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框架类零件的建模与制造

摘要

本文对反求工程的定义和方法是行了介绍,论述了UG软件在反求工程设计中的应用,主要着重讨论了CAD三维模型的建立和后处理等实现过程,并给出了反求集成开发的工作流程。

在此基础上，我再利用UG软件的加工环境进行模拟加工，生成NC代码，最后再在Vericut环境中进行NC代码的验证，模拟加工仿真。

本次设计主要是基于以下原因：

①在UG软件上能完成对框架类零件接头的逆向设计和制造一体化；

②点云数据预处理和曲线曲面重构是逆向工程中的关键技术，虽然UG软件具有强大的曲线曲面造型功能，但是点云数据预处理的功能相当薄弱。

。

③通过软件直接生成的程序，有时候会产生过切等现象，为了改善此情况，通过VERICUT进行模拟仿真，验证刀具轨迹。

提高生产效率。

本文主要研究的工作如下：

1、探讨了利用坐标测量仪对零件进行数据采集。

2、利用UG的二次开发语言OPENGRIP进行点云的生成

3、利用UG软件加工环境，进行NC代码的生成

4、数控编程及数控模拟仿真

5、工艺规程及工艺卡片的编写

关键词：

逆向工程建模UG数控模拟仿真数控编程

Abstract

Inthispaper,thedefinitionofreverseengineeringandlinemethodisintroducedontheUGsoftwarereverseengineeringinthedesign,mainlyfocusedonthethree-dimensionalCADmodel,suchastheestablishmentandimplementationofpost-processingandintegrationaregiveninreversethedevelopmentofworkflow.Onthisbasis,IwouldliketouseUGprocessingsoftwaresimulationenvironmentprocessing,generationofNCcode,andthenintheNCenvironmentVericutverificationcodetosimulatethemachiningsimulation.

Thedesignisbasedmainlyonthefollowingreasons:

①IntheUGsoftwaretocompletepartsoftheframeworkofjointdesignandmanufactureofreverseintegration;

②pointclouddatapre-processingandreconstructionofcurvesandsurfacesinreverseengineeringisthekeytechnology,althoughtheUGsoftwarehaspowerfulfunctionofthecurveandsurfacemodeling,butthepointclouddatapreprocessingarequiteweak..

③directlygeneratedbysoftwareprogram,andsometimeshavebeencutandsoon,inordertoimprovethesituation,carriedoutthroughtheVERICUTsimulation,toolpathverification.Improveproductionefficiency.

Thispaperstudiestheworkofthefollowing:

1、toexploretheuseofcoordinatemeasuringmachinedataacquisitionofspareparts.

2、theuseofthesecondarydevelopmentofNX/Opengripforpointcloudgeneration

3、theuseofUGsoftwareprocessingenvironmentforthegenerationofNCcode

4、NCprogrammingandsimulation

5、processplanningandprocessofthepreparationofthecard

Keywords:

reverseengineeringsimulationmodelingNCProgrammingUG

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

第2章基于UG的逆向工程建模2

2.1逆向工程的概念及应用2

2.2UG软件简介2

2.3基于UG的逆向工程设计3

2.3.1逆向工程的流程3

2.3.2数据点的测量4

2.3.3数据的采集5

2.3.4点云的导入10

2.3.5曲线的生成12

2.3.6曲面的构造13

2.3.7实体的构建16

3.2.8二维图纸的绘制17

第3章工艺规程19

3.1零件结构工艺分析19

3.1.1零件图的工艺性分析19

3.1.2零件毛坯的工艺分析19

3.2零件材料的分析20

3.2.130CrMnSiNi2A钢的现状与发展20

3.2.230CrMnSiNi2A钢的工艺特性21

3.3零件加工变形分析21

3.3.1变形的分析21

3.3.2刀具热变形及对加工精度的影响22

3.3.3残余应力的影响分析22

3.4工艺编程22

3.4.1加工方案制定的原则23

3.4.2走刀路线的确定23

3.4.2切削用量的选择原则24

3.4.3刀具的选择原则25

3.4.4检验、钳工、热处理工序在工艺规程中的安排26

3.5工艺图表的制作26

3.5.1机械加工工艺过程卡制作26

3.5.2机械加工工序卡片制作27

3.5.3数控加工工序安排原则27

3.6数控编程27

3.6.1编程坐标的选择27

3.6.2刀具轨迹生成28

3.6.3后置处理28

3.6.4零件的加工过程图及NC代码28

第4章数控模拟仿真33

4.1数控仿真的意义33

4.2数控仿真的概念33

4.3软件开发的背景33

4.4Vericut软件简介34

4.5仿真优化过程36

总结38

致谢39

参考文献40

第1章绪论

随着科学技术的飞速发展和市场竞争的日益激烈，越来越多的制造企业开始将大量的人力、物力、财力投入到先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略中。

改革开放20年，我国制造科学技术有日新月异的变化和发展，确立了社会主义市场经济体制，但与先进的国家相比仍有一定差距，为了迎接21世纪的挑战，必须认清制造技术的发展趋势，由手工业制造逐步朝机械化制造的完全转变，缩短与先进国家的差距，机械制造业发展趋势表明，只有采用先进的制造技术并能实施在相匹配的制造模式中才能符合上述的趋势。

随着产品设计的信息化发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中三维造型技术已被制造业广泛应用于产品造型及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护等方面。

在实际开发制造过程中，设计人接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是产品的实物模型。

设计人员需要通过一定得途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术。

在计算机技术不断发展的今天，CAD/CAM图形交互式自动编程方法的应用成为数控技术发展的趋势。

数控编程在CAD/CAPP/CAM系统中是最能明显发挥效益的环节之一。

而数控代码程序在实际CNC机床上加工零件之前，通常都需要对代码进行反复地检查以发现明显的错误。

而如果在在实际机床上进行试验校检，不仅费时费力，而且容易造成机床和刀具的损坏。

采用NC程序加工仿真软件可以有效的避免这一类问题，它可用来检测编程语句错误、不正确的走刀路径、干涉碰撞等信息，可使制造过程的返工、加工废品率以及加工刀具损坏等的可能性降到最低。

由美国CGTECH公司出品的Vericut软件就是当今一款比较流行的数控加工仿真软件。

Vericut是NC验证与加工仿真软件，它可用来在编程阶段校检加工程序的准确性，能够让编程人员对整个加工环境进行仿真。

使用vericut可以在产品实际加工之前，模拟NC加工过程，以检测刀具路径中可能存在的错误，可用于验证G代码和CAM软件的输出结果。

同时vericut可以和mastercam、Pro/E、UG、CATIA、WorkNC、EdgeCAM等软件无缝集成，以对其生成的NC代码进行仿真。

在本次毕业设计中，我的研究方向是框架类零件的建模与制造，设计过程中我主要运用到的软件是Vericut、UG、CAXA软件。

第2章基于UG的逆向工程建模

由于此次毕业设计中，我所研究的零件是一个现有实物模型，没有图纸和CAD数据档案,无法得到准确的尺寸,制造模具就更为烦杂。

如果用传统的方法,所用时间长且效果不佳,这时候就需要一个一体化的解决方案:

从样品→数据→产品,逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。

这也是我此次设计中所应用的一部分——逆向工程技术。

2.1逆向工程的概念及应用

逆向工程（ReverseEngineering，RE），也称反求工程、反向工程、三坐标点测绘、三坐标点造型、抄数等。

是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描,得到其三维轮廓数据,配合反求软件进行曲面重构,并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果,最终生成IGES或STL数据,据此就能进行快速成型或CNC数控加工。

逆向工程技术与传统的正向设计存在很大的差别。

概括地说,正向设计工程是由概念到CAD模型,再到实物模型的开发过程;而逆向工程则是由实物模型到CAD模型的过程,对实物模型进行三维数字化处理,构造实物的CAD模型,并利用各种成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术进行再创新设计。

逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持,为后续的产品制造、加工及模具设计等工作提供了基础,它已成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。

逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况:

（1）在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型,并以此为依据生成数控加工的NC代码,加工复制出一个相同的零件。

（2）当要设计必须通过实验测试才能定型的工件模型时,通常采用逆向工程的方法。

比如航天航空领域,为了满足产品对空气动力学等要求,首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立符合要求的产品模型,这类零件一般具有复杂的自由曲面外型,最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。

（3）在美学设计特别重要的领域,例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果。

此外,如电脑仿型、礼品创意开发等都需用逆向工程的设计方法。

2.2UG软件简介

UG是unigraphics的缩写，是美国unigraphicssolutions公司开发的三维参数化软件，作为当前最为先进的面向制造业的计算机辅助设计、分析和制造高端软件之一，集CAD/CAM/CAPE功能于一体，广泛应用于航空航天、汽车、通用机械和家电等不同的领域。

不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和工程图设计等功能，而且在设计过程中可进行有限元分析和机构运动分析，提高了产品设计效率，缩短了产品开发的时间。

同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于数控机床的加工。

UG提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。

UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。

目前，我国对于UG的相关研究主要集中在CAD方面，面对CAM的研究相对的比较薄弱，其中CAD方面对于模具设计、复合建模以及逆向工程等3个方面的主题研究比较多，而钣金设计、虚拟装配的主题研究则比较少，在CAE方面研究比较多的主题是关于协同仿真、仿真数据管理等方面的，说明越来越多的研究者认识到CAE不仅仅是一个验证手段，而是仿真设计手段，是产品创新的推动力，CAE日渐称为企业信息化的投资亮点，也将称为未来一段时间内技术讨论和企业应用的热点。

在UG软件中，我们在处理大量点云数据的时候会比较困难，不仅生成曲面时间较长，比较缓慢，而且运行数据也会相当庞大。

而UG/OPENGRIP语言解决了这一难题。

UG/Open是UG二次开发的工具集，它随UG一起发布，是开放性架构，为面向不同软件平台的二次开发提供了灵活的支持。

与其他二次开发语言相比，GRIP具备简单、易学、交互性能强的优点。

GRIP语言是面向工程师的语言，它不需要具备专业的编程知识但必须具备一定程度的三维建模基础。

通过GRIP编程，用户将专业知识与Unigraphics系统融合，就能更好地发挥Unigraphics软件的功能。

2.3基于UG的逆向工程设计

逆向工程主要通过以下步骤来实现:

数据采样,数据处理，点云生成及CAD三维模型的建立,产品功能模拟及再设计,后处理等。

2.3.1逆向工程的流程

逆向工程的流程通常是首先利用3D数字化测量仪器准确、快速地测量出现有工件（样品或模型）的轮廓坐标，再通过各种软件对曲面进行建构、编辑、修改，传至系统，生成NC程序，最后送至CNC加工机床制作所需模具。

其工艺流程如图2.1所示．

其中，三维数据测量、数据处理、曲面重构是逆向工程的三大关键技术．

论文主要研究内容和结果本文通过获得产品的数字化点云（点云由指导教师代为测量），应用点云数据构建成曲面、边界，乃至实体，应用UG-NX软件对所建成的三维模型进行数控编程、程序仿真。

图2.1工艺流程图

2.3.2数据点的测量

现有的数据采集方法主要分为两大类:

接触式数据采集方法和非接触式数据采集方法。

如图2.2所示

图2.2常用数据采集方法

1、接触式数据采集方法

接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。

接触式数据采集通常使用三坐标测量机,测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向,确定测量点数及其分布,然后确定测量的路径,有时还要进行碰撞的检查。

2、非接触式数据采集方法

非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集,主要包括:

激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。

非接触式数据采集速度快、精度高,排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差,避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题,获得的密集点云信息量大、精度高,测头产生的光斑也可以做得很小,可以探测到一般机械测头难以测量的部位,最大限度地反映被测表面的真实形状。

由于机械接触式测量扫描数字化受机械的限制,且其大多采用接触压力传感器,对易变形的材料的测量极易产生误差,在进行探头半径补偿时,同样会出现误差。

因此,在多数情况下,设计者会选用非接触式测量方法。

2.3.3数据的采集

用UG软件做逆向工程，使用的测量设备大多都是接触式手动三坐标测量机，主要针对剖面、轮廓和特征线进行测量，测量的数据点不是很多，UG处理起来也比较容易。

目前应用最广的是应用三坐标测量仪和激光三角形测量法。

从发展趋势看,工业CT和逐层切削照相测量将占反求工程测量方法主导地位,应用范围也会逐渐广泛。

三坐标测量机,可以用来测量特征的空间坐标、扫描剖面、测量分型线以及轮廓线。

此设备获得点的数据量不像激光扫描仪扫描的那么大,所以用一些非专业的逆向设计软件是很合适的,本文就应用UG软件处理三坐标测量机的测量数据进行逆向造型设计步骤进行探讨。

三坐标测量机取点的效率较低,在零件测点时要有目的有计划的进行,除了扫描剖面、测分型线外,测轮廓线等特征线也是必要的。

另外,一般测量软件可以预先设定点的安放层。

同方向的剖面点放一层,分型线点和轮廓线点各自放一层,UG软件中也具备这个功能,所以这项工作也可以在后续工作中完成。

逆向工程要仿制样品，就要有相应的数据信息。

数据采集是逆向工程的起点，是逆向工程的基本活动。

以下就是利用测量机采集的数据点云：

-245.67836-90.75302-19.96163

-222.64294-87.65393-20.39213

-198.11049-85.86123-20.85147

-170.53392-85.67625-21.31545

-136.88469-88.05206-21.00701

-118.59192-90.59189-21.63336

-118.51193-89.994420.64931

-134.74040-87.715080.42462

-149.46999-86.216511.01024

-169.27426-85.098421.07352

-188.04698-84.966140.93011

-214.44377-86.300820.59789

-245.10371-90.070221.35762

-97.33599-94.01729-21.53024

-83.46800-95.35528-21.79574

-82.77738-95.21263-0.42691

-95.95291-93.76481-0.25781

-65.06783-94.90619-21.43363

-38.57866-93.98117-21.70208

-18.43265-93.27765-22.26420

-19.33291-93.30909-1.88337

-36.56628-93.91089-1.30075

-50.76249-94.40664-0.69547

-66.80315-94.96679-0.11481

0.14471-91.98577-20.97213

17.51763-90.27770-21.24432

38.37228-88.22731-22.07965

58.42324-86.25594-22.36227

81.28476-84.00825-21.83094

104.61195-81.71476-22.22059

125.49840-79.66125-20.09996

143.97308-77.84486-20.91086

165.19371-75.75849-21.01964

190.77979-73.24291-21.45985

213.73981-70.98553-20.33984

239.00257-68.50175-20.46851

264.67087-65.97809-19.05327

296.87400-62.81195-11.07000

265.05144-65.94068-2.62200

238.67959-68.53350-2.04800

212.39454-71.11780-0.53613

191.34178-73.18766-0.64416

166.66341-75.61399-1.53275

143.32369-77.90870-1.51003

120.44621-80.15797-2.17226

101.16874-82.05329-2.38277

79.78424-84.15577-2.14178

58.77921-86.22095-1.59372

37.37031-88.32583-1.68131

18.11725-90.21875-1.56265

-2.38613-92.23460-2.65724

323.74311-52.37282-11.17290

324.72071-39.06506-10.38159

291.65600-9.12704-11.26259

270.521102.09258-15.62791

248.1714714.15324-18.20900

250.8459613.12436-0.61257

270.950542.13436-1.54012

214.2938131.59360-22.77530

189.8146742.08774-22.98384

160.8372053.11156-23.31248

134.8212561.77587-23.64410

109.6596669.08550-24.27795

108.5056170.007710.98020

125.7338265.153102.10632

145.4621058.965861.99730

172.0756949.621173.58225

198.3288839.188275.31358

219.5152129.845856.66623

90.1739592.698855.06719

88.12254114.131187.20079

85.50000141.53040-10.00000

85.50000171.176877.41432

71.00000141.53040-10.00000

71.00000123.945438.36000

71.00000115.78443-24.02400

55.8235081.40713-23.86620

33.8850385.14389-23.68471

11.8614788.21904-22.004

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