零件三维建模实验.docx

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零件三维建模实验

实验一零件的三维建模实验…………………………………………………………………………2

实验二从零件的CAD数据模型自动生成数控加工代码和加工仿真实验………………………7

实验三集成化CAD/CAPP系统实验………………………………………………………………16

实验一零件三维建模实验

一、实验目的

1、了解特征设计在CAD/CAM集成中的意义；

2、熟悉特征的种类的划分及特征拼合的基本方法，了解参数化设计方法。

3、了解各种计算机绘图软件的同时，掌握计算机绘图的系统知识，培养独立上机绘制二维、三维图形的能力，

二、实验原理

图形是人类传递信息的一种方法，从二维平面图到三维立体图，人类经常要绘制各式各样的图纸。

零件特征是零件们某一部分形状和属性的信息集合，如孔、槽台和基准等，一方面它能方便地描述零件的几何形状；另一方面，它能为加工、分析及其它工程应用提供必要和充分的信息。

基于特征的设计是CAD技术的发展，它克服了传统CAD的缺陷。

传统CAD只能表达底层的零件几何定义信息，如线架、边界表示（B-rep）和实体结构几何（CSG）的信息，点、线、面、体等，无法表达高层语义和功能信息，也不能对整个产品的外形进行抽象描述，更无法表达产品非几何信息，如工艺信息（公差装配等）、精度信息、材料信息、功能信息等。

特征是完整描述产品信息的方法，也是系统的灵活性和产品间数据交换的实现途径，特征已成为设计、制造、分析等各种应用之间传递信息的媒体。

特征设计是在设计阶段捕捉除几何信息以外的设计与加工信息，从而避免了特征提取与识别。

基于特征的设计系统使用参数化特征，并通过各类属性来描述零件的几何形状以及它们之间的功能关系，系统通常提供特征库，通过布尔运算等操作来生成零件的特征表示，但特征是孤立的信息，只有约束才能把它串联起来，形成产品。

因而把约束定义为产品生命周期内各环节对产品模型的类型、属性、语义和行为的限制，它是维持产品模型有效性的手段，它决定着产品的有效性和可实现性，具有一定的定义、识别、分类。

特征的分类方法很多，其严格依赖于特征定义，兼顾抽象、语义和形状因素。

形状特征的分类具有严格的教学形式，并符合已有实践和认识，对于特征库的建立，具有指导意义。

从应用观点出发，特征分类有：

1、按对待特征技术的研究划分：

特征识别、特征造型、特征映射。

2、按产品设计—制造过程划分：

设计特征、分析特征、公差特征、制造特征、检验特征、机器特征等。

3、按特征性质：

形状特征、精度特征、材料特征、工艺特征及装配特征。

4、按制造特点划分：

毛坯特征、过渡特征、基本特征、表面特征和拼装特征等。

有人把特征只分为两类：

形状特征和工艺特征。

形状特征用于构造零件的形状；工艺特征具有零部件加工、装配过程中应用的实际意义。

形状特征又可进一步分为两类：

基本特征和辅助特征。

基本特征构造零件模型的主要形状；辅助特征是依赖于基本特征而又具有某一特殊功能的特征。

特征造型是按对特征技术的研究划分中的一种类型。

特征造型将几何、拓扑信息及其相关属性参数化，考虑设计与制造意图的高层描述。

使用特征进行设计具有很多优点，其总体设计过程如下：

1、使用参数变量设计方法构造轮廓；

2、根据已有参数进行工程分析；

3、根据形成轮廓构造体素；

4、定义特征；

5、建立特征库

6、从特征库调用特征，构造零件模型。

一个特征造型系统至少应由三部分组成：

1、特征单元及拼合运算模块；

2、特征库；

3、显示处理模块。

需要特别进行两方面的工作：

1）、实现特征的参数化；2）、提供一种适合特征造型的数据结构，以满足特征信息的存储要求，同时实现快速灵活的查询。

该系统的信息模式设计必须考虑到：

1）、具有完备的数据定义；2）、CAD和CAM两方面的要求；3）、具有数据唯一性。

基于上面的条件，我们选用Pro/ENGINEER系统作为上机实验的特征造型系统，利用该系统对CAD/CAM进行特征建模。

实现参数化设计，零件和装配件的物理形状特征属性值（主要尺寸）来驱动，用户可以随意修改特征尺寸或其它属性。

数控加工在制造业中占有非常重要的地位，数控机床是一种高效的自动化设备，它可以按照预先编制好的零件数控加工程序自动地对工件进行加工。

理想的加工程序不仅应能加工出符合图纸要求的合格零件，同时还应使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥。

以使数控机床安全可靠且高效地工作。

对于几何形状不太复杂的零件加工，可使用手工编程，但对于几何形状复杂的空间曲面或几何元素虽不复杂但程序量很大的零件，手工编程比较困难，可采用自动编程的方法。

自动编程是用计算机来帮助人们解决复杂零件的数控加工编程问题。

自动编程又可按编程方式的不同分为APT（AutomaticalProgrammedTools）语言及图象编程两种方式。

APT语言：

APT语言是对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言，把用该语言书写的零件程序输入计算机，经计算机APT编译系统编译，产生数控加工程序。

图象编程方式：

其主要特点是以图形要素为输入方式，而不需要使用数控语言。

从编程数据的来源，零件及刀具几何形状的输入、显示和修改，刀具相对于工件的运动方式的定义，走刀轨迹的生成，加工过程的动态仿真显示，刀位验证到数控加工程序的产生等都是在图形交互方式下利用屏幕菜单和命令驱动进行的，具有形象、直观和效率高等优点。

PRO/ENGINEER系统采用统一数据库管理技术及参数化特征描述方法。

其制造模块（PRO/M）能产生生产过程规划，具有钻孔、车削、多坐标铣削、电火花线切割等加工编程能力。

基于此系统，产生零件的NC代码。

三、实验仪器

微机5台

配置如下：

硬件：

1）三键鼠标；

2）17吋以上显示器；

3）CPU至少为400MHZ以上；

4）RAM至少为128MB以上；

5）显卡至少支持OPENGL；

软件：

操作系统为WindowsNT4.0、Windows2000或者WindowsXP。

四、实验内容及步骤

Pro/E有零件设计、加工模拟、装配、工程图、有限元分析等几个功能模块。

我们首先设计一个零件，采用逆向设计，生成一个立体零件，也可利用CAD工程图。

Pro/E是先设计零件的实体，而后经对应的投影生成对应的三视图、剖面和局部视图等。

我们先设计一个实体零件，三维图形状及尺寸如图1所示：

Pro/E进行实体设计时先设计2D平面图，然后进行拉伸、挖剪、扫描、旋转、混合等操作而生成三维立体图。

图1加工零件

那么，我们先进行2D设计，进入二维状态。

1、进入Pro/E系统后，在主菜单的File/NEW选Part/name命名OK

2、建立坐标系

在浮动菜单MenuManager中Feature/Create/Datum/plan/Default生成三维坐标系。

如图所示，首先生成长方体然后再挖剪P字。

3、拉伸创建实体

●Create/Solid/Protrusion/Extrude/Solid/Done

●Oneside/Done

●Setupplan/plan/Pick选DTM3（箭头指向外，即要拉伸的方向）/OK

●Top/选DTM2（进入2D模式）

4、设计平面图

●Sketch/rectangle（用鼠标左键拖动对角线生成）

●标注尺寸：

Dimension（用鼠标中键选定放置位置，可用左键+shift键合用代替。

）

●尺寸修改Modify选尺寸进行修改。

如下图2：

Regenerate/Done

●Blind/Done拉伸厚度为5OK

5、挖剪实体P字

我们要在所设计的立方体的前面挖一个P字，那么要选定前面为基面画一个P字，或写一个P字进行CUT操作。

●Feature/Create/Solid/Cut/Extrude/Solid/Done

●Oneside/Done

●Plane/Pick选实体的前面，红箭头向内，否则选Flid/okey

●

Top选顶面。

●Sketch/Line/2point（画图直线）/Arc/3point（画半圆，选两点，画半圆，系统默认相切，如不相切，可将图缩小比例在分辨率低的时认为相切，其它作图也如此。

）

标注尺寸：

●Dimension/（尺寸要标注全）

●Modify/选尺寸进行修改。

如下图3所示：

图3尺寸选择

●Regeneration/Done/Done（红箭头指向p字的内侧）

●Blind/Done/2/OK

●选视图的Default视图

●保存，或另存，命名。

生成三维实体零件后，进入Drawing模块很容易得到三视图、剖视图、局部视图等。

由于是尺寸驱动，修改任意视图的尺寸，其余各视图都对应同时改变。

6、CAD图形输出

●在drawing模块下进行CAD设计或编辑二维视图。

●Open/New选drawing模模式命名

●在弹出窗口下选图纸大小

●Wives/Addwive/general/done

●将视图放在合适的位置，在对话框中选择适当参考面定作为主视图的视图

●Addwive/halfwive/done，加侧视图和俯视图

●show/erase在对话框中选标注尺寸形式而后点击showall后接受

●在file/export/model/

●在选DXF或DWG文件格式，此格式是AutoCAD可以读出的格式

五、思考题

1、特征建模和实体造型的特点？

2、参数化设计和单一数据库有何优点？

实验二从零件的CAD数据模型自动生成数控加工代码和加工仿真实验

一、实验目的

1、熟悉CAD/CAM集成和图形交互自动生成NC代码的过程。

2、熟悉ASCⅡ码形成的刀位数据文件、刀具清单、操作报告、中间模型和机床控制文件。

二、实验原理

Pro/NC能生成数控加工的全过程。

可生成的文件包括：

ASCⅡ码形成的刀位数据文件、刀具清单、操作报告、中间模型和机床控制文件。

工作过程如下图1所示：

由流程图可看出，首先要定义加工模型和参数，然后建立不同的加工工序，最后生成刀位轨迹，并进行后置处理。

Pro/NC工作步骤：

1、创建或检索加工模型

2、建立加工数据库，包括：

●定义NC工序所使用的机床。

●选取创建所使用的刀具。

●定义夹具。

●设置加工参数。

●建立刀位CL数据的输出格式。

3、建立一个操作

●提供操作名。

●指定NC工序所使用的机床。

●选取或创建坐标系。

●指定操作参数。

●定义起始/停止点。

4、定义操作的NC工序，指定NC工序类型后需要做：

●选取或创建所制定的刀具。

●设置加工参数。

●选取或创建坐标，已确定工件在机床上的位置。

如果需要，可定义一个退刀面。

●为NC工序指定几何参照对象。

●定义刀具轨迹的起点和终点。

5、模拟去除材料的过程，为NC工序提供基于几何参照对象的自动材料去除过程。

6、对NC工序进行修改；更换刀具、参数、切削运动尺寸等，也可重新定义NC工序的方法或其从属操作。

7、生成并保存刀具文件，并可同时将刀为文件后处理为NC机床控制文件。

三、实验仪器

与实验一相同。

四、实验内容及步骤

（一）、加工模式

●选主菜单命令File/New

●选Manufacturing类型，Sub_Type选NC_Assemble。

输入加工文件名/OK。

●进入加工模式，该模式下的主要功能有：

●MfgModel生成加工模式

●MfgSetup设置加工环境

●Machining定义、验证、处理刀具轨迹。

●CLdate生成活修改刀位输出。

●创建被加工零件（装配件加工）

●MANUFACTURE/MFGModel/Assemble/RefModel

●在弹出的窗口中选取所要加工的零件/open

●Create/Workpiece输入工件名/回车。

开始创建工件毛坯，与在零件模式下过程一致。

●Solid/Protrusion/Extrude/Solide/Done

●Oneside/Done

选择零件的后表面为草图平面。

●Plane/QuerySel选零件的右侧，选Next后面变红，Accept。

●选File时红箭头向外（向外拉伸）/OK

●Top选上表面。

●进入草图模式。

选SKETCHER/GeomTool/UseEdge

●依次选取零件的外轮廓四边为工件的截面，变为红色，/Done

●Blind/Done输入厚度值回车/OK

●将视图放置为缺省值

●Done/Return

（二）、建加工数据库

这里我们夹具不定义，取默认设定。

定义一个操作。

●Mfg/Setup/Operation/DoneOper/mill/3Axis/Done/Done

上述过程定义了一个三坐标的铣床，下一步定义机床坐标。

●MACHCSYS/Create/Pick选取零件毛坯，此时零件变为红色。

Pnt+2Axes/Done（一点两边，红箭头为当前坐标轴，选垂直屏幕方向为Z轴。

）如下图5所示：

选X_Axis、Y_Axis

●

DoneOper/Done/Return

图5显示毛坯零件

（三）、定义NC工序

NC工序的确定没有定式，通常取决于工程师的经验。

该实验只作粗加工。

MANUFACTUER/Machining弹出manufacturingInfo对话框。

可查看加工信息，由于NC尚未定义，所以ToolPathInfo为空。

Machining/Operation/NCSequence/Pocketing/Done/Done

常用的铣削方法：

此时弹出ToolSetup对话框，设定参数。

击Apply。

在对话框中的File/Done。

如图6所示：

Volume用2.5轴的方法铣削一定体积内的材料

LocalMill去除先前NC工序残留的材料。

Conventlsrf铣削平面，其轨迹在平面内相互平行。

Contoursrf铣削平面，其轨迹平行于被加工平面的轮廓。

Face用2.5轴的方法铣平端面。

Profile用刀具的侧面铣削曲面轮廓。

Pocketing用铣削内槽的方法铣削曲面。

图6工具设置对话框

Trajectory用交互式的方法铣削曲面。

Engraving雕刻加工。

Plunge钻铣加工。

然后进行加工参数的指定。

Set/弹出ParamTree对话框。

如图7所示：

CUT_FEED切削进给率

STEP_DEPTH进给深度

STEP_OVER侧向切深

PROF_STOCK_ALLOW轮廓铣削后的毛坯余量

BOTTOM_ANGLE底面的毛坯余量

CUT_ANGLENC坐标下的切削角

SCAN_TYPE加工区域时轨迹的拓扑结构

CLEAR_DISK下刀缓冲距离

对上述各参数进行设指定。

在Paramtree对话框中选File/Exit/Done

完成对加工参数的设定，进入指定退到面，弹出对话框。

选AlongZAxis输入Z向距离OK

（四）、定义加工特征

在完成上述操作后，要选定加工特征的区块。

●GETSELECT/QuerySel

●选要加工的特征，选中后Accept。

重复操作/DoneSel

show看加工特征是否都变为蓝色，否则Add/QuerySel重复上述操作，直到加工特征全选上为止。

●Done/Return

（五）、刀具轨迹模拟

在完成NC序列之前我们可以进行动态模拟刀具轨迹，用户可以检验加工时的刀具轨迹。

PlayPath/NCcheck/Run或

PlayPath/ScreenPlay/Run

●可选CutterStep修改刀具步距，enterenter输入步距，改变刀具步距使加工模拟速度慢下来。

如图8所示：

在此时可对刀位数据文件进行编辑。

●ShowFile弹出子菜单，可显示CL（刀位数据）文件的内容。

如下图9所示：

●CLDATA/EditSELECTFEAT/Operation/OP010/CONFIRMATION/Confirm弹出对话框，可对之进行编辑。

确认后保存文件。

●DoneSeq/

（六）、数据转换（NC代码输出）

经过上述过程，我们已经完成了对零件的设计和加工过程，当整个操作结束时我们变得到了ASCⅡ码形式的刀位数据文件，但在实际加工时机床控制器不能识别这种格式的文件，需要将刀位数据文件转化为机床能识别的文件，也就是NC代码。

这一过程称为后置处理。

后置处理器（PostProcessor）：

用户通过CAD或APT系统生成刀位数据文件，该文件含有零件的数据加工指令。

后置处理器是一种应用程序，用于处理这些刀位数据文件，将加工指令转化为NC/CNC机床能够识别的代码，生成机床控制器数据文件。

进入后置处理器模式：

1、从主菜单进入：

选择主菜单命令Applications/NCPostProcessor系统进入后置处理器模式。

2、从Pro/NC进入：

选择MANUFACTURE/MfgSetup/PProcessor命令进入，弹出OptFile窗口。

我们可以新建一个后置处理器（本实验CAD/CAM就不作该部分练习），可查看系统缺省的驱动器及目录。

在Listfileoftype下拉列表框中选取铣床后置处理器“MillPostprocessors”在Optionfileincurrentdirectory列表框中选取哈斯立式机床“0011.HAASVF8”。

系统弹出对应的方案文件。

如机床类型、机床控制器数据（NCD）文件格式、列表文件格式、序号（如图10所示）、预备/G代码、辅助/M代码、冷却液辅助/M代码等等。

具体操作过程如下：

●CLDate/Output/SelectOne/Operation/选Op010/File选CLFile和Interactive两项。

/Done输入文件名/OK.

●File选　CLFile、MCDFile和Interactive三项。

/Done输入文件名/OK/Done.生成的文件为MCD文件，即机床能够识别的NC代码。

●弹出PPOPTIONS菜单，选Verbose、Trace两项命令。

●弹出后置处理器列表PPLIST菜单，将光标选择第1项UNCX01.P11，对应的机床为铣床。

系统提示输入程序的起始行号，该机床对程序序号的要求为10。

（在后置处理器中查看现有的后置处理器，选MillPostprocessors铣床，系统在Optionfiletoopen中可查看对应的方案文件，其中SequenceNumbers中的Startsequence为10，如前文图）

处理完成之后系统弹出INFORMATIONWINDOW窗口，显示处理结果。

CLFile将刀位轨迹输出到刀位文件中。

MCDFile对刀位文件进行后置处理，生成机床控制器数据文件。

经上述操作，生成的NC代码可在写字板或记事本中打开。

以下为生成的NC代码和刀位数据文件。

图11NC代码及刀位文件

五、思考题

1、什么是后置处理程序？

2、简述Pro/NC生成数控代码的全过程。

实验三集成化CAD/CAPP系统实验

一、实验目的

通过对CAD/CAPP集成专家系统工作原理的分析和实例的运行，使学生了解：

（1）CAD/CAPP集成化的意义和实现方法，集成指的是信息的集成，CAD系统除描述零件的几何信息之外，还必须描述零件的制造信息和总体信息，才能实现CAD/CAPP间完整的数据传递

（2）采用特征建模技术实现零件信息完整描述的方法（3）CAPP与专系统技术相结合，使CAPP能够模仿人类专家进行判断、推理、进行工艺决策的过程方法。

这一实验可使学生加深和巩固对课程所学相关知识的理解和掌握，并为今后从事CAD/CAM的研究与开发打下基础。

二、实验原理

CAD/CAPP集成专家系统是燕大自行开发的，适于齿轮类零件设计和工艺设计的系统。

CAD系统采用特征建模技术实现零件信息的完整描述。

CAPP接收CAD传来的完整的零件信息，在专家系统推理机的控制下，通过对知识库中知识的利用，实现工艺决策的智能化。

（1）系统的总体结构

零描

件述

信文

息件

CAPP系统

表面加工路线推理模块

工序尺寸计算模块

工艺路线排序模块

工艺文件输出模块

CAD系统

设计计算模块

零件图生成模块

零件数据信息生成模块

知识库

数据库

CAD系统功能：

以人机交互方式完成的特征建模，并可完成齿轮的设计计算及零件图输出。

CAPP系统功能：

接收来自于CAD的零件信息描述文件，将CAPP工艺规划问题分解成若干子问题，顺序求解，求解过程中以知识库存储的事实性知识和规则性知识为依据，由推理机来控制与知识的匹配过程，从而实现CAPP的智能决策。

（2）特征的分类和描述

零件的特征分为：

总体特征、几何主特征、辅助特征和制造特征四种。

其中：

总体特征描述零件的总体信息，包括：

零件名称，零件代号，零件材料，热处理方式，生产方式，生产批量，交货期限等。

几何主特征描述零件的主要几何信息，包括：

圆柱、齿轮、锥体、矩形花键、渐开线花键、螺纹等。

辅助特征：

依附在主特征之上的特征。

包括：

槽、径向孔、键槽等。

制造特征：

包括粗造度、公差、齿轮精度等级等。

（3）CAPP中知识库和推理方法

知识库包括：

机床、刀、卡、量具知识库

余量知识库

公差知识库

表面加工链知识库

推理方法：

采用正向推理和反向推理。

三、实验仪器

微机五台，要求内存128M以上，

装有PROLOG系统

四、实验步骤

（1）CAD/CAPP系统工作原理分析

重点介绍CAD/CAPP集成方法；特征的分类和零件描述；与传统几何建模方法的分析比较；CAPP专家系统与派生式CAPP相比较。

（2）CAD/CAPP的实例运行

A、出示例零件，依据程序的要求依次输入零件的总体特征，几何主特征，辅助特征，制造特征。

界面如下：

B、分析零件信息描述文件

C、APP专家系统

分别运行各模块，并分析运行结果。

以表面加工链为例详细分析。

五、分析整理实验数据，写出实验报告

六、思考题

1、如何实现CAD/CAPP集成？

2、特征分类中总体特征、几何主特征、辅助特征分别描述什么？

CAPP专家系统知识库与推理机