完整版机械设计制造及其自动化专业毕业设计40设计41基于CADCAM技术的电话机键盘上表面的数控加工.docx
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完整版机械设计制造及其自动化专业毕业设计40设计41基于CADCAM技术的电话机键盘上表面的数控加工
三江学院
本科生毕业设计（论文）
题目基于CAD/CAM技术的电话机键盘
上表面的数控加工
高职院（系）机械设计制造及其自动化专业
指导教师季鹏职称实验师
指导教师工作单位三江学院
摘要
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）是由多学科和多项技术综合形成的实用技术，是当今世界发展最快的技术之一。
该项技术改变了机械行业传统的设计制造方式，推动了机械制造业的迅猛发展，使传统的机械行业有了新的发展空间。
目前，CAD/CAM技术已广泛应用于制造业，二者的有机结合不仅仅提供了加工效率，而且还很好的保证了零件的加工质量。
通过对HCD6138型电话机键盘上表面进行实际测绘得到数据后使用CAD/CAM软件进行数模构建；然后再对数模文件进行处理用于数控加工。
在内容上包括CAD/CAM软件的图形处理、自动编程和加工中心的操作加工。
关键词：
CAD/CAM；数模构建；数控加工
Abstract
Computer-aideddesignandmanufacturing（CAD/CAM）isakindofpracticaltechnologyformedbytheintegratedmultidisciplinaryandanumberoftechnical,isoneofthetechnologiesthatgrowingfastestintheworldtoday.Thetechnologyhaschangedthetraditionalmachineryindustrywayofdesignandmanufacture,promotingtherapiddevelopmentofthemachinerymanufacturingindustry,madethetraditionalmachineryindustryhasanewdevelopmentspace.Atpresent,CAD/CAMtechnologyhasbeenwidelyusedinmanufacturing,thecombinationofbothnotonlyprovidesaprocessingefficiency,butalsoensureagoodmachiningquality,withveryhighpracticalvalue,andpromoterapiddevelopmenttomodernmanufacturing,hashadahugeimpactonthemanufacturingindustryinmanufacturingmodelsandmarketsituation,andpromotstheirhealthydevelopment.
ThroughactualmappingonthesurfacetheHCD6138typetelephonekeypadtogetthedatausingCAD/CAMsoftwarefordigital-analogbuild;thenprocessthedigital-to-analogfilesforCNCmachining.Intermsofcontent,includingprocessingofCAD/CAMsoftwaregraphics,automaticprogrammingandmachiningcenteroperationsprocessing.
Keywords:
CAD/CAM;builddigital-to-analog;CNCmachining
目录
第一章绪论1
1.1CAD/CAM的介绍1
1.2CAXA制造工程师的零件造型功能特点1
1.3CAXA制造工程师的数控加工特点1
第二章电话机上表面三维建模3
2.1电话机上表面测绘及绘制草图3
2.2电话机模型的三维建模3
第三章电话机CAM部分7
3.1生成加工毛坯程序7
3.2生成曲面粗加工程序10
3.3生成曲面精加工程序11
3.4生成其他凹槽的加工程序11
第四章零件加工15
4.1加工中心VMC850L主要技术参数15
4.2程序传输16
4.3加工17
4.3.1加工毛坯17
4.3.2对刀17
4.3.3加工18
结束语19
致谢20
参考文献21
第一章绪论
1.1CAD/CAM的介绍
CAD即计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。
简称CAD。
在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。
在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。
CAM即计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing）利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。
它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。
计算机辅助制造的核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。
CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。
CAM所涉及的范围，包括计算机数控，计算机辅助过程设计。
从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程。
软件系统在CAM中占有越来越重要的地位，现在计算机性能越来越好,价格也越来越便宜。
目前评估CAM系统主要由软件性能决定。
软件系统负责管理和控制计算机各个部分运行,充分发挥各设备功能,提高效率,为用户提供便于操作的程序。
为了开发、销售的便利,软件系统与NC系统一样都是模块化的。
1.2CAXA制造工程师的零件造型功能特点
主要功能特点有：
（一）方便的特征实体造型
（二）强大的NURBS自由曲面造型
（三）灵活的曲面实体复合造型
1.3CAXA制造工程师的数控加工特点
1.两轴到三轴的数控加工功能，支持4～5轴加工
两轴到两轴半加工方式：
可直接利用零件的轮廓曲线生成加工轨迹指令，而无需建立其三维模型；提供轮廓加工和区域加工功能，加工区域内允许有任意形状和数量的岛。
可分别指定加工轮廓和岛的拔模斜度，自动进行分层加工。
三轴加工方式：
多样化的加工方式可以安排从粗加工、半精加工到精加工的加工工艺路线。
4～5轴加工模块提供曲线加工、平切面加工、参数线加工、侧刃铣削加工等多种4～5轴加工功能。
标准模块提供2～3轴铣削加工。
4～5轴加工为选配模块。
2.支持高速加工
本系统支持高速切削工艺，以提高产品精度，降低代码数量，使加工质量和效率大大提高。
可设定斜向切入和螺旋切人等接近和切入方式，拐角处可设定圆角过渡，轮廓与轮廓之间可通过圆弧或S字型方式来过渡形成光滑连接，从而生成光滑刀具轨迹，有效地满足了高速加工对刀具路径形式的要求。
3.参数化轨迹编辑和轨迹批处理
CAXA制造工程师的“轨迹再生成”功能可实现参数化轨迹编辑。
用户只需选中已有的数控加工轨迹，修改原定义的加工参数表，即可重新生成加工轨迹。
CAXA制造工程师可以先定义加工轨迹参数，而不立即生成轨迹。
工艺设计人员可先将大批加工轨迹参数事先定义而在某一集中时间批量生成。
这样，合理地优化了工作时间。
4.独具特色的加工仿真与代码验证
可直观、精确地对加工过程进行模拟仿真、对代码进行反读校验。
仿真过程中可以随意放大、缩小、旋转，便于观察细节，可以调节仿真速度；能显示多道加工轨迹的加工结果。
仿真过程中可以检查刀柄干涉、快速移动过程（G00）中的干涉、刀具无切削刃部分的干涉情况，可以将切削残余量用不同颜色区分表示，并把切削仿真结果与零件理论形状进行比较等。
5.加工工艺控制
CAXA制造工程师提供了丰富的工艺控制参数，可以方便地控制加工过程，使编程人员的经验得到充分的体现。
6.通用后置处理
全面支持SIEMENS、FANUC等多种主流机床控制系统。
CAXA制造工程师提供的后置处理器，无需生成中间文件就可直接输出G代码控制指令。
系统不仅可以提供常见的数控系统的后置格式，用户还可以定义专用数控系统的后置处理格式。
可生成详细的加工工艺清单，方便G代码文件的应用和管理。
第二章电话机上表面三维建模
2.1电话机上表面测绘及绘制草图
测绘及绘制草图需要用到钢尺、卡尺、螺丝刀、铅笔、纸等。
2.2电话机模型的三维建模
1.根据草图，设定模型尺寸
选择基准平面，根据草图，选择系统预置的基本坐标平面（XY平面），如图3.1所示，右击特征树中“XY平面”创建草图。
图3.1创建草图图3.2绘制草图
2.绘制草图
（1）单击矩形按钮，在立即菜单中选择“中心_长_宽”。
单击“长度”输入框，键入“160”，采用同方法设置宽度值为180。
再移动光标至坐标原点，待光标出现后，单击鼠标左键，完成操作。
如图3.2所示。
图3.3绘制曲线图3.4曲线裁剪
（2）单击三点圆弧“”按钮绘制曲线，单击曲线裁剪“”按钮，裁剪多余曲线，得到如图3.3、3.4结果，完成操作。
图3.5拉伸草图轮廓图3.6轴测图
3.特征生成
（1）将草图轮廓进行拉伸操作，生成一个增加材料的特征。
单击“拉伸增料”按钮，在弹出的“拉伸增料”对话框中，选取拉伸类型，输入参数，拾取草图，单击按钮，完成操作。
如图3.5所示。
（2）按“F8”键，切换至轴测图。
如图3.6所示。
4.生成曲面
（1）单击“样条线”按钮，在立即菜单中选择“插值”、“缺省切失”、“开曲线”，在模型侧面选取几个点，生成自由曲线。
如图3.7所示。
图3.7生成自由曲线
（2）单击“扫描面”按钮，在立即菜单中设置起始距离、扫描距离、扫描精度和精度等参数，选择扫描方向，拾取曲线生成扫描面。
如图3.8所示。
图3.8生成扫描面图3.9生成曲面
（3）单击“曲面裁剪”按钮，在立即菜单中选择曲面和除料方向等参数，单击按钮。
（4）右击曲面及曲线，选择隐藏，生成曲面。
如图3.9所示。
5.生成曲面上各个凹槽
（1）构建另一基准面。
由于各凹槽分布在曲面上，如果直接在曲面上进行造型，比较麻烦，而且加工也比较复杂。
单击“构造基准面”按钮，在立即菜单中选择等距平面确定基准面，选择平面XY，输入距离，单击按钮。
（2）生成听筒架部分。
在新建的基准面上，创建草图，绘制出听筒架的轮廓。
在单击“拉伸除料”按钮，在立即菜单中选择“固定深度”、“实体特征”等，设置深度参数，选择拉伸对象，单击按钮，完成操作。
类似方法生成听筒锁凹槽部分。
如图3.10所示。
图3.10生成听筒锁凹槽部分图3.11生成话筒架部分
（3）生成话筒架部分。
根据多次修改后的经验，在距XY平面5处新建1个基准面，创建草图，点击“整圆”按钮，绘制半径为10的圆。
在距XY平面45处新建1个基准面，创建草图，点击“椭圆”按钮，绘制长半轴35，短半轴40的椭圆。
单击“放样除料”按钮，在立即菜单中选取两草图，单击按钮，完成操作。
如图3.11所示。
（4）生成显示器凹槽、扩音器凹槽、便利纸片凹槽，按键凹槽等。
这几步操作步骤相似，都是现在基准准面上绘制草图，再利用拉伸除料功能进行除料。
区别仅仅是草图不一样，除料深度不同。
如图3.12所示。
图3.12生成凹槽图3.13倒圆角处理
（5）将各面连接部分进行倒圆角处理。
单击“过渡”按钮，在弹出的“过渡”对话框中设置各个参数，选择相应的面或线，单击按钮，完成操作。
如图3.13所示。
经过以上几个步骤，电话机模型，三维建模部分已经完成。
第三章电话机CAM部分
在计算机三维建模工作完成之后，就可以进行计算机辅助制造部分了。
本次加工所用的机床为四轴加工中兴，由于加工中心带有刀库，所以可以实现毛坯一次装夹即可加工出电话机模型，非常方便。
此次加工在进行毛坯加工时需要二次装夹，在实际加工时，有很多步工序，需要用到多把刀具，因此在计算机生成加工程序时，需要将每一工序的程序逐一生成。
3.1生成加工毛坯程序
1.新建坐标系
为了符合加工过程，必须先新建一个坐标系。
打开之前已经建好的模型，单击“创建坐标系按钮”，按照状态栏提示，根据毛坯尺寸输入坐标原点（0,0,20）、坐标系名称“new”。
单击“激活坐标系”按钮，激活刚新建的坐标系。
如图4.1。
图中红色坐标系为新建坐标系。
图4.1新建坐标系
2.设置加工参数及加工图形
（1）在特征树中设置加工中“模型”,“模型”的主要作用是在仿真时检查干涉，检验加工效果或程度等，与刀路计算无关。
如图4.2所示。
图4.2设置加工中“模型”图4.3定义“毛坯”
（2）定义“毛坯”，本次加工所用的毛坯为长方体铝块。
而且CAXA制造工程师目前只能支持方形坯料。
如图4.3所示。
（3）确定“起始点”，此点为全局刀具起始点。
如图4.4所示。
（4）设置刀具库参数，这一工序，我选择的刀具是Φ8mm的平头铣刀。
如图4.5所示。
图4.4确定“起始点”图4.5设置刀具库参数
3.选择加工方式。
这一工序的加工方式为等高线粗加工。
如图4.6、图4.7所示。
图4.6选择等高线粗加工图4.7等高线粗加工选项
（1）加工参数1：
加工方向为逆铣，Z切入方向的层高为2mm，XY切入行距为6mm、切削模式为环切，前进角度为0°，行间连接方向为直线，加工顺序为Z优先，加工余量0.02mm。
（2）加工边界：
利用加工边界可将刀具轨迹限制在一定的区域范围之内。
加工边界包括Z向高度范围和XOY平面范围两种。
Z设定使用范围0―-20，刀具位置在边界外侧。
（3）切削用量：
主轴速度为1500r/min，慢速下刀速度为160mm/min，切入切出连接速度为160mm/min，切削速度为160mm/min，退刀速度为200mm/min。
（4）刀具参数：
刀具为Φ8mm的平头立铣刀。
（5）加工参数2、切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。
4.生成刀具轨迹
参数设定完成之后，单击按钮，选取加工对象及加工边界。
软件自动生成刀具走刀轨迹。
如图所示。
5.实体仿真
这一步操作可以对刀具走刀轨迹进行验证、对加工效果进行评估。
如图4.8、图4.9所示。
图4.8验证走刀轨迹图4.9加工效果评估
6.后置处理
后置处理模块包括后置设置、后置处理设置、生成G代码和生成加工工艺单等功能。
图4.10后置设置图4.11后置处理设置
（1）后置设置。
后置设置就是针对不同的机床、不同的数控系统，设置特定的数控代码、数控程序格式及参数，并生成配置文件。
生成数控程序时，系统根据该配置文件的定义，生成特定代码格式的加工指令。
后置设置对话框如图4.10所示。
（2）后置处理设置。
后置处理设置就是针对特定的机床，结合已经设置好的机床配置，对后置输出的数控程序格式，如程序段行号、程序大小、数据格式、编程方式等进行设置。
如图4.11所示。
（3）生成G代码。
如图4.12所示。
（4）生成加工工艺清单。
如图4.13所示。
图4.12生成G代码图4.13生成加工工艺清单
3.2生成曲面粗加工程序
这一工序的加工方式也是等高线粗加工。
绘制一个160*180的长方形加工边界，避免这一步进行倒圆角操作，同时也可以提高加工效率。
参数设置步骤与上一工序步骤类似，参数设置完成后生成刀具走刀轨迹，实体仿真，生成G代码及工艺清单。
如图4.14所示。
图
44.14曲面粗加工生成G代码图4.15便利纸片凹槽等G代码生成
利用相同的加工方法，类似的程序生成方法，还可以加工便利纸片凹槽、显示器凹槽及免提按键凹槽。
如图4.15所示。
3.3生成曲面精加工程序
这一工序的加工方式为扫描线精加工。
步骤如下：
1.绘制加工边界
绘制一个180*200的长方形加工边界，这一步需要进行倒圆角加工操作。
如图4.16所示。
这一步在选择加工方式之前进行的设置步骤与上一步相同。
设置参数部分不一样。
2.设置参数（如图4.17）
（1）加工参数：
加工方向往复，加工方法通常，XY向行距1mm、角度0°，加工顺序为截面优先，不加工未精加工区域加工余量0mm，其他参数系统默认。
（2）加工边界：
Z设定使用范围0―-19，刀具位置在边界内侧。
（3）切削用量：
主轴速度为2000r/min，慢速下刀速度为160mm/min，切入切出连接速度为160mm/min，切削速度为160mm/min，退刀速度为200mm/min。
（4）刀具参数：
刀具为Φ12mm的球头立铣刀。
（5）切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。
生成刀具轨迹、实体仿真、后置处理等步骤的操作方法与上一工序的操作方法一样。
图4.16绘制加工边界图4.17设置参数
3.4生成其他凹槽的加工程序
1.绘制需加工凹槽的轮廓
曲面上各个凹槽的深度参数都不一样，而且数量比较多。
如果按照之前的加工方法，刀具在加工时会切到已加工的表面，影响已加工表面的表面质量，而且生成程序时比较麻烦。
为了解决这一问题，可以将这些凹槽的轮廓，绘制在一张平面内，生成程序时，逐个选择凹槽。
这样比较方便，而且加工时还不会干涉到已加工的表面。
如图4.18所示。
图4.18绘制需加工凹槽的轮廓
2.生成扩音器凹槽和复位按键凹槽加工程序
（1）扩音器凹槽和复位按键凹槽区域比较窄，用小直径刀具切削时，只需切削一刀，采用轮廓线精加工的加工方式比较合适。
（2）加工参数：
加工类型偏移，偏移方向左，XY切入行距1.5、刀次1，加工顺序Z优先，Z切入层高0.5，加工精度0.01，加工余量均为0，偏移插补方法为圆弧插补。
（3）加工边界：
扩音器凹槽Z设定使用范围0―-4。
复位按键凹槽Z设定使用范围-4.5―-7。
（4）切削用量：
主轴速度为2500r/min，慢速下刀速度为100mm/min，切入切出连接速度为100mm/min，切削速度为80mm/min，退刀速度为200mm/min。
（5）刀具参数：
刀具为Φ2mm的平头立铣刀。
（6）切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。
（7）参数设置结束后，单击按钮，拾取轮廓线，确定链搜索方向，生成刀具轨迹，生成G代码。
3.生成其他凹槽的程序
剩下的凹槽区域相对宽阔一点，加工方式可以选择区域式粗加工。
（1）加工参数：
加工方向顺铣,XY切入行距3，切削模式环切，Z切入层高0.5，加工精度0.1，加工余量均为0，行间连接方式圆弧插补。
（2）加工边界：
各区域加工边界参数见表1。
（3）切削用量：
主轴速度为2500r/min，慢速下刀速度为160mm/min，切入切出连接速度为160mm/min，切削速度为160mm/min，退刀速度为200mm/min。
（4）刀具参数：
刀具为Φ4mm的平头立铣刀。
（5）切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。
（6）参数设置结束后，单击按钮，拾取轮廓线，确定链搜索方向，生成刀具轨迹（如图4.19），生成G代码。
加工边界
按键1凹槽
0―-3
按键2凹槽
-1―-4
按键3凹槽
-2―-5
按键4凹槽
-2.5―-6
按键5凹槽
-4.5―-7
听筒锁凹槽
-12―-17
便利纸片凹槽
-2―-5
图4.19生成刀具轨迹
等高线粗加工部分G代码（详见附件二）：
N10G90G54G00Z50.000
N12S1500M03
N14X-117.501Y105.131Z50.000
…………………
N6268G00Z50.000
N6270M05
N6272M30
等高线精加工部分G代码（详见附件二）：
N10G90G54G00Z50.000
N12S2000M03
N14X-84.737Y0.179Z50.000
…………………………
N618G00Z50.000
N620M05
N622M30
第四章零件加工
4.1加工中心VMC850L主要技术参数
项目
主要参数
加工范围
X轴行程
mm
850
Y轴行程
mm
600
Z轴行程
mm
600
主轴端面至工作台距离
mm
`
工作台
工作台面积（A×B）
mm
1000×600
最大承重
Kg
500
T型槽（槽数×宽度×间距）
mm
5×18×100
进给驱动
X、Y、Z轴快移速度
m/min
36/36/30
X、Y、Z轴伺服电机功率
kW
3/3/3
X、Y、Z轴伺服电机扭矩
N.m
12/12/12
X、Y、Z轴伺服电机转速
rpm
3000/3000/2500
X、Y、Z轴丝杠直径
mm
40/40/40
进给速度
mm/min
精度
定位精度
mm
±0.005/300
重复定位精度
mm
±0.003
刀库
（可选配）
刀库容量
把
24
刀库形式
圆盘式机械手刀库
刀柄形式
BT40
刀具最大直径（满刀/相邻空位）
mm
Φ80/Φ125
最大刀具长度
mm
300
刀具最大重量
Kg/把
7
换刀时间
S
3
数控系统
FANUC-0iMD
气源压力
MPa
0.6
机床电源
V/Hz
380V/50Hz
4.2程序传输
程序生成之后，可以通过软件传输到加工中心中，加工中心才能按照程序加工。
在程序传输之前，应根据机床的参数设定传输软件的传输参数，这样传输的程序才能被机床识别。
此次，我选择的传输软件为winPICN。
如图所示。
（1）单击“RS232接口设置”，选择“文本格式”。
（2）设定数据接口COM1，波特率19200。
图6.1传输软件的界面
在使用此软件进行程序传输的过程中最大问题就在于接口数据的设定，具体内容如图2所示：
图6.2参数设定界面
4.3加工
此次加工所用的机床为皖南机床厂生产的4轴加工中心，系统为西门子802DSL。
加工所用的材料为铝块。
4.3.1加工毛坯
此次加工中的坯料是从市场上购买的，尺寸为200*180*35mm。
加工时，尽量在一次装夹加工后，加工更多的面，这样不仅提高了加工精度，而且加工表面质量也会提高。
加工步骤首为先去除坯料的毛刺，清理坯料表面。
用2对压块将坯料固定在工作台上，坯料下面放置垫铁，用百分表对坯料进行对正，确定一个粗基准，压紧压块。
用Φ50mm盘铣刀铣平除压块固定区域以外的平面。
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