毕业设计（论文）-手机充电器插头造型计算机辅助设计与制造.doc

2004级本科毕业设计论文 第 25 页 共25页1 引言 机械制造工业是发展国民经济的基础，随着经济的发展，用户对各类产品的质量、产品的更新换代的速度和产品从设计、制造到投放市场的周期等要求越来越高，竞争空前激烈。为了适应新形势下的新任务，计算机技术与设计、制造技术相互结合与渗透，产生了计算机辅助设计与制造(cad/cam)这样一门综合性的应用技术，它是对过去传统的机械设计、机械制造工艺过程控制方法的一个挑战，特别是近十几年，随着大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，cad和cam的应用已经相当普遍。它具有高智力、知识密集、综合性强、效益高等特点。近年来我国的机械制造行业发展迅猛，各企业不断加大投入进行技改，这是对过去传统的机械设计、机械制造工艺过程控制方法的一个挑战。特别是数控设备及其加工技术，计算机辅助设计及制造技术（cad/cam）的不断深入应用，使机械制造企业在技术方面有了质的突破。而它技术发展如此迅猛的原因主要是它比其它新技术更直接地更紧密地与生产相联系，经济效益十分显著。在机械制造行业应用它进行产品的设计和制造，可实现快速响应设计与制造，缩短生产周期，提高产品质量。然而，在众多加工企业中，能够有效利用技术创新，并形成规模化、集约化的制造企业还是为数不多。对于中国机械制造企业，在这方面还有很多基础工作需要去做，去完善，这样才可能充分利用先进的技术。ug是一交互式cad/cam系统，ug的cad功能能提供标准工程技术、设计、画图、建模、分析等，而其cam功能是在完成设计以后，ug的制造模块可以输入制造信息,诸如刀具直径、切削用量、主轴转速、切削速度等,自动生成刀具位置源文(clsf)。通过通用的后置处理器,可驱动任何数控机床,将零件加工出来。本课题研究的手机充电器插头就是用ug的cad/cam系统进行创建和生成的，然后用vericut对生成的cls文件进行仿真，最后在并联机床上加工出实物。 本设计的框架图如图1.1所示： 图1.1 框架图2 手机充电器插头造型ug cad建模过程2.1 ug简介美国unigraphicssolution公司(简称ugs)开发的unigraphics简称（ug）软件是一款集cad/cam/cae于一身的高端三维cad软件，是目前最高端的数控自动编程软件。其中包含零件设计、二维工程图、零件加工和仿真以及有限元分析等模块。通过模块之间的无缝集成，实现了零件的三维信息在设计、数控加工以及有限元分析模块之间的共享，具有设计修改方便，更新迅速快等特点。而且具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能。使用该软件进行产品设计能直观、准确地反映零、组件的形状和装配关系,可完全实现产品设计、工艺制造的无纸化开发,并可与产品设计、工装设计、工装制造等工作同步进行,从而大大缩短了产品开发周期。ug是知识驱动自动化技术领域的领先者。它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进了如汽车、航天航空、机械、消费产品、医疗仪器和工具等工业的生产效率。该软件具有较好的二次开发环境和数据交换能力。其庞大的模块群为企业提供了从产品设计、产品分析、加工装配、检验，到过程管理虚拟运作等全系列的技术支持。能充分满足不同用户在开发新型产品过程中的不同需求，在辅助实体造型可仿真照相、细腻的动画渲染和快速的原型工具等卓越功能，其中仅复合建模功能就可以让用户在实体建模、曲面建模、线框建模和基于特征的参数建模等不同辅助设计方式中任意选择，使设计者可以根据工程设计的实际情况确定最佳建模方式，从而得到最佳设计效果。尤其是ug软件所具有的实体建模（modeline）、特征建模（features modeling）和自由曲面建模（free foem modeline）等功能，更使机电产品的造型建模变得快捷、方便和实用，高出其他软件一筹。由于ug软件构造的曲面是基于nurbs技术且是参数化的，因而更加便于修改和完善。由于ug软件构造的曲面是基于nurbs 技术且是参数化的，因而更加便于修改和完善。ug是一交互式cad/cam系统，ug的cad功能能提供标准工程技术、设计、画图、建模、分析等，而其cam功能是在完成设计以后，ug的制造模块可以输入制造信息,诸如刀具直径、切削用量、主轴转速、切削速度等,自动生成刀具位置源文(cl sf)。通过通用的后置处理器,可驱动任何数控机床,将零件加工出来。ug是一个全三维、双精型系统。不仅可以把产品用虚拟模型形象直观地表现出来，而且还可进行各零件三维模型的虚拟装配，以检验结构的合理性以及在装配过程中可能发生的干涉，以便及时更正或修改，避免发生设计错误。它允许精确地描述任何几何形状。通过组合这些形状,可设计、分析和生成产品图。它在航空制造业和模具制造业已有十几年成功应用经验,是其它应用软件无法比拟的。2.2 ug cad模块的特点cad系统软件，具有友好的用户界面、较好的可靠性、维护性、可扩充性以及良好的可移植性和系统容错性。ug cad模块的一个最大特点就是混合建模，在一个模型中允许存在无相关性的特征。如在建模过程中，可以通过移动、旋转坐标系创建特征构造的基点。这些特征似乎和先前创建的特征没有位置的相关性。ug还具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。ug在造型画图上的优势在于它只在一个视图上工作（对点、线等造型），其它视图上会自动生成相应的投影几何形状。它的界面简洁直观、操作方便、具有良好的人机交互性、可扩充性和移植性，适合产品系列化设计。该系统的使用可以明显减少用户设计过程中的劳动强度，并为技术人员进行精确快速的设计提供了有力的保障，大大提高了模块的设计效率。 2.3 手机充电器插头造型ug cad建模过程1.打开ug软件 ，开始程序unigraphics nx2.0 unigraphics nx2.新建一个文件，命名为chatou,单位为millimeters（公制）。3.在ug主环境中点击进入（model）模块，或点击菜单栏applicationmodeling.4.在ug界面上点击（block）图标,在弹出的block对话框中输入length（xc）=120，width（yc）=120，height（zc）=20，单击确定建立一个120x120x20的长方体。5.在ug界面上点击（sketch）图标，进入草绘环境。选择草绘平面为xc-yc平面。6. 选择（spline）图标在草图上绘制上底面长为50，下底面长为46，高为62的等腰梯形。如图2.1所示。 图2.1 草绘建立 7.在菜单栏上点击插入在下拉菜单中选择椭圆，在界面上出现点构建对话框，如图2.2所示。改变基点，按确定，将坐标系移至新位置。在弹出式对话框中选择椭圆的长短半径，绘出椭圆，如图2.3所示。 图2.2 移动坐标系 图2.3 创建椭圆 图2.4 建立椭圆8.选择使椭圆与直线a、直线b相切，选择裁剪掉椭圆的下半部分和梯形的上底面。裁剪完成的充电器外轮廓如图2.5所示。 图2.5 充电器轮廓9.选择弹出一个对话框，如图2.6所示。选中充电器的外轮廓，按确定键，在弹出的对话框中点击方向和距离按钮，如图2.7所示。图区中出现zc向箭头，选择 ；随后出现的拉伸体参数对话框，在开始距离栏内输入25，终止距离栏内输入45，其余参数为零，单击确定按钮，如图2.8所示。在布尔操作的对话框中单击并按钮，如图2.9所示。与先创建的正方体形成一个实体，在ug界面上点击 着色，结果如图2.10所示。 图2.6 拉伸面 图2.7 拉伸方向和距离 图 2.8 拉伸参数 图2.9 选择“并”布尔操作 图2.10 实体拉伸10.在草图中绘制长为5.5，宽为2,中间相距14的两个对称的矩形，至此手机充电器插头的轮廓图已完成。如图2.11所示。 图2.11 建立插头11.选择步骤如上所述，在拉伸体对话框中的开始栏内输入45，终止栏内输入57，其余参数为零，单击确定按钮，如图2.12所示，在布尔操作对话框中点击并按钮，在ug界面上点击着色，结果如图2.13所示。 图2.12 拉伸参数 图2.13 拉伸插头 12考虑到在加工时平面与侧壁之间因为刀具外形会形成圆角，所以现在将两接触面之间倒圆角，将两接触面之间倒半径为4的圆角。在ug界面上点击图标，在出现的对话框中修改圆角半径为4，再用鼠标选择上表面与侧壁的相交线，点击确定后即可生成圆角。插头的两接触面之间倒半径为2的圆角，步骤与上述倒圆角相同。13.此时整个cad建模过程已经完成,最后的模型如图2.14所示. 图2.14 倒角后的实体 3 手机充电器插头造型ug cam制造过程3.1 ug cam制造过程的特点ug 的制造模块可以输入制造信息,诸如刀具直径、切削用量、主轴转速、切削速度等,自动生成刀具位置源文(clsf)它具有2. 55 轴的数控加工能力, 可以直接加工实体造型模块生成的任何实体模型。能自动检测碰刀, 避免过切, 可进行加工过程的动态仿真及加工路径模拟校核,能给出加工方向,并考虑生成最佳走刀轨迹。加工曲面表面光顺,只要给定刀痕高度,可自动确定刀具走刀路径和尺寸。同时还具有通用性极强的后置处理程序。cam中提供了多种切削方法：往复型切削（zig-zag）、单向切削（zig）、单向带轮廓（zig with contour）、仿形外轮廓（follow periphery）、仿形零件（follow part）、轮廓铣（profile）、标准驱动（standard drive），这些切削方法里都可以分别决定不同的刀轨样式，既有较高的切削效率也能维持切削稳定和加工质量。3.2 手机充电器插头造型ug cam制造过程下面我们将利用ug的cam模块来生成手机充电器造型的cls刀轨。具体过程如下：1.进入cam制造模块将已完成的模型导入ug的加工模块，点击applicationmanufacturing,弹出加工环境对话框， 在cam setup 列表选择 mill_countour,单击初始化进入cam_general加工环境。2.建立加工坐标系mcs在ug界面上点击（几何视图）图标打开操作导航器双击mcs_mill，在弹出的对话框中选择利用弹出的点构造器选取毛坯的中心，改变加工坐标系的位置到毛坯上表面的中心。建立的加工坐标系如图3.1所示。 图3.1 建立实体加工坐标系 3.建立几何体在操作导航器中双击workpiece，选择工件为整个模型，再选择毛坯(block)为autoblock，即为最初建立的长方体。4.建立刀具点击（createtool）后出现新建刀具模板对话框，选择刀具类型为平底铣刀，输入刀具名称为d12，如图3.2。点击确定按钮后出现定义刀具参数对话框，需设定的刀具参数如图3.3。输完后按确定按钮，在导航窗口中即可显示此新增的刀具，按照前步骤再选择第二把刀，输入刀具名称为d2r1,点击确定按钮后，在定义刀具参数对话框中设定刀具参数：直径=2，下半径=1，输完后按确定按钮。第三把刀直径=6，下半径=3。第四把刀直径=16，按确定键，在操作导航器中显示机床刀具视图，如图3.4所示。 图3.2 创建12mm刀具 图3.3 12mm刀参数 图3.4 机床刀具参数5.建立粗加工 点击（create operation）后即可建立加工。在弹出的对话框中选择（cavity_mill）在下面选择程序为nc_program，使用的几何体为workpiece，use tool（使用的刀具）为d12，usemethod（使用的方式）为mill_rough（粗铣）确定，如图3.5所示。在随后出现的对话框中选择零件为整个模型，具体设置如图3.6。按切削按钮弹出的切削参数对话框中切削顺序为深度优先，切削方向为顺铣切削，切削参数余量如图3.7所示。跳出对话框后单击进给率，出现速度和进给对话框，具体如图3.8、3.9所示。至此，粗加工刀轨已经建立好。点击（generate）图标可观察刀轨如图3.10所示。 图3.5 粗加工界面 图3.6 粗加工走刀参数 图3.7 切削参数 图3.8 速度参数 图3.9 进给参数 图3.10 粗加工刀轨6.建立精加工（1）铣削充电器左插头上表面的倒圆角在此模型下，精加工步骤与粗加工类似。选择的加工方法是（coutour_area）固定轴区域铣，选择的刀具是直径为2的球头铣刀，使用的方式是mill_finish（精铣），精铣加工区域为倒圆角面，参数设置如图3.11。在随后出现的对话框中设置如图3.12，然后选择工件左插头上表面。单击进给率按钮出现进给和速度对话框，设置主轴速度为9677,其余参数设置采用默认值。设置完毕后点击（generate）图标即可生成刀轨。 图3.11 精加工界面 图3.12 精加工参数 （2）铣削充电器右插头上表面的倒圆角选择的加工方法、选择的刀具、使用的方式等都与上述相同，设置完毕后点击（generate）图标可生成刀轨。（3）铣削充电器上表面选择的加工方法是，选择的刀具是直径为12的平底铣刀，使用的方式是mill_finish（精铣），精铣加工区域为充电器的上表面，其它参数设置与上述相同，在随后出现的对话框中点击，点击选择按钮，选择充电器的上表面和插头的四个面。单击进给率按钮出现进给和速度对话框，设置主轴速度为1613，其余参数采取默认，设置完毕后点击（generate）图标可生成刀轨。（4）铣削充电器上表面四周的倒圆角选择的加工方法是，选择的刀具是直径为6的球头铣刀，使用的方式是mill_finish（精铣），精铣加工区域为充电器上表面四周的倒圆角，在随后出现的对话框中点击，点击选择按钮，选择充电器的上表面和插头的四个面。再点击设置残余波峰高度为0.005，点击确定按钮，然后单击进给率按钮出现进给和速度对话框，设置主轴速度为3226，其余参数采取默认值，设置完毕后点击（generate）图标可生成刀轨。 （5）铣削充电器四周侧壁和底座上表面选择的加工方法是，选择的刀具是直径为16的平底铣刀，使用的方式是mill_finish（精铣），精铣加工区域为充电器四周侧壁和底座上表面，在随后出现的对话框中点击，点击选择按钮，选择充电器的四周侧壁和底座上表面，点击确定按钮，然后单击进给率按钮出现进给和速度对话框，设置主轴速度为3226，设置完毕后点击（generate）图标可生成刀轨。7.加工过程设置完成，进行动态仿真，仿真结果如图3.13所示。 图3.13 实体动态仿真8.针对并联机床的编程特点，需要生成cls文件在ug界面上点击（程序视图）图标，打开操作导航器后选择以上建立的加工，点击（输出clsf），即可生成cls文件。（篇幅有限，只取部分）tool path/cavity_mill,tool,d12tldata/mill,12.0000,0.0000,75.0000,0.0000,0.0000msys/0.0000,0.0000,-12.0000,1.0000000,0.0000000,0.0000000,0.0000000,-1.0000000,0.0000000$ centerline datapaint/pathpaint/speed,10load/tool,1spindl/rpm,1600,clwpaint/color,186rapidgoto/-55.6420,-69.0425,5.0000,0.0000000,0.0000000,1.00000004 vericut仿真过程4.1 vericut简介美国cgtech的产品vericut，它可用来在编程阶段校验加工程序的准确性，能够让编程人员对这个nc加工环境进行仿真。可以对大模型进行精确地比较，速度更快；而且可以采用新的compare by region功能,可只对局部进行比较，速度显著提高！vericut5.4还增强了切削状态分析功能，利用图象显示进给速度、每齿进给、每转进给、主轴转速、线速度、体积切削率、切屑厚度及切深切宽等参数变化，可以更方便地分析优化前后切削状况。x-caliper新增功能可以测量切削模拟后毛坯与设计模型之间的距离，先利用cross-section对整个模型进行切面，再在切面上分析他们的间距。vericut作为一个高端的校验、仿真、优化软件，能够很好地支持各种数控系统的g代码文件，应用vericut，可对包括工装夹具在内的整个机床建模，它易修改的控制程序库使得nc程序在仿真环境中的运行完全模拟了在机床上的运行。可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程。能进行nc程序优化、缩短加工时间，可检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误。具有真实的三维实体显示效果，切削模型可测量尺寸，并能保存模型供检验、后续工序切削加工。vericut的三维仿真分析功能完全与车间实际加工一样,对于保证nc 程序精确性、降低劳动强度及提高生产效率具有现实意义。vericut是全世界nc验证软件的领导者。它作为一个高端的校验、仿真、优化软件，能够很好地支持各种数控系统的g代码文件，使用vericut可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，并可用于验证g代码和cam软件输出结果，vericut可在unix、windows nt/95/98/2000系统下进行。本系统有三大主要功能：常规工作模拟/验证与分析、刀具路径最佳化/工具机与控制器系统模拟。vericut作为制造业的软件解决方案,为数控加工提供了虚拟仿真平台,对于提升数控加工水平具有重要作用。在vericut平台上进行数控加工工艺研究 并把研究成果应用于生产实践中,极大地提高了对高精度复杂零件的加工能力和效率,随着研究的深入 该虚拟制造技术将应用于更广泛的领域。vericut作为一个高端的校验、仿真、优化软件，能够很好地支持各种数控系统的g代码文件。4.2 手机充电器插头造型仿真过程1.进入系统打开“开始”菜单。在“程序/cgtech vericut5.4”中选择“vericut5.4”点击，启动软件。2.新建项目点击菜单“file”中选择“new session”就新建了一个新项目。3.设置单位点击菜单“file”中在选择“properties”点击，此时出现单位设置窗口界面如图4.1所示，选择单位millimeter（毫米），机床选择（mill）铣床，然后点击ok。 图3-1图4.1 加工单位和机床4.定义毛坯点击菜单“model”选择“model definition”点击，此时出现定义毛坯窗口界面如图4.2所示，选择有效单元“active component”中的毛坯“stock”，毛坯的长是120mm宽是120mm高是55mm，然后点击add添加，然后点击ok，可以看见所建立的毛坯如图4.3所示。如果毛坯模型复杂，也可以通过三维绘图软件来建模，通过转换格式来变换，这样建立毛坯就方便了。 图4.2 实体参数 图4.3 实体图形5.定义刀具点击菜单“setup”选择“tool manage”单击，此时出现刀具管理窗口界面，单击右键，选择“newtool”中的“mill”单击，右键单击选择“cutter”，出现添加刀具窗口，新建一把id号是直径是12mm的平底铣刀（这里的id号一定要是程序里的刀号），然后点击ok，就返回到刀具管理窗口，出现刀具预览图，然后再重复上述操作分别建立直径为2和6的球头刀，第四把刀是直径16的平底铣刀。刀具定义完成后如图4.4所示，随意点击一把刀具即可在窗口处显示出刀具形状。点击关闭将出现窗口提示，点击“yes”后就出现保存的界面，选择保存路径和输入保存名称。然后点击保存“save”，关闭保存窗口将出现窗口提示，点击“yes”后即可完成刀具的定义。 图4.4 刀具定义 6.定义编程原点点击菜单“setup”选择“crood.system”在其下再选择“define”单击，此时出现定义编程原点窗口界面，选择“croodinate system name”中的“opientation 1”，再点击“location”中的“position”的文本框，文本框边围就会有黄色的方框，然后选择编程原点上面中心，点击“ok”完成编程原点的定义。7.调用cls文件点击菜单“setup”选择“toolpath”中的“open”，选择“toolpath type”为“ug cls”，点击“add”来添加加工程序，即在ug上生成的cls代码，还要选上程序原点，即刚才建好的原点（opientation 1），具体操作如图4.5所示。 图4.5 添加文件进行仿真8.仿真过程和结果点击界面右下角的播放按钮，即可开始仿真。这里就完成手机充电器造型的仿真，其过程和结果如图4.6和4.7所示。 图4.6 仿真过程 图4.7 仿真结果所用时间是169.8178分钟，是全部程序的纯切削加工时间，如图4.8所示 图4.8 仿真时间结 论 cad/cae/cam系统是一种综合性的产品和集成化的软件系统，它在很大程度上帮助我们解决一些复杂的、带有各种曲面的零件的制造。这种软件系统以统一的数据库为核心将产品的开发、设计、测试和数控编程等多种功能集于一体，使设计信息在系统之间快速、双向道流动。本文主要说明了用三维绘图软件ug来进行手机充电器插头造型的建模，并利用ug软件的cam模块进行建立加工操作的过程及设计，并应