打印机外壳模具毕业论文

打印机外壳模具编程加工1 绪论1.1 概述CAD/CAM 技术是制造工程技术与计算机技术相互结合、相互渗透而发展的一项综合性应用技术 1。随着 CAD/CAM 技术的发展，CAD/CAM 技术的应用也日益广泛，几乎遍及所有的工业部门，如机械、电子、航空、航天、建筑、轻纺等行业，CAD/CAM 技术可完成产品的总体设计、外形设计、结构设计、优化设计、运动机械的模拟、有限元分析、物体质量特性计算、工艺规程制订、数控加工、检测测量等任务，它涉及到计算机科学、计算机图形学、计算几何、计算数学、数据结构、数据库、数控技术、软件工程、仿真技术、人工智能、专家系统等学科领域。利用 CAD/CAM 一体化技术加工零件，避免了在零件加工过程中二次输人零件形状尺寸数据和加工信息, 保证了产品数据的唯一性和准确性。一体化的结果减少了许多中间环节, 从而缩短了产品的研制周期, 提高了产品的加工质童。CAD/CAM 技术从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段，它是一门综合性的应用技术，具有高智力、知识密集、综合性强、效益高等特点，是当今世界科技领域中的一项前沿课题，它不仅改变了人们设计、制造各种产品的常规方式，有利于发挥设计人员的创造性，同时也有利于提高企业的管理水平和市场竞争能力 2。数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点。数控加工编程方法经历了手工编程、数控语言自动编程、图形交互编程、CAD/CAM技术集成系统编程几个发展时期 1。数控加工仿真就是利用计算机软件来模拟数控加工过程，并将加工过程和加工结果中的信息在计算机中用图形、数字、图表等方式表达出来，以达到供人们判断、验证和控制数控加工过程和结果的正确性、合理性以及加工效率高低等目的的方法。它可以在计算机上模拟出加工走刀和零件切削的全过程，直接观察在切削过程中可能遇到的问题，反复调试直到得到满意的结果，并且不占用和消耗实际的机床、工件等资料 10。后置处理是数控加工编程技术的一个重要内容，它将通用前置处理生成的刀位数据转换成适合于机床数据和数控加工程序。其技术内容主要包括机床运动学建模与求解、机床结构误差补偿、机床运动非线性误差校核修正、机床运动的平稳性校核修正、进给速度校核修正及代码转换等。因此，有效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。1.2 数控技术国内外现状和趋势1.2.1 我国数控技术现状我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50，配国产数控系统（普及型）也达到了 10。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程，特别是经过 4 个 5 年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。1) 奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。2) 初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。3) 建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍 4。 1.2.2 国际数控技术现状（1） 开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近 50 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模 IC 数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 CNC 数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统， 同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统（2） 软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有以下优点：1) 无温漂，稳定性好。2) 基于数值计算，精度高。3) 通过参数对设定，调整减少。4) 容易做成 ASIC 电路。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是 DSP 的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。（3） CNC 系统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：1)工厂管理级。一般由以太网组成。2)车间单元控制级。一般由 DNC 功能进行控制。 3)现场设备级。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。目前在工业上采用的现场总线有 Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbusS，Marco 等。目前比较活跃的是 Prof 主 bus-DP，为了允许更快的数据传送速度，它由 0S 工的七层结构省去 3-7 层构成 4。1.2.3 数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（1） 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在现代加工的高要求下，很多材料只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能进行加工。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。（2） 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。 （3） 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。1.3 CAD/CAM 技术现状和发展趋势1.3.1 CAD/CAM 技术概况CAD/CAM 技术是最近 30 年来迅速发展起来的一门综合性计算机应用系统技术，它起源于 60 年代初，是由麻省理工学院开发的 APT 程序系统，1%3 年麻省理工学院的 I 二 Sutherland 在美国的计算机联合大会上提出题为“人机对话图形通信系统”的论文，由此开创了 CAD/CAM 的历史，60 年代中期到 70 年代中期是 CAD/CAM 技术趋于成熟的阶段，随着计算机硬件的发展，以小型机、超小型机为主机的 CAD/CAM 集成技术进入市场，针对某个特定问题的 CAD/CAM 成套系统蓬勃发展;80 年代是CAD/CAM 技术迅速发展的时期，超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度下降，计算机外围设备己成系列产品，为推进 CAD/CAM 技术向高水平发展提供了必要的条件;90 年代 CAD/CAM 技术已不停留于过去单一模式、单一功能、单一领域的状况，而向着标准化、集成化、智能化的方向发展。我国的 CAD/CAM 技术的开发应用起步于 20 世纪 70 年代，到了 80 年代，国家在机械 CAD/CAM 技术开发应用方面进行了重点投资，20 世纪 90 年代，我国 CAD 技术开发与应用进入较为系统的推广阶段。CAD/CAM 技术研究的主要热点有计算机辅助产品的概念上设计，计算机支持的协同设计，海量信息的存储、管理和检索技术，智能 CAD/CAM 技术，CAD/CAM 技术与虚拟现实技术的集成 1, 5。1.3.2 CAD/CAM 的软件现在几乎所有成熟的商业化 CAD/CAM/CAx 集成软件中都提供有数控加工仿真的功能模块，其中较著名的有美国 PTC 公司的 Pro/Engineer, 美国 UGS 公司的 UG，法国达索(Dassault)飞机公司的 CATIA 等，国产的软件如 CAXA 等在这方面也有相应的功能模块提供。一些专门的数控加工仿真软件如 Vericut、Cimplex、Command 软件等等也都提供更为完善的仿真功能。国内在这方面较早开发研究的软件有由哈工大FMS 研究中心研制的数控加工过程三维动态图形仿真器(NC driven Machining Process Simulator, NCMPS)；由清华大学与华中理工大学合作完成的加工过程仿真器(HMPS, Horizontal Machining Process Simulator)等 7。1.3.3 CAD/CAM 的发展趋势企业的目标是高效率、高质量和低成本。厂家引进 CAD/CAM 软件能帮助企业在市场竞争中取得优势。当前，CAD/CAM 软件己经可以满足众多产品开发的基本要求，然而在提高模拟真实性以及加强使用的适用性方面均面临着挑战。未来机械制造业中使用 CAD/CAM 软件的发展趋势有以下几个特点：1） 单一零件的虚拟样机朝着整机虚拟样机的方向发展；2） 在单一分析功能不断完善的基础上，朝着优化、可靠性及其它综合评估功能的方向发展；3）加强设计与制造过程的集成，朝着 CAD/CAM 无缝整体化集成的方向发展 5。1.4.数控仿真技术1.4.1 数控仿真技术研究与发展的现状 国际上关于数控加工仿真的研究是从七十年代开始的，其目标都是试图将数控加工过程以图形方式直观形象的表现出来，从而检查加工程序中的错误，即所谓的图形仿真验证。早期多数 CAD/CAM 采用了一种比较简单的方法，即用线框图来实现数控加工仿真和验证。在实际验证时，刀具轨迹通过显示刀位点之间的矢量来进行模拟，刀具的线框图也能显示出来，再加上所加工的线框显示，刀具所加工的部位和加工方式都可以比较清楚地反映出来。但是，一旦零件比较复杂，表示零件和刀具轨迹的线框图就会互相重叠，难以辨认工件的实际形状和刀具的加工轨迹。使得检查工作变得十分困难，甚至完全不可能。正因为这样，后来的研究大多采用实体模型表示法。实体造型是在计算机中表示物体的一种方法，它用来描述物体的表面及其内部特性。第一代实体造型方法开发于 70 年代。进入 80 年代，第二代实体造型系统在工业界中得到应用。实体造型中最常用的方法有：边界表示法（B-rep）、体素构造法（CSG）、混合建模法（Hybrid Model）和空间单元表示法 6。1.4.2 数控仿真技术方法（1） 几何仿真技术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）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。2）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。Van Hook 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 buffer 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。3）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”(point-vector)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 8。（2） 力学仿真技术动态铣削过程仿真首先必须建立铣削过程的力学模型困, 在此模型的基础上仿真动态铣削力, 铣削力对刀具设计、机床工具设计以及刀具磨损和破损影响很大, 仿真铣削力是力学仿真的基础。1.4.3 数控仿真技术的发展趋势几何仿真将刀具和零件看成刚体, 目的是验证程序的正确性, 而力学仿真将刀具和零件等视为弹性体, 主要目的是在保证程序正确性的基础上, 消除切削变形引起的加工误差。以上两个方面独立地平行发展到现在, 已暴露出各自的问题。一方面几何仿真认为正确的程序, 在某些条件下并不能使加工出的零件满足所希望的技术要求, 主要原因是没有考虑切削过程中的物理因素, 尤其是受力变形。另一方面, 在切削过程的力学仿真中, 又不能精确地给出决定切削力的切削量, 因而当加工表面形状与毛坯形状较复杂时, 难以获得准确的动态切削力。实践证明, 铣削力对工件有着很大的影响, 尤其是对长薄型工件, 由于受力变形从而影响其尺寸和形状精度, 铣削力的计算与径向切削度宽和轴向切削深度有关, 由几何仿真系统可以精确地获得这两个参数。可见, 单纯的几何仿真或力学仿真都不能精确地描述加工过程, 只有将二者结合起来, 才能完整而有效地仿真铣削过程。由于受计算的复杂性和存储需求的限制, 生成和显示实体模型只能在工作站上或大型计算机上进行以上所介绍的系统都是如此, 仿真系统并没有在工厂中广泛应用。目前, 大量研究已集中于面向企业的数控程编仿真器开发, 仿真从工作站环境到微机环境,从而使其更赋实用性。而且仿真中不仅包含工件和刀具, 还应有必要的加工环境 , 即夹具、工作台, 甚至虚拟机床 9。1.5 本文内容本文为打印机外壳模具编程加工的工艺分析及零件加工仿真，主要对零件的加工区域及方法作了说明，对仿真加工的具体步骤作了介绍。3 打印机外壳模具编程加工的工艺分析及加工仿真3.1 工艺规划（1） 毛坯的选用根据本次仿真设计的实际需要及考虑到实验室的实际情况，选用规格为311.0171.065.0mm，材料为 738。该模具型芯结构较为复杂，模型为四个定位槽，并且在型芯上有许多细小的凸台和凹槽。（2） 机床的选择根据零件图纸的技术要求和设计流程，并结合先进制造实验室现有的设备，进行数据采样，选用 MDX540 机床来加工。（3） 夹具分析设计在设计夹具时应该考虑到一次装夹，避免零件重复多次装夹，以免其定位不准，再根据该模具毛坯为方料，加工中心采用一次装夹，故采用平口钳为夹具。（4） 刀具选择分析了零件所需要加工的尺寸