。
图3.2.7
9.对基础台顶部平面进行加工。
再次选择刀具路径---曲面粗加工---挖槽加工，窗选所有曲面，定义好加工边界线，确
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