灯罩数控加工和设计.doc

基于 UG 的台灯罩造型 与数控加工设计 系 （部）： 专 业 班： 姓 名： 学 号： 指导老师： 年 月 日 基于 UG 的台灯罩造型 与数控加工设计 Based on the UG lamp cover design and CNC machining design 目 录 摘 要 .I Abstract .II 绪 论 .1 1、国外软件 .1 2、国内软件 .2 1 复杂零件概述 .6 1.1 国内外数控发展概况.6 1.2 数控技术发展趋势.7 1.2.2 功能发展方向 .8 1.3 智能化新一代数控系统 .10 2 台灯罩型芯三维造型 .11 2.1 台灯罩型芯三维造型方法 .11 2.2.1 绘制线架构 .11 3 台灯罩三维造型 .15 3.1 台灯罩产品图.15 4 台灯罩凸模设计 .16 4.1 台灯罩凸模设计方法及工艺分析.16 4.2 台灯罩型芯凸模的设计过程.19 5 台灯罩的凸模数控仿真及加工 .21 5.1 凸模数控仿真过程 .21 5.2 型芯的数控加工过程 .24 致 谢 .29 参考文献 .31 附录一： .33 - - 摘 要 此次毕业设计的题目为台灯罩的型芯造型和设计,其主要研究的工作目的是熟悉 UG 等 CAD/CAM 软件,了解软件在曲面造型、三维实体设计、刀具路径模拟及数控 NC 程序的生成等功能特点，并对台灯罩的型芯进行三维造型；运用国产的斯沃数控仿 真系统对三维造型的台灯罩的型芯进行数控仿真加工；通过学校数控实训基地里的 加工中心对材料为石蜡的毛坯进行实体加工。本次设计的重点主要有三点：第一点： 台灯罩的型芯三维设计中的曲面造型，之所以将曲面造型列为重点，是因为 3D 曲面 建模的精确描述和灵活操作能力已经是评定三维 CAD 辅助设计功能是否强大的重要 标志；第二点：是怎样建立好完整的刀具加工路径，好的刀具加工路径，不仅仅是 加工质量上的提高，还包含着加工效率的提高；第三点：是怎样将理论设计和实际 加工比较完美的结合起来。 最后，这次毕业设计的意义在于，掌握 CAD/CAM 技术与数控技术在实际加工中 的应用，明白这两项技术在制造业中的地位，加强对 CAD/CAM 相关软件和数控机床 的熟练操作。 关键词：UG CAD/CAM 数控加工 数控仿真 台灯罩 型芯 - I - Abstract The graduation design topic for table lamp core shape and design, the main research work is familiar with UG CAD / CAM software, software in surface modeling,3D design, tool path simulation and NC NC program generation features, and on the table lamp core3D modeling; application of homemade swansoft CNC simulation system of 3D shapes of the lamp cover the core of NC simulation machining; through the school of NC training base in the processing center for materials for paraffin rough machining. This design mainly has three points: the first point: the desk lamp cores in 3D design of curved surface modeling, surface modeling is a key reason why, is because the 3D surface modeling precise description and flexible operation ability is evaluation of3D CAD aided design function is a strong symbol; second : what is the establishment of good integrity of the tool path, a good tool path, is not only the processing and improve quality, but also contains the processing efficiency; third: how the theoretical design and processing is the perfect combination of. Finally, this graduation design is to master, CAD / CAM technology and numerical control technology application in real processing, understand these two technologies in the manufacturing industry status, strengthen pair of CAD / CAM related software and CNC machine tool operation. KeyKey words:words: UG CAD/CAM CNC Machining NC simulation table lamp cover type core - 0 - 绪 论 本次毕业设计的题目为：台灯罩型芯 CAD/CAM，其主要任务是了解 CAD/CAM 的相 关理论知识，熟练操作一种 CAD/CAM 软件，根据所给的相关参数，运用 CAD/CAM 相 关理论，基于一种 CAD/CAM 软件，实现台灯罩型芯的三维设计、数控加工与仿真。 因此，本次设计任务将以台灯罩型芯作为设计重点，着重介绍台灯罩型芯的造型和 加工。 CAD/CAM 技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代， 每个时代都有当时流行的 CAD/CAM 软件。现在，工作站和微机平台 CAD/CAM 软件已 经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。下面我们将 分别介绍国内外一些流行的软件。 1、国外软件 1unigraphics(ug) ug 是 unigraphicssolutions 公司的拳头产品。该公司首次突破传统 CAD/CAM 模 式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在 ug 中，优越的参数化和变量化技术与 传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被 大多数 CAD/CAM 软件厂商所采用。ug 最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘 图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90 年代初，美国通用汽车公 司选中 ug 作为全公司的 CAD/CAM/CAE/CIM 主导系统，这进一步推动了 ug 的发展。 1997 年 10 月 unigraphicssolutions 公司与 intergraph 公司签约，合并了后者的机 械 CAD 产品，将微机版的 solidedge 软件统一到 parasolid 平台上。由此形成了一 个从低端到高端，兼有 unix 工作站版和 windowsnt 微机版的较完善的企业级 CAD/CAM/CAE/PDM 集成系统。 2Autocad Autocad 是 Autodesk 公司的主导产品。Autodesk 公司是世界第四大 pc 软件公 司。目前在 CAD/CAM/CAE 工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商， 也是全球规模最大的基于 pc 平台的 CAD 和动画及可视化软件企业。autodesk 公司的 软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及 web 网的数据开发等重大领域。Autocad 是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领 域拥有广泛的用户群。Autocad 有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘 - 1 - 制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。Autocad 提供 autolisp、ads、arx 作为二次开发的工具。在许多实际应用领域(如机械、建筑、电 子)中，一些软件开发商在 Autocad 的基础上已开发出许多符合实际应用的软件。 3. pro/engineer pro/engine 系统是美国参数技术公司(parametrictechnologycorporation，简称 ptc)的产品。ptc 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了 机械 CAD/CAM/CAE 的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械 CAD/CAM/CAE 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械 CAD/CAM/CAE 产品 pro/engineer 软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设 计制造工作，即实现所谓的并行工程。pro/engineer 系统用户界面简洁，概念清晰， 符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统 一的模型。pro/engineer 建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。 4.Mastercam Mastercam 是美国 CNC 公司开发的基于 PC 平台的 CAD/CAM 软件，它具有方便直 观的几何造型，提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设 计出复杂的曲线、曲面零件。 Mastercam 具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加 工功能，提供了多种先进的粗加工技术，以提高零件加工的效率和质量，还具有丰 富的曲面精加工功能，可以从中选择最好的方法，加工最复杂的零件。可靠的刀具 路径校验功能可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检 查刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况。 Mastercam 提供 400 种以上的后置 处理文件以适用于各种类型的数控系统，其强项在于 3 轴数控加工，简单易用，产 生的 NC 程序简单高效 2、国内软件 1.高华 CAD 高华 CAD 是由北京高华计算机有限公司推出的 CD 产品。该公司是由清华大学和 广东科龙(容声)集团联合创建的一个专门从事 CAD/CAM/PDM/MIS 集成系统的研究、 开发、推广、应用、销售和服务的专业化高技术企业。公司与国家 CAD 支撑软件工 程中心紧密结合，坚持走自主版权的民族软件产业的发展道路，以“用户的需要就 是我们的需要”为承诺，在科研成果商品化方向迈出了可喜的一步。高华 CAD 系列 - 2 - 产品包括计算机辅助绘图支撑系统 ghdrafting、机械设计及绘图系统 ghmds、工艺 设计系统 ghcapp、三维几何造型系统 ghgems、产品数据管理系统 ghpdms 及自动数 控编程系统 ghcam。其中 ghmds 是基于参数化设计的 CAD/CAM/CAE 集成系统，它具有 全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸 标注、标准件库、图像编辑等功能模块。ghgems5.0 曾获第二届全国自主版权 CAD 支 撑软件评测第一名。 2caxa 电子图板和 caxa-me 制造工程师 caxa 电子图板和 caxa-me 制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软 件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)。该公司是从事 CAD/CAM/CAE 软 件与工程服务的专业化公司。caxa 电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文 设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计， 适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩 掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。caxa-me 是面向机械制 造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面 CAD/CAM 软件。caxa 制造工程师 1.0 版于 1996 年推出，caxa-me2.0 版于 1998 年 3 月发布，caxa-me2000 版也已发布。 近二十年来，模具 CAD/CAM/CAE 技术飞速发展，成为缩短模具设计与制造周期、 降低生产成本和提高产品质量、改造传统模具生产方式的系统工程。它以计算机软 件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品 性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化，无疑可以有效 提高模具设计和制造的水平和质量，缩短模具的开发和设计周期。与模具行业的快 速增长相对应的是，模具行业 CAD/CAM/CAE 市场竞争也日益激烈。目前，CAM 软件的 竞争主要在加工效率与加工质量方面，随着加工手段的多样化和数控设备的快速发 展，对 CAM 软件的应用范畴也提出了新的要求。CAD/CAM/CAE 与模具加工形成了相互 促进的局面。在铸造模、锻模、级进冲模、汽车覆盖件模具、塑胶模具等领域 CAD/CAM/CAE 都得到广泛的应用。因为此次设计的是关于电话筒的外壳模具，所以， 下面只对 CAD/CAM 在塑胶模具领域的应用作重要介绍。 1、模具的 CAD 设计与分析 模具的 CAD 设计、分析, 包括根据产品模型进行模具分型面的设计、确定型腔 和型芯、模具结构的详细设计、塑料充填过程分析等几个方面。利用先进的特征造 - 3 - 型软件如 PRO/E、UGII 等很容易地确定分型面, 生成上下模腔和模芯, 再进行流道、 浇口以及冷却水管的布置等。确定了这些设计数据以后, 再利用模具分析软件, 如 MOLDFLOW、CFLOW 进行塑料的成形过程分析。根据 MOLDFOLW 软件和它的丰富的材料、 工艺数据库, 通过输入成形工艺参数, 可动态仿真分析塑料在注塑模腔内的注射过 程流动情况(含多浇口注射时的塑料汇流纹分析)、分析温度压力变化情况、分析注 塑件残余应力等, 根据分析情况来检查模具结构的合理性、流动状态的合理性、产 品的质量问题等。比如是否存在浇注系统不合理, 出现流道和浇口位置尺寸不当, 无法平衡充满型腔; 是否存在产品结构不合理或模具结构不合理, 出现产品充不满 (即短射现象); 是否冷却不均匀, 影响生产效率和产品质量; 是否存在注塑工艺不 对, 出现产品的翘曲变形等。模具通过 CAD 设计和分析, 就可以将错误消除在设计 阶段, 提高一次试模成功率。在塑料模具设计和分析这一阶段应用了许多新的电脑 辅助技术, 如参数化技术、特征造型技术、数据库技术等。塑料模具中有许多标准 件, 如标准模架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都可以采用基于数据库管理的 参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库, 这样既可以实现数据共享, 又 可以满足用户对设计的随时修改, 使模具的设计分析快速、准确、高效。参数化特 征造型不仅可以完整地描述产品的几何图形信息, 而且可以获得产品的精度、材料 及装配等信息, 其所建立的产品模型是一种易于处理、能反映设计意图和加工特征 的模型。因此, 参数化特征造型技术是模具制造过程最重要的技术之一。 2、模具的 CAM 技术的应用、加工仿真及制造 模具的计算机辅助制造(CAM)技术主要应用在数控铣削加工、线切割加工、电火 花加工等方面。CAM 技术尤其是在复杂模具的型腔、型芯及电极的铣削加工中起着更 加重要的作用。其主要的技术特点包括: (1) 粗、精加工刀具轨迹的优化规划和 NC 指令的产生, (2) 刀具种类、特性和材料库的建立, (3) 切削加工工艺参数的确定, (4) 普通切削和高速切削加工的特性控制, (5) 过切检查与加工表面的精度控制, (6) 加工过程的电脑实体仿真切削, (7) 电脑控制数控机床的 DNC 技术及群控技术 的应用等等。在 CAM 技术的应用中特别需要 CAD 三维产品模型数据。较多的专业电 脑编程软件如 MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON 等在多曲面的编程加工时对产品的曲 面模型有较高的要求, 如相邻曲面的 U、V 方向的一致性、曲面与曲面的高精度拟合、 曲面斜率连续变化等。在高级 CAD/CAM 一体化系统中(如 UGII、PRO/E), 由于利用了 - 4 - 参数化特征造型设计和同一数据库技术, 使得产品模型数据、模具的型腔和型芯模 型数据、刀具轨迹数据有着内在的联系, 产品模型的修改刀具轨迹亦自动修改。模 具加工实体仿真技术越来越成熟, 也越来越受到人们的重视。加工实体仿真是在电 脑上模仿机床的加工过程, 能直观反映加工的结果, 能直接评估加工后零件的质量, 能检查出加工的错误。在检查加工后零件的质量时, 可在电脑上对加工后的实体模 型进行任意的剖切, 直接测量其尺寸和精度。因此, 它能把错误消除在加工工艺编 程设计阶段, 减少加工后的修补和返工, 大大提高模具的制造效率和质量。 - 5 - 1 1 复杂零件概述复杂零件概述 1.11.1 国内外数控发展概况国内外数控发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国 家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造 系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动 控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现 柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本 性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发 展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合 了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高 精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断 和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联 网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能 的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在 实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机 构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、 进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下 根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传 统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智 能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必 行。实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务 在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学 技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、 更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由 - 6 - 此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应 用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、 学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、 参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动 控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制 等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 1.21.2 数控技术发展趋势数控技术发展趋势 1.2.11.2.1 性能发展方向性能发展方向 （1）柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大， 可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不 同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群 控系统的效能。 （2）高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯片、 RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统， 同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提 高。 （3）实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确 保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。 科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响 应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发 展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研 究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家 控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专 - 7 - 家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的 综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、 速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控 制的目的。 （4）工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能 方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换 刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴， 西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 1.2.21.2.2 功能发展方向功能发展方向 （1）科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文 字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟 环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对 缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域， 可视化技术可用于 CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理 数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 （2）多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、 文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处 理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监 测等方面有着重大的应用价值。 （3）插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插 补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、NURBS 插补（非均匀有理 B 样条插补） 、 样条插补（A、B、C 样条） 、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、 象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带 平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 - 8 - （4）内装高性能 PLC 数控系统内装高性能 PLC 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直 观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 PLC 用户程序 实例，用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应 用程序。 （5）用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不 同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部 分之一。当前 INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面 提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗 口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形 模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 1.2.31.2.3 体系结构的发展体系结构的发展 （1）模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基 本模块，如 CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准 的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数 控系统。 （2）集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路 FPGA、EPLD、CPLD 以及专用集成电路 ASIC 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用 FPD 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积 小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和 CRT 抗衡的新兴显示 技术，是 21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装 技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改 进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。 （3）通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、 扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模 - 9 - 式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造 过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、 形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目 标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。 加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技 术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动 态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系， 从而实现集成化、智能化、网络化。 （4）网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上 对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机 床的屏幕上。 1.31.3 智能化新一代数控系统智能化新一代数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一 代数控系统已成为可能。智能化新一代数控系统将计算机智能技术、网络技术、 CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新 技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。数控铣床铣削零件，是理论知 识和实践的课题。它主要的意义是让我们了解数控技术，了解数控技术给我们生活 带来的方便，给我国的传统工艺带来的巨大的改变。 同过去的传统加工相比，数控不仅加工自动化程度高，在数控机床加工零件时， 除了手工装卸工件外，全部加工过程都是由机床自动完成。而且，数控加工精度高， 加工质量稳定。数控加工尺寸精度通常在 0.005-0.1MM 之间。数控加工对象比较广 泛，生产的效率也比较高：一方面自动化程度高，在一次装夹中能完成较多表面， 省去了划线，多次装夹，检测等工序；例如凸轮零件在加工过程中，先把刀对好， 再利用数控编程技术使加工深度逐渐的加深，这样既能不损坏刀具，又能达到加工 要求。这样就提高了效率。数控技术生产的效率.质量是先进技术的主题。 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 - 10 - 中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适用控 制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用链接方便的智能化，如智能化的自 动编程，自动化的人机界面等；还有智能诊断.智能监控方面的内容，方便系统的诊 断和维修等。 为了充分发挥数控加工优势，数控加工正在向工序集中.更高速高效率.更高精 度.更高可靠性及更完善的功能方向发展。 - 11 - 2 台灯罩型芯三维造型 2.1 台灯罩型芯三维造型方法 利用草图命令、直线命令及圆弧命令等绘制台灯罩线框架；利用牵引曲面命令、 扫描曲面命令及曲面倒圆角命令由线框架对台灯罩型芯整体造型4。 2.2 台灯罩型芯三维造型过程 1.2.1 绘制线架构 三维几何图形线架构绘制的关键主要是规划好图层、选择正确的构图面、设置 正确的构图面深度，如图 1-1，台灯罩型芯的具体尺寸见附录一。 第一步：画草图 图 1-1 台三维灯罩型芯线框架 第二步：回转 - 12 - 第三步：拉伸 - 13 - 第四步：画草图 第五步:画草图 - 14 - 第六步：扫掠 - 15 - 第七步：环形阵列 - 16 - 第八步：倒圆角 台灯罩型芯图： - 17 - 3 台灯罩三维造型 3.1、台灯罩产品图 建模方法: 第一步：抽取台灯罩型芯曲面等特征 第二步：加厚该片体 2.5mm - 18 - 4 台灯罩凸模设计 4.1 台灯罩凸模设计方法及工艺分析 4.1.1 台灯罩凸模设计的方法 根据零件图尺寸绘制三维图 4.1.2 台灯罩凸模工艺分析 1.零件分析 如图 2-1 所示的台灯罩型芯,成型部分的外形为弧面、台阶面和圆弧面， 分型面为曲面。台灯罩凸模加工的材料为石蜡。用 UG 完成此模型曲面造型。 2加工坐标原点 X：取模型的中心； Y：取模型的中心； Z：取顶面所在的平面。 3工艺分析 加工方法的选择原则是保证加工表面的精度和表面粗糙度的要求，由于 获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时， 要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差等要求全面考虑。 通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方 式为铣削考虑该零件为大量加工，故加工设备采用数控车床。 根据加工零件的外形和材料等条件，选用（数控铣床型号）数控机床。 （1） 技术要求 零件基本要求不高，两个平面要求表面粗糙度为 3.2，孔 0.018 为 IT7 级铣削加工能达到要求。此为最高要求。 （2） 毛坯选择 毛坯选择锻件一般锻钢的力学性能较好。同时又节省材料。刀具需要加 工的也少。对于刀具来说也是很合理的。 （3） 定位基准的选择 选择一个平面精加工后作为精基准。 工装就能够很好地定位。虎钳定位 y 方向，螺钉定位 x 方向。 - 19 - （4）零件预备加工 零件毛坯可能在运输或其他原因使其产生一些变形，对于变形大的我们 应该矫正如果矫正不了的就不能加工。以免做无用功。 （5） 热处理工序 铸、锻件毛坯在粗加工前应根据材质和技术要求正火或退火处理，以消 除应力，改善组织和切削性能。性能要求较高的毛坯在粗加工后、精加工前 应安排调质处理，一提高零件的综合机械性能；对于硬度和耐磨性要求不高 的零件，调质也常作为最终热处理。相对运动的表面需在精加工前或后进行 表面淬火处理或进行化学热处理，以提高耐磨性。 （6） 加工工序划分一般可按下类方法进行： 刀具集中分序法 就是按所用刀具划分工序，用同一把刀具加工完零件上所有可以完成部 位。再用第二把刀、第三把完成他们可以完成的其他部位。这样可以减少换 刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差。 以加工部位分序法 对于加工类容很多的零件，可按其结构特点将加工部分分成几个部分， 如内形、外形、曲面或平面等。一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加 工简单几何形状，在加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工 精度较高的部位。 以粗、精加工分序法 对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生的变形而需要进行 校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。综上所述，在划 分工序时，一定要视零件的结构和工艺性，机床的功能，零件数控加工内容 的多少，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。另建议采用工序集中的 原则还是采用工序分散的原则，要根据实际情况来确定，但一定力求合理。 （7）在加工时，加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定 位夹紧的需要来考虑，重点是零件的刚性不被破坏。顺序一般应按下列原则 进行： 上道工序的加工不能影响下道工序的定位于加紧，中间穿插有通用机 - 20 - 床加工工序的也要综合考虑。 先进行内形、内腔加工工序，后进行外形加工工序。 以相同定位、夹紧方式或同一把刀加工的工序最好连接进行，以减少 重复定位次数，换刀次数与挪动压板次数。 在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。 在数控床上粗车、半精车分别用一个加工程序控制。工件调头装夹由程 序中的 M00 或 M01 指令控制程序暂停，装夹后按“循环启动”继续加工。 数控切削用量即切削参数包括主轴转速、铣削深度与宽度、进给量、行 距、残留高度、层高等。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量。 切削用量是加工过程中重要的组成部分，合理选择切削用量的原则是：粗加 工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和 精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。 切削用量的因素包括： （1）机床 机床刚性、最大转速、进给速度等； （2）刀具 刀具长度、刃长、刀具刃口、刀具材料、刀具齿数、刀具 直径等； （3）工件 毛坯材质、热处理性能等； （4）装夹方式 压板、台钳、托盘等； （5）冷却情况 油冷、水冷、气冷等。 当进行数控编程时编程人员必须确定每道工序的切削用量并以指令的形 式写入程序中。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度充 分发挥刀具切削性能保证合理的刀具耐用度。并充分发挥机床的性能最大限 度地提高生产率降低成本。 在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，一次装夹应尽可能完成全 部工序。常用工序划分原则有： （1）保证精度原则。数控加工要求工序应尽可能集中，通常粗、精加工 在一次装夹下完成，为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、 尺寸精度和表面粗糙度的影响，应将粗、精加工分开进行。此时可用不同的 - 21 - 机床或不同的刀具进行加工，通常在一次安装中，不允许将零件的某一部分 表面加工完毕后，再加工零件的其他表面。对轴类或盘类零件，将待加工面 先粗加工，留少量余量再精加工，以保证表面质量要求。对轴上有孔、螺纹 加工的工件，应先加工表面而后加工孔、螺纹。 （2）提高生产效率的原则。在数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀 时间，应在需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工 其他部位。同时应尽量减少空行程，当用同一把刀加工工件的多个部位时， 应以最短的路线到达各加工部位。 按照上述划分原则，综合本零件的工艺性，装夹一次为一个工序，换一 次刀为一个工步。故加工此零件划分两个工序，加工左端为第一道工序，有 5 个工步；调头后加工为第二道工序，有 7 个工步。 （8）走刀路线和对刀点的选择 走刀路线包括切削加工轨迹，刀具运动切削起始点，刀具切入，切出并 返回切削起始点或对刀点等非切削空行程轨迹。由于半精加工和精加工的走 刀路线是沿其零件轮廓顺序进行的，所以确定走刀路线主要在于规划好粗加 工及空行程的走刀路线。合理的确定对刀点，对刀点可以设在被加工零件上， 但注意对刀点必须是基准位或已加工精加工过的部位，有时在第一道工序后 对刀点被加工损坏，会导致第二道工序和之后的对刀点无从查找，因此在第 一道工序对刀时注意要在与定位基准有相对固定尺寸关系的地方设立一个相 对对刀位置，这样可以根据他们之间的相对位置关系找回原对刀点。这个相 对对刀位置通常设在机床工作台或夹具上。 （1）由于该台灯罩凸模有较大的加工余量，所以首先要进行粗加工。根据 工件尺寸大小，粗加工选用直径为 16mm 的平刀加工。根据刀具参数计算得到主 轴转速为 2000r/min，进给率为 1200mm/min，每次切深为 2.0mm。 （2）进行粗加工后，在局部区域还存在较大的加工余量，为保证精加工的 加工质量，对该凸模进行半精加工，以使零件的周边保留均匀的加工余量。半精 加工使用直径为 10mm，每层切深取 0.50mm。主轴转速为 2000r/min，机床进给 率为 1000mm/min。 （3）再对该凸模外形进行半精加工，切去半精加工余留下的残料，保证零 - 22 - 件的表面质量。使用的是直径为 8mm 的球刀，主轴转速为 2000r/min，进给率为 1000mm/min。 （4）在半精加工后，台灯罩型芯凸模还留有余量，所以采用曲面轮廓铣削 方法。使用直径为 4mm 的平刀，设置主轴转速为 2000r/min，机床进给率为 1000mm/min。 如表 3-1 所示各工步的内容、加工方式、刀具、进给、转速等机械参数。 表 3-1 电话筒下盖凸模加工工序 序 列 加工内容加工方式刀 具转速/ (r/min) 进给/ （mm/min） 1整体粗加工型腔铣16 平刀20001200 2二次开粗型腔铣削10 球刀20001000 3成型面半精加工曲面轮廓铣8 球刀20001000 4成型面精加工曲面轮廓铣4 球刀20001000 4.2 台灯罩型芯凸模的设计过程 4.2.1 台灯罩型芯凸模的设计过程 我们利用生产的型芯凸模文件来规划台灯罩型芯凸模加工刀具路径，主要包括： 加工坯料及对刀点的确定、型腔铣粗加工刀具路径、型腔铣二次粗加工刀具路径、 曲面半精加工刀具路径及曲面精加工刀具路径等内容。 加工坯料及对刀点的确定。利用 UG6.0 系统提供的边界命令确定加工几何图 形所需要的坯料尺寸，再将图形顶面中心移到系统坐标原点，便于加工时以图形顶 面中心对刀。 规划型腔铣加工刀具路径（预留量 0.5） 。目的是粗切除大部分的工件材料。 主要包括：刀具的选择、刀具参数的设定、加工参数（安全高度、下刀位置、下刀 方式、切削方式、切削量等）的设定。 打开台灯罩型芯凸模文件，点击型腔铣粗加工命令，选择所有曲面为加工曲面， 选择全部曲面作为加工对象是最安全的一种加工对象选择方法，它可以保证不会因 漏选而产生过切或者干涉的现象。在型腔铣削粗加工对话框里进行参数设定，第一 号刀具为 16 的平刀，主轴转速为 2000r/min，进给率为 1200mm/min。曲面参数里 - 23 - 安全高度设为 10.0mm，参考高度为 20.0mm，进给下刀位置为 3.0mm，因为最后在数 控机床上加工时，用的材料是石蜡，所以，在设计下刀量时可大一些，每次切深量 为 2.0mm，采用等距环切。 型腔铣粗加工实体加工模拟。在模拟之前，先要对工件参数的设定，x 方向 0mm，y 方向 0mm，z 方向 34.0mm。利用 UG6.0 系统提供的实体加工模拟功能，对工 件进行实体粗加工模拟，可以及时发现粗加工中存在的问题，以便对不合理的粗加 工参数加以改进。注意，加工模拟完后将结果保存，以便后面的加工步骤能直接从 保存的加工模拟结果中继续进行模拟加工，以节省后续的模拟时间。 规划型腔铣粗加工刀具路径。其目的是清除曲面挖槽粗加工后再凸模表面余 留下的不均匀残料，为精加工做准备。 点击曲面等高外形粗加工命令，选择所有曲面为加工曲面，进行加工边界确定 后，在曲面等高外形粗加工对话框里进行参数设定，第二号刀具为 10 的球刀，主 轴转速为 2000r/min，进给率 1000mm/min，每次切深为 2.0mm。参数设定完成后，开 始对该步骤进行加工模拟，并保存该文件。 规划曲面轮廓半精加工刀具路径，目的是清除曲面等高外形粗加工后在凸模 表面余留下的残料。 点击曲面平行精加工命令，选择所有曲面为加工曲面，在曲面平行精加工对话 框中进行参数设计，第三号刀具为 8 的球刀，主轴转速为 2000r/min，进给率为 1000mm/min。对其进行加工模拟，保存该文件。 规划曲面轮廓铣削精加工刀具路径，目的是清除曲面平行精加工后在曲面侧 面部位余留下的残料。 点击曲面轮廓精加工命令，选择所有曲面为加工曲面，第四号刀具为 4 的平 刀，主轴转速为 2000r/min，进给率为 1000mm/min。对该步骤进行模拟，得到的效 果图如图 2-1。 - 24 - 图 2-1 台灯罩型芯凸模 - 25 - 数控加工详细