典型零件的数控编程及加工仿真.docx

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典型零件的数控编程及加工仿真

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本科毕业设计论文

题目典型零件的数控编程及加工仿真

专业名称机械设计制造及自动化

学生姓名王萌

指导教师李郁

毕业时间2014年6月

毕业

任务书

一、题目

典型零件的数控编程及加工仿真

二、指导思想和目的要求

数控加工是一种现代化的加工手段，数控加工技术也成为一个国家制造业发展的标志，利用数控加工技术可以完成很多以前不能完成的曲面零件的加工，而且加工的准确性和精度都可以得到很好的保证。

本次毕业设计题目来源于生产实践，利用UG三维造型软件进行的数控编程与加工仿真。

通过对零件进行三维建模，并模拟数控仿真生成数控程序，加强对UG软件的运用，巩固了机械设计知识。

三、主要技术指标

1.零件图1张；

2.三维建模零件1个；

3.辅助加工程序1份；

4.毕业设计论文1份；

四、进度和要求

1．搜集相关资料2周

2．加工仿真的中英科技文翻译2周

3．运用UG软件进行三维建模2周

4．运用UG软件进行辅助加工2周

5．运用UG软件数控仿真2周

6．编写说明书（论文）2周

7．准备并完成答辩2周

五、主要参考书及参考资料

[1]刘治映《毕业设计（论文）写作导论》.长沙：

中南大学出版社.2006.6

[2]徐伟杨永《计算机辅助与制造》.北京：

高等教育出版社.2011.2

[3]于杰《数控加工与编程》.北京：

国防工业出版社.2009.1

[4]赵长明《数控加工工艺及设备》.北京：

高等教育出版社.2003.10.

[5]麓山文化《UG7从入门到精通》.北京：

机械工业出版社2012,2

[6]朱焕池《机械制造工艺学》.北京：

机械工业出版社.2003.4

[7]李提仁《数控加工与编程技术》.北京：

北京大学出版社.2012.7

[8]焦小明《机械加工技术》.北京：

机械工业出版社.2005.7

[9]龚桂义《机械设计课程设计图册》（第三版）.高等教育出版社.2010.

[10]薛顺源《机床夹具设计》.机械工业出版社，2001.

[11]肖继德陈宁平《机床夹具设计》.机械工业出版社，2002.

[12]张世昌《机械制造技术基础》.天津大学出版社，2002.

[13]刘建亭《机械制造基础》.机械工业出版社，2001.

[14]庄万玉丁杰雄《制造技术》.国防工业出版社，2005.

[15]韩鸿鸾荣维芝《数控机床加工程序的编制》.北京：

机械工业出版社.2002.12

[16]周湛学《机电工人识图及实例详解》.北京：

化学工业出版社.2011.12

[17]施平《机械工程专业英语教程》.第二版.电子工业出版社.

学生王萌指导教师李郁系主任魏生民

摘要

数控编程是一种可编程的柔性加工方法，它的普及大大提高了加工效率。

但是在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力之外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。

由于零件复杂性的增加，而且工人技术水平有限，手工编程越来越困难。

应用数控编程可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工,易于在工厂或车间实行计算机管理,使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件,有利于加快产品的开发和更新换代,提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。

本文以UGNX8.5为工具,完成了典型零件的三维造型及仿真加工。

内容包括:

首先,根据零件的结构特点和技术要求,在对其进行加工工艺分析之后,确定了零件的加工方法。

然后,利用UG/CAD模块完成了零件几何体的参数化建模。

在此基础上,利用UG/CAM模块进行数控编程,设计了加工路线、刀具轨迹,切削方式等工艺参数,生成了零件的NC程序。

关键词：

，三维建模，加工仿真，UG软件

ABSTRACT

CNCmachiningisaprogrammableflexibleprocessingmethods,itspopularitygreatlyimprovetheprocessingefficiency.Butintheprocessingtechnology,inadditiontorequirementsofCNCmachinetoolshasastrongabilitytocontrolmovementand,moreimportantly,howtoefficientlyobtainhigh-qualityCNCmachiningprocess,andfromtheprocessasawholetoimproveproductionefficiency.Aspartoftheincreasedcomplexityandlimitedskillsofworkers,manualprogrammingmoredifficult.

CNCmachiningapplicationscangreatlyimproveproductivity,stability,processingquality,shortentheprocessingcycle,increasingtheproductionofflexible,toachieveavarietyofcomplexprecisioncomponentsfortheautomationofprocessing,easytoimplementinafactoryorworkshopcomputermanagement,reducingthetotalnumberofworkshopequipment,savingmanpower,improvelaborconditions,helpspeedupproductdevelopmentandupgrading,andimprovingtheabilityofthemarkettoadaptandimprovetheiroveralleconomicefficiency.

Inthispaper,UGNX8.5asatool,completetheadjustframethree-dimensionalmodeling.Include:

First,basedontheadjustedframestructuralfeaturesandtechnicalrequirements,initsprocessanalysis,todeterminethepartoftheprocessingmethods.Then,usingUG/CADmoduletocompletethepartgeometryparametricmodeling.Onthisbasis,theuseofUG/CAMmoduleforNCprogramming,designthemachiningline,thetoolpath,cuttingmodeandotherparameters,togenerateapartoftheNCprogram.Bycheckinginatimelymannertoolpathfoundbetweenthepartswithundercutsandundercut.Andthroughthevirtualmachiningprocesssimulationtoolsfoundinadvanceofthemovingparts,jigandtoolinterferenceandcollisionbetweenthedeterminedinterferencecollisionoccurredandthecorrespondingpositionoftheNCblock,andpreviousdesignandNCprogramtobemodified.

KEYWORDS:

CNCtechnology,UG,three-dimensionalmodeling

目录

第一章绪论1

1.1课题研究的背景及意义1

1.2计算机辅助设计工艺过程设计辅助制造2

1.2.1计算机辅助设计2

1.2.2计算机辅助工艺过程设计2

1.2.3计算机辅助制造2

第二章数控编程的关键技术4

2.1数控编程的定义4

2.2数控编程研究的内容5

2.3数控编程的步骤7

2.4数控编程的方法7

2.5数控编程常用软件介绍8

第三章三维建模及工艺规划11

3.1创建零件模型11

3.2零件的工艺规划16

第四章典型零件仿真加工18

4.1UG软件平面铣18

4.2典型零件的工艺设置18

4.3设置加工环境19

4.4配合件数控加工仿真20

4.4.1设置加工方法20

4.4.2定义加工坐标系21

4.4.3创建刀具21

4.4.4指定通用的工序参数22

4.4.5孔的设置26

4.5零件仿真加工的输出28

第五章后处理及代码输出29

5.1零件仿真加工的后处理29

5.2加工代码的生成30

第六章总结与展望33

6.1论文总结33

6.2后续展望34

参考文献35

致谢36

毕业设计小结37

附录39

第一章绪论

1.1课题研究的背景及意义

数控机床是按照记录在载体上的信息指令自动进行加工的，当加工对象改变时只需要重新编制数控加工程序，而无需对机床结构进行调整，也不需要制造凸轮、靠模一类的辅助机械装置。

这样，便可以快速地从一种零件的加工变到另一种零件的加工，使生产准备周期大为缩短。

数控加工是一种现代化的加工手段，数控加工技术也成为一个国家制造业发展的标志，利用数控加工技术可以完成很多以前不能完成的曲面零件的加工，而且加工的准确性和精度都可以得到很好的保证,数控加工是机械加工的一种，是新型加工技术，主要工作是编制加工程序，即将原来手工活转为电脑编程。

总体上说，和传统的机械加工手段相比数控加工技术具有以下优点：

1）加工效率高

利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。

而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。

2）加工精度高

同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。

3）有利于加工复杂形状的零件

数控机床能同时控制多个坐标联动，可以加工其他机床难以加工甚至不可能加工的复杂零件，如曲线的二维复杂轮廓零件、含曲面的三维实体零件。

4）劳动强度低

由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状态。

所以劳动强度很低。

5）适应能力强

数控加工系统就象计算机一样，可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。

而本文所要研究的内容就是在UG软件平台上，进行回转体带腔体类零件的加工模拟仿真，提高回转体带腔体类零件的加工效率[1]。

通过计算机模拟五坐标机床实际加工过程，达到对数控加工程序验证、切削过程优化和加工结果预测的目的。

1.2CAD/CAM简介

1.2.1计算机辅助设计

指工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。

1.2.2计算机辅助工艺过程设计

指在工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。

1.2.3计算机辅助制造

计算机辅助制造有广义和狭义两种定义。

广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP）、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。

狭义CAM通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。

图1-1CAD/CAM系统工作过程

随着计算机的高速发展数控加工仿真技术得到了广泛应用，数控技术是应用计算机自动控制、自动检验及精密机器等高科技术的产物。

数控加工仿真是利用计算机技术模拟实际的机床加工过程，它验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的作用，减少工件的试切，提高工作效率。

典型零件的数控加工研究非常普遍，但是在实际的加工中，却存在很多问题。

因此，还有很大的探索空间。

鉴于此，选择本课题主要是根据在数控加工中，典型零件数控编程及加工仿真进行研究。

使我们对加工典型零件采用更加形象、经济、科学、安全的加工方法进行加工，在此基础上使自己的理论水平和实际操作水平得到进一步的巩固和完善。

本次毕业设计主要是通过AUTOCAD软件绘制零件图，并用UG软件对零件进行三维实体建模，然后对零件进行工艺分析，在确定了加工工艺之后，用UG软件对零件进行数控仿真加工和计算机自动编程。

第二章数控编程的关键技术

计算机辅助制造CAM的含义有广义和狭义之分：

从广义上讲，计算机辅助制造是指利用计算机辅助完成制造过程的全部工作环节，即从原材料到产品的全部制造过程，包括直接制造过程和间接制造过程。

内容涉及计算机辅助制造的环境，辅助设计和辅助制造的衔接，计算机辅助零件信息分类和编码的成组技术（GT），计算机辅助工艺设计和工艺规划（CAPP），计算机数控技术（CNC），计算机辅助工装设计，计算机辅助质量管理和质量控制，计算机辅助数控编程，计算机加工过程仿真，数控加工工艺，计算机辅助加工过程监控等。

从狭义上讲，计算机辅助制造就是计算机辅助机械加工，也就是数控加工，其核心是数控编程和数控加工工艺的设计。

在这一章中介绍与数控加工技术有关的内容。

2.1数控编程的定义

生成数控机床进行零件加工的数控程序的过程，称为数控编程（NCprogramming），有时也称为零件编程（partprogramming）。

数控编程可以手工完成，即手工编程（manualprogramming），也可以由计算机辅助完成，即计算机辅助数控编程（computeraidedNCprogramming）。

采用计算机辅助数控编程需要一套专用的数控编程软件，现在数控编程软件主要分为批处理命令方式为主的各种类型的APT语言和以CAD/CAM软件为基础的图形交互式自动程编如UG软件、CATIA等软件。

编程方式分为手工和自动两种类型。

手工编程是指编程的各个阶段均由人工完成。

利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并进行指令编制。

这种方式比较简单，很容易掌握，适应性较大。

适用于中等复杂程度程序、计算量不大的零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握。

对于几何形状复杂的零件需借助计算机使用规定的数控语言编写零件源程序，经过处理后生成加工程序，称为自动编程。

随着数控技术的发展，先进的数控系统不仅向用户编程提供了一般的准备功能和辅助功能，而且为编程提供了扩展数控功能的手段。

FANUC6M数控系统的参数编程，应用灵活，形式自由，具备计算机高级语言的表达式、逻辑运算及类似的程序流程，使加工程序简练易懂，实现普通编程难以实现的功能。

2.2数控编程研究的内容

数控程编研究的内容主要有六部分工作组成:

1）数控加工工艺分析及规划

（1）加工对象的确定：

通过对模型的分析，确定工件的哪些部位需要在数控机床或在数控加工中心加工。

数控铣削加工的工艺适用性也是有一定限制的，对于尖角、细小的筋条部位是不适合数控铣削加工的，应使用线切割或者电火花加工。

而某些部位使用普通机床有更好的经济效益（如飞机起落架的耳片部位）。

（2）加工区域的规划：

即对加工对象进行分析，按其形状特征、功能特征及精度、光洁度要求将加工对象分成若干个加工区域。

对加工区域的合理规划，可以达到提高加工效率和加工质量的目的。

（3）加工工艺路线的规划：

从粗加工到半精加工、精加工、再到清根加工的加工流程规划（其中包括加工余量的分配及残留余量的在现加工）。

目的是提高加工效率、控制加工表面质量，防止加工变形。

2）完善零件加工模型：

由于CAD造型人员更多地考虑零件设计的完整性，较少地考虑地零件模型对CAM加工的影响，因此，要根据加工对象的确定及加工区域划分对模型进行一些完善。

其内容如下：

（1）定义加工坐标系：

加工坐标系是加工的基准，将坐标系定位在适合机床操作人员确定的位置（即找正方便的位置）。

同时，最好保持模型坐标系与加工坐的统一。

（2）清理隐藏对加工不产生影响的体素。

（3）修补部分曲面:

如钻孔的曲面，狭小的凹槽部等，必要时重新构造三维曲面（重新构造U、V参数线）。

以便有利参数线曲面的刀位轨迹生成。

（4）几何分析模块：

其作用是分析零件的图形文件，得到图形的一些特征参数，并将这些参数传递给需要它的加工子程序，用以协助加工的自动完成。

（5）增加虚面、约束面、检查面、导引面等，提高加工质量防止刀具过切。

（6）构造刀路边界、裁剪边界、检查边界、构造毛坯模型，防止刀具与夹具干涉、计算加工的工时。

3）加工参数的优化：

加工参数的设置可视为利用UG软件进行数控编程的主要内容，它直接影响生成数控程序的质量，它是根据所输入的零件工艺过程设计的工艺文件，对各工序设定切削用量，刀具补偿，加工坐标原点（刀具起点）等，其所需原始数据均取至工艺文件，按实际所选数控机床的情况进行设置。

其主要内容如下：

（1）创建程序组、创建刀具组、创建几何组（指定零件、毛坯、卡具、压板等检查体）、创建方法组（设置部件余量、部件的内外公差等）

（2）选择编程方法（指UG软件中的加工类型）。

（3）设置切削方式及参数：

即刀具轨迹的类型及相关参数（如：

进退刀方式、切削用量、刀路的行间距、切深。

、安全高度等）。

（4）设置机械参数包括主轴转速、切削进给量、冷却液的控制等。

4）刀位轨迹生成：

其作用是设计刀具的运动轨迹，产生历史文件和刀位文件。

根据加工工艺调用相应加工程序，自动产生加工的详细描述，这些描述及零件的图形被纪录为历史文件（类似数控APT语言的描述），同时也产生了刀位文件（二进制或ASCII格式）。

加工子程序是各种加工方法的处理程序，它是对各种加工方法的具体描述，所提供的加工方法越多，软件应用的范围越广。

5）刀位轨迹验证

为了保证数控程序的安全性，必须对生成的刀位轨迹进行检查效验，检查刀轨是否过切或者加工不到位，同时检查是否发生与工件及夹具干涉。

对检查中发现的问题，应该进行参数调整，再进行重新计算、效验，直到准确无误（可通过可视化仿真软件VERICUT来实现）。

6）生成数控代码指令（后置处理）：

UG软件生成的只是数控刀位源文件，还需要将刀位源文件转换成数控机床代码指令。

2.3数控编程的步骤

在数控编程之前，编程员应了解所用数控机床的规格、性能、CNC系统所具备的功能及编程指令格式等。

编制程序时，应先对图样规定的技术特性、零件的几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，确定加工方法和走刀路线，在进行数值计算，获得刀位数据。

然后按数控机床规定的代码和程序格式，将工件的尺寸、刀位数据、加工路线、切削参数（主轴转速、进给速度、切削深度等）以及辅助功能（换刀、主轴正转、反转、冷却液开、关等）编制成加工程序，并输入数控系统，由数控系统控制数控机床自动地进行加工。

[8]

一般来说，数控编程过程主要包括：

分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入数控系统及程序检查，如图2—1所示。

数控机床

床

图2-1数控编程过程

2.4数控编程的方法

数控编程的分类方法有多种，大致可归纳为：

1）根据编程地点进行分类：

办公室或车间。

2）根据编程计算机进行分类：

CNC内部计算机，个人计算机（PC）或工作站（workstation）等。

3）根据编程软件进行分类：

CNC内部编程软件，APT语言或图形交互式自动编程软件。

下面探讨手工编程、APT语言自动编程和图形交互式自动编程：

1.手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图样分析、工艺处理、确定加工路线和工艺参数、几何计算、编写零件的数控加工程序清单直至程序的检验，均由人工来完成。

对于点位加工和几何形状不复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。

但对轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，计算机编写程序则相当繁琐，工作量大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的。

因此，为了缩短生成周期，提高数控机床的利用率，有效的解决各种模具及复杂零件的加工问题，采用手工编程不能满足要求，而必须采用自动程编方法。

2.APT语言自动编程APT是一种自动编程工具（AutomaticallyProgrammedTool）的简称，是一种对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言。

把用APT语言书写的零件加工程序输入计算机，经过计算机的APT语言编程系统编译

产生刀位文件（CLDATAfile），然后进行数控后置处理，生成数控系统能

接受的零件数控加工程序的过程，称为APT语言自动编程。

采用APT语言自动编程，由于计算机（或编程机）自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算工作，并省去了编写程序单的工作量，因而可将编程效率提高数倍到数十倍，同时解决了手工编程中无法解决的许多复杂零件的编程难题。

3.图形交互式自动编程是以待加工零件CAD模型为基础的一种集成加工工艺规划及数控程编为一体地自动编程方法。

其中零件CAD模型的描述方法多种多样，适用于数控编程的主要有线框模型、表面模型和实体模型，其中以表面模型和实体模型在数控编程中应用较为广泛。

2.5数控编程常用软件介绍

（1）UG

　　Unigraphics是美国UnigraphicsSolution公司开发的一套集CAD、CAM、CAE功能于一体的三维参数化软件，是当今最先进的计算机辅助设计、分析和制造的高端软件，用于航空、航天、汽车、轮船、通用机械和电子等工业领域。

UG软件在CAM领域处于领先的地位，产生于美国麦道飞机公司，是飞机零件数控加工首选编程工具。

UG优点：

提供可靠、精确的刀具路径；能直接在曲面及实体上加工；良好的使用者界面，客户也可自行化设计界面；多样的加工方式，便于设计组合高效率的刀具路径；具有完整的刀具库；加工参数库管理功能；包含二轴到五轴铣削、车床铣削、线切割；大型刀具库管理；实体模拟切削；泛用型后处理器等功能；高速铣功能。

（2）C