吉林工业职业技术学院论文.docx

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吉林工业职业技术学院论文

摘要

本次毕业设计是基于《基于Pro/E的产品设计与加工》，其中最主要部分当然是软件Pro/E的应用和加工中编辑刀路和实现加工。

论文当中着重说明建模和分模过程，编刀路。

但其他的过程也有很好的应用，例如，仿真软件应用，操机，加工工艺等。

由于论文的编写顺序是按实际工作中进行，先从三维建模到软件中分模，再进行数控加工的相关工作。

第一章是绪论，通过它我们可以了解到Pro/E在社会生产行业中的发展状况及其重要性，从中我们从一个新的角度了解生产的需要和未来的发展方向，让我们跟上生产的步履，也提醒我们要做到老学到老：

第二章是基于Pro/E的产品建模设计，着重说明本论文中加工的产品建模过程中软件的应用和软件中进行分模。

通过这章可以了解到Pro/E在生产中的应用，了解Pro/E建模和制造部分功能；第三章是数控加工方面的内容，在本章中可以了解到生产中是如何在计算机上进行生产的数控刀路编制，仿真等。

其中我们可以了解CNC的加工过程，了解其加工原理和步骤。

再通过实际加工我们的动手能力更能与实际相结合。

本设计从实际出发，系统的介绍了基于Pro/E的基础应用，功能指令应用，凹凸模的创建及数控相关加工方法和操作。

通过详细的过程说明及大量图片说明，让读者清楚明白的了解Pro/E的产品设计功能及相关的数控加工。

因本人水平有限，设计中难免存在错误，恳请各位老师批评指正。

关键词　；Pro/E建模Pro/E重要性CNC加工

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目录

摘要I

第1章绪论1

1.1日头特突然儿童热土儿童1

数控程序的正确性，防止加工1

1..3直接实体造型法2

1.4基于图像空间的方法3

1.5离散矢量求交法3

第2章仿真模型的建立5

2.1机床模型的建立5

2.2毛坯模型的建立6

2.3加工过程的建模7

第3章数控铣削加工仿真的实现9

3.1NC代码翻译9

3.2刀具轨迹模拟数据的获取及实现9

3.3加工过程仿真12

第4章碰撞干涉及精度检验14

4.1碰撞干涉检验目的14

4.2碰撞和干涉检验14

4.3总体方案15

4.4硬件配置系统的硬件包括测量头、控制盒及摄像头16

4.6数控加工中信号的检测、处理及控制20

第5章功能的介绍22

报价与评价功能24

结论26

参考文献27

致谢28

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第1章绪论

1.1本次毕业设计的课题与目的

本次课题是《基于Pro/E的产品设计及其数控加工》。

目的是进一步了解零件设计的流程与掌握数控加工编程；掌握Pro/E，MasterCAM等软件的应用。

1.2计算机辅助设计软件的介绍

数控机床加工零件是靠数控

指令程序控制完成的。

为确保

数控程序的正确性，防止加工

过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验。

但这种方法费工费料，代价昂贵

，使生产成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。

后来又采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹），有相当大的局限性。

对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件（如，石蜡、木料、改性树脂和塑料等）来检验加工的切削轨迹。

但是，试切要占用数控机床和加工现场。

为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。

从试切环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。

几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。

它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。

切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。

几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。

目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。

1..3直接实体造型法

这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运算，工件体的三维模型随着切削过程被不断更新。

Sungurtekin和Velcker开发了一个铣床的模拟系统。

该系统采用CSG法来记录毛坯的三维模型，利用一些基本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。

所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一轨迹运动时所走过的区域。

在扫描了每段NC代码后显示变化了的毛坯形状。

Kawashima等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树（graftree）表示，即除了空和满两种结点，边界结点也作为八*树（octtree）的叶结点。

边界结点包含半空间，结点物体利用在这些半空间上的CSG操作来表示。

接合树细分的层次由边界结点允许的半空间个数决定。

逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。

毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的可视化。

用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时太长，于是一些基于观察的方法被提出来。

1.4基于图像空间的方法

这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。

VanHook采用图象空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。

他使用类似图形消隐的zbuffer思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿z轴的一个长方体，称为Dexel结构。

刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算，见图3，切削过程就变成两者Dexel结构的比较：

CASE1：

只有毛坯，显示毛坯，break；

CASE2：

毛坯完全在刀具之后，显示刀具，break；

CASE3：

刀具切削毛坯前部，更新毛坯的dexel结构，显示刀具，break；

CASE4：

刀具切削毛坯内部，删除毛坯的dexel结构，显示刀具，break；

CASE5：

刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯dexel结构，显示毛坯，break；

CASE6：

刀具切削毛坯后部，更新毛坯的dexel结构，显示毛坯，break；

CASE7：

刀具完全在毛坯之后，显示毛坯，break；

CASE8：

只有刀具，显示刀具，break。

这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图形显示有很好的实时性。

Hsu和Yang提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。

他们使用zmap作为基本数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛坯高度，即z向值。

这种数据结构只适用于刀轴z向的三轴铣削仿真。

对每个铣削操作通过改变刀具运动每一点的深度值，很容易更新zmap值，并更新工件的图形显示。

1.5离散矢量求交法

由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空间布尔运算并不精确，使仿真验证有很大的局限性。

为此Chappel提出了一种基于曲面技术的“点矢量”（pointvector）法。

这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表示该曲面。

以每个离散点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。

通过仿真刀具的切削过程，计算各个离散点沿法矢到刀具的距离s。

设sg和sm分别为曲面加工的内、外偏差，如果sgsm则漏切。

该方法分为被切削曲面的离散（discretization）、检测点的定位（location）和离散点矢量与工件实体的求交（intersection）三个过程。

采用图像映射的方法显示加工误差图形；零件表面的加工误差可以精确地描写出来。

总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过程相一致，使得仿真的最终结果与设计产品间的精确比较成为可能；但实体造型的技术要求高，计算量大，在目前的计算机实用环境下较难应用于实时检测和动态模拟。

基于图像空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真，但由于原始数据都已转化为像素值，不易进行精确的检测。

离散矢量求交法基于零件的表面处理，能精确描述零件面的加工误差，主要用于曲面加工的误差检测

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第2章仿真模型的建立

数控仿真系统总体设计数控加工过程仿真是指在数控机床上进行的加工过程在虚拟环境下的映射。

为追求“身临其境”的逼真性和“超越现实”的虚拟性，数控加工过程仿真系统应具有如下功能：

（1）全面、逼真地反映现实的加工环境和加工过程，在仿真中人们可以直观地观察全部加工过程，包括工件的装夹定位、机床调整、切削、检验等，并且加工系统的结构应与实际数控机床一致；

（2）能对加工中出现的碰撞、干涉进行检验，提出报警信息；（3）能对产品的加工精度、加工时间进行精确估计、预测，并为宏观仿真提供数据支持；（4）必须具有处理多种产品和多种加工，（5）存在人机交互接口，具有友好的人机交互界面

2.1机床模型的建立

通常数控机床的模型建立大量运用二维线条转化为三维物体的方法.通过对二维线条的倒角、旋转、移动点来制作使用的侧面,以便拉伸得更完善;通过对二维物体的拉伸、放样、旋转来构成3D模型.下面详细介绍数控机床门的建立过程.首先用线条建立门的截面.建立时,先大致画出外形,再用“修改”面板下的“编辑线条命令调整线条到合适的形状.调整完后用“拉伸”命令拉伸此线条成3D物体。

而本系统采用机床模块化设计的方法，将机床具体划分为立柱、底座、主轴箱、主轴部件及刀具、刀具库、横向滑板、纵向工作台、四框和防护门等。

通过模块划分，可计算出各模块的尺寸。

各部件的三维数学型根据其实际形状和大小采用B-Rep分别建模。

具过程如下：

（1）根据各部件的尺寸及位置确定几何顶点数据，包括顶点集、线集、多边形集。

在这里采用显示列表技术，就是OpenGL预处理命令，可以用glNewLis建立显示列表，用glEndList结束显示列表。

执行时只需用glCallLIList调用即可。

（2）创建几何模型后，对模型进行投影变换、剪．切变换、视区变换等而得到理想的视觉效果，并投影到三维空间的适当位置。

同时可以对模型进行平移、旋转和缩放等操作。

在模型绘制过程中采用深度缓冲算法对模型

进行自动消隐处理。

（3）设置物体的材质（包括颜色、光学性能及纹理映射方式等），加入光照和光照条件。

本系统采用一个光源模拟自然光，用正面光照效果，使模型具有真实感的机床模型。

2.2毛坯模型的建立

考虑到待加工毛坯一般为长方体，刀具可以由二次几何体拼凑而成.现在布尔实体造型技术已比较成熟，可以考虑用实体的差来实现加工仿真.这种方法对待加工毛坯和刀具均采用标准的数学模型表示.进行加工仿真时，先求出刀具沿加工路径移动时所形成的扫描体，然后从毛坯中“减去”该扫描体，接着将结果进行真实感显示.利用这种方法进行仿真，可以支持三轴和五轴加工.其加工出的零件表示具有连续性，可以放大或缩小显示，可以任意旋转视角，可以进行加工误差的测量.但这种方法也存在一些问题：

（1）对于加工代码少的零件比较适合，对于复杂零件其等待时间和数据量将大大增加；

（2）求交过程和离散显示过程所消耗的时间将降低其实时性能；（3）求交过程中计算稳定性将影响整个仿真过程.从理论上讲，这种算法是最精确的加工仿真算法，不应当放弃深挖其潜力的研究.

现在大多数商业软件主要采用视向离散法.这种方法的主要思路是：

将加工刀具和待加工毛坯沿视线方向上进行“等同”离散表示；然后在加工过程中，利用离散后的数据进行图像上的处理，以求达到真实的效果.采用这样的方法可以达到很好的显示效果和实时性能，同时可以支持三轴和五轴加工.但其加工结果不具有连续性，不能放大或缩小显示，不能任意转动视角.除非改变视向后重新进行加工仿真；或者事先设置多个视角同时进行加工；或者利用该算法的特点：

仅做一百八十度视角变换.利用加工仿真的结果可以确

追求显示效果和实时性能并不是唯一的目的，更主要的目的是进行加工结果误差测量.定加工中的过切、余量，进行截面观察和表面数据测量.笔者利用这种思路完成了本科毕业论文.ME2.0中.这时考虑到三轴加工的特点，笔者提出轴向离散算法：

把加工刀具和待加工毛坯沿刀轴方向等同离散表示.这种方法仅消除了视向离散方法中所存在的内存问题，其它问题仍未得到解决.将这一方案进一步修改，就得到了近期所提出的三角片离散法：

将待加工毛坯上表面用离散的三角片来表示.该方法不但具有视向离散的优点，而且简单易行，加工过程中可以不断地变换观察方式，通过简单的搜索来确定加工后的各种误差.另外，可以加入机床和夹具一起进行仿真，达到真实仿真的效果.这种方法对显示要求较高，如果不采用显示技巧和快速显示硬件的支持，其实时性就较难保证.

通常工件以边界模型（B一ReP）或几何体素构造法（CSG）模型表示，但对于三轴数控铣削，除了X、Y方向的值变化之外只有Z方向的值的变化，所以本系统采用基于体元的Z向离散法毛坯模型，并采用一种改进了的空间阵列来表示毛坯模型，即Z一MAP结构。

该结构仅仅在X一Y平面内将毛坯按精度要求划分为一系列均匀网络，每个个网络对应一个小长方体，每个小长方体的高度就是毛坯的Z坐标值，刀具切削毛坯实质上是个长方体的高度Z植发生了变化，这样的Z一MAP结构大大减少了存储空间加快了显示速度，而且运算简单，便于模型转换十分通用。

Z一MAP结构表示的小立方体体元的Z方向高度值与X一Y平面内的点（x,y）一一对应的单值函数关系，因此其数据结构可采用二维数组，存储为Z（x,y）的形式．由于Z一MAP结构表示的高度是从底部算起的，因此它不适用于底部悬空的实体。

在三轴数控铣削加工中，刀具切削毛坯时只有上部的材料被切除，所以Z一MAP结构更适用。

2.3加工过程的建模

在三轴铣削生成机械加工过程活动所涉及到的加工对象、设备和装置如加工的产品、机床、夹具和刀具等几何实体模型（为节约建模工时和便于突出观察部位，通常可对不影响到整体性能的结构细节作一定的简化）基础上，构建可模拟机械加工实时运行时的具有运动和动力特征的仿真模型。

所生成的加工过程及其物理特性诸如：

切削轨迹、切屑形成过程、应力场、温度场、变形和振动等，通过荧屏的三维直视，可真实地观察其连续或瞬间的运动形态和特性参数。

建立运动仿真和物理特性仿真的模型的基础在于专业的理论分析和科学实验。

由此开发出的各类专业性的仿真软件是赋予虚拟图像以符合真实加工过程的动作和特性的关键，也是虚拟制造技术的基础。

机械加工的虚拟制造模型从总体上可分为加工条件模型和加工过程模型两大类：

（1）加工条件建模

l）加工对象建模。

包括毛坯模型、各工序的半成品模型和成品模型。

2）加工资源建模。

包括机床、夹具、刀库和刀具等制造资源的各种实体对象的三维几何模型，以及这些模型间的关连。

（2）加工过程建模用以建立表示产品物理特性和加工历程的模型，它包括几何、运动学和物理特性等三个层次的模型。

l）几何模型层。

建立与工艺过程相关的物理实体的几何模型，通常可以从由加工条件建模生成的加工对象模型库中调用或作一些必要的修改如装夹和定位的基面或组合件加工等。

2）运动学模型层。

它是在几何模型层基础上融入刀具和机床的运动轨迹所构成的模型，用以评估轨迹的合理性和NC代码的正

数控仿真应由两部分组成，一是几何仿真，二是物理仿真。

以上所说都是针对几何仿真模型的建立。

产生背

数控仿真应由两部分组成，一是几何仿真，二是物理仿真。

本系统只完成了几何仿真，因此我们数控仿真还有许多问题值得研究。

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第3章数控铣削加工仿真的实现

3.1NC代码翻译

NC代码是驱动整个加工环境运作的执行依据，但很少直接通过NC代码来驱动仿真加工过程，一般采用将NC代码翻译成表征机床运动部件和刀具轨迹的内部数据，并用相应的数据结构体来记录这些数据，这就是NC代码翻译。

本系统首先对输人的数控程序采用单向链表结构进行组织管理，利用链表的每个节点来对应一个程序段，单向链表的结构如

typcdefStructNC一text{

char*text;

StructNC一text*next；

}NC一text,

然后对每个NC程序段进行识别处理，统一地址符和数值之间的空格符，去除不必要的注释及回车符，同时，对于程序中的固定循环和子程序将其展开成标准的数控加工指令代码，形成仅含功能代码字的标准程序段。

然后对NC程序进行词法和语法检查，直到没有错误，转人翻译阶段。

从NC代码中提取与控制机床部件运动有关的命令动作和状态信息，如G代码中只有G00、G0l、G02/G03、G17/G18/G19、G40/G41/G42、G90/G91与仿真有关，本系统只对上述G代码进行了分析。

然后将G代码和M代码进行分组，并定义一个结构体来存放读取的特征值：

将提取的特征值经过刀补、进给速度等计算后提供给插补器进行运算。

由于数控加工程序是顺序执行的，因此可以采用单向链表来存放这些数据。

然后将数据按照位移和速度的变化划分成一系列的时间片段，根据数控加工的插补原理，计算出每一时间片段机床运动部件的位移坐标，生成刀具数据文件，实时驱动虚拟数控机床进行相对运动．

3.2刀具轨迹模拟数据的获取及实现

为了实现由AutoCAD二维图形中描述零件轮廓图形，实体的刀具轨迹模拟必须获取刀具轨迹的信息，刀具轨迹信息由AutoCAD图形数据库中描述零件轮廓的图形实体获取。

在NCCODE数控自动编程系统中，把零件轮廓的图形实体连接成一条多段线（可封闭也可不封闭）。

多段线是AutoCAD中特殊的图形实体，它是由一系列首尾相连的直线和圆弧组成，在图形数据库中以顶点（即相连点）子实体的形式保存信息。

与位置、形状有关的重要信息有两个：

一是顶点（Vertex）坐标数值，保存在10组码中；二是顶点凸度（Bulge），保存在42组码中。

多段线的起点即就是刀具的起点，加工过程中所需的终点坐标均可由多段线各顶点的数据确定，根据这些数据即可生成数控加工代码。

同样，根据这些数据可以模拟刀具轨迹.

3.2.1直线部分的数据

鉴于直线线段是多段线组成部分，但在实体多段线内，子实体不是线段，而是顶点，而且多段线的直线顶点只保存了直线起点标志，终点坐标则都保存在下一个顶点中。

利用ObjectARX函数可以很方便地知道多段线各顶点的坐标值和凸度值，这样就得到了零件轮廓线上直线的起点、终点坐标等几何信息.

AutoCAD中约定：

凸度为0是直线的顶点。

具体方法如下：

if（bulge==0）//判断是否直线

{

adsnamee0，e1；

acdbGetAdsName（e0，vertexObjId）；

structresbuf*ed，*cb；//定义结果缓冲区链表指针

acdbEntNex（te0，e1）；

if（（ed=acdbEntGe（e1））!

=NULL）

{

for（cb=ed；cb!

=NULL；cb=cb->rbnext）

if（cb->restype==10）

{

P2[Y]=2*（cb->resval.rpoint[Y]-pt[Y]）

P2[Y]=cb->resval.rpoint[X]-pt[X]//直线的第二顶点的数据信息

numb++；

}

acutRelRb（ed）；

3.2.2圆弧部分的数据

多段线的圆弧顶点都只保存了圆弧的起点标志，终点坐标则都保存在下一个顶点中。

利用ObjectARX函数可以很方便地知道多段线各顶点的坐标值和凸度值，这样就得到了零件轮廓线上圆弧的起点、终点、半径、圆心等几何信息.AutoCAD中约定：

凸度不为0是圆弧的顶点，凸度为正表示逆时针圆弧，凸度为负表示顺时针圆弧。

具体方法如下：

acedOsnap（ptm，"center"，ptcen）；//获得圆心的坐标

adsnamee011,e111；

acdbGetAdsName（e011,vertexObjId）；

structresbuf*ed，*cb；//定义结果缓冲区链表指针

adspointpst1，pst10，opst1，ptcen1，ptm1；

adsrealrads1，length1；

adspoint-set（cb->resval.rpoint,pst1）；//获得PST点为圆弧的端点

acdbEntNext（e011,e111）；

if（（ed=acdbEntGet（e111））!

=NULL）

{

for（cb=ed；cb!

=NULL；cb=cb->rbnext）

if（cb->restype==10）

{

adspoint-set（cb->resval.rpoint，pst10）；

opst1[X]=（pst1[X]+pst10[X]）/2；

opst1[Y]=（pst1[Y]+pst10[Y]）/2；

opst1[Z]=（pst1[Z]+pst10[Z]）/2；

rads1=acutAngle（pst1，pst10）；

length1=acutDistance（pst1，pst10）；

acutPolar（opst1，rads1-3.1415926/2，bulge*length1（/2），ptm1）；

acedOsnap（ptm1，"center"，ptcen1）；//获得圆心的坐标

3.2.3刀具轨迹模拟的实现

根据上面介绍的方法，获得刀具轨迹数据，然后根据ARX函数acedCommand（RTSTR，"INSERT"RTSTR，刀具图块名，RTPOINT，P1，RTREAL，scale，RTSTR，""，RTREAL，..），如果为直线，则在两点间插入若干个以刀具半径为圆的图块，数目的多少与进给速度有关，数目越多，则切削速度越快，反之，则切削速度慢；如为圆弧，则在该圆弧段上插入刀具图块，但要区别顺圆和逆圆，以区别切削方向。

3.3加工过程仿真

加工过程仿真是本系统的核心部分。

该过程是由毛坯和刀具运动形成的扫描休作布尔减运算实现的。

首先，根据数控代码翻译模块传递的命令进行相应的动作，如是进行直线插补运动还是进行圆弧插补运动，有没有刀具半径补偿等。

然后根据两个相邻刀位点间的刀具运动所形成的刀具扫描体在X一Y平面上的投影，来提取刀具走刀过程中扫描到的毛坯体的离散数据点，并计算这些离散点在切削后的最低高度，最后将毛坯模型数据进行更新。

利用OPenGL图形刷新功能，进行局部加工区域的三维真实感图形刷新和渲染，并实时显示数控加工过程。

如此反复，直到扫描完全部程序，完成整个加工过程。

在加工过程中可进行自动换刀，该过程是利用了OpenGL的双缓存技术，通过在绘制立柱、刀具箱、刀具、刀具库的函数之前加上平移语句和在刀具盘前加上旋转语句来控制其运动：

glTranslatef（0