航空多腔类典型零件加工及数控机床仿真的研究论文

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 本科毕业设计论文 题 目 航空多腔类典型零件加工及数控机床仿真的研究 专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 毕业时间 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 毕业 任务书 一、题目 航空多腔类典型零件加工及数控机床仿真的研究 二、 指导思想和目的要求 针对 航空多腔类典 型零件加工 的特点，进行刀路规划，合理地划分加工区域、选择适合的加工方法。制成以提高加工精度兼顾效率的 NC 加工专用程序。 三、 主要技术指标 1完成指定翻译文献； 2完成航空多腔类典型零件加工的粗加工程编； 3完成航空多腔类典型零件加工的精加工程编； 4. 完成航空多腔类典型零件虚拟仿真加工及生成 NC 指令 。 四、 进度和要求 第一阶段：（共计 5 周） 1第一周及第二周，翻译并完成教师指定的英文文献翻译； 2第三周，熟悉航空多腔类典型零件工艺及工艺模型处理； 3. 第四周，去工厂现场 参观调研； 4第五周，熟悉及掌握 CADCAM 软件相关的航空多腔类典型零件加 工方法； 第二阶段：（共计 5 周） 1第六周及第七周，航空多腔类典型零件加工工艺模型建立和处理； 2. 第八周，完成航空多腔类典型零件加工的粗加工编程； 3. 第九周，完成航空多腔类典型零件的精加工编程； 4.第十周，完成仿真加工及数控加工代码生成； 第三阶段：（共计 5 周） 1. 第十一周，检测航空多腔类典型零件加工程序的通用性； 2第十二周，检测航空多腔类典型零件加 工工艺规划的合理性； 3第十三周，进行刀路优化、过切检查； 4. 第十四及第十五周，生成通用的数控指令 (G 代码和 M 代码 )； 设 论 设计 论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 5. 第十六周及第十七周，撰写论文及评阅。 五、 主要参考书及参考资料 1谢龙汉等 . CATIAV5 数控加工 M.北京：清华大学出版社， 2005 年 4 月 . 2谢龙汉等 .CATIAV5 机械设计 M.北京：清华大学出版社， 2005 年 4 月 . 3谢龙汉等 .CATIAV5 机械设计应用实例 M.北京：清华大学出版社， 2005 年 4 月 . 4谢龙汉等 .CATIAV5 逆向造型设计 M.北京：清华大学出版社， 2005 年 4 月 . 5谢龙汉等 .CATIAV5 自由曲面造型 M.北京：清华大学出版社， 2005 年 4 月 . 6谢龙汉等 .CATIAV5 数控加工实例 M.北京：清华大学出版社， 2005 年 4 月 . 7卜昆等 .计算机辅助制造 M.北京：机械工业出版社， 2006. 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 目 录 摘 要 . 4 ABSTRACT . 5 前 言 . 6 第一章 绪论 . 7 1.1课题研究的意义 . 7 1.2国内外现状 . 8 1.3论文的章节安排 . 8 第二章 CATIA 软件的主要功能介绍 . 9 2.1 CATIA软件简介 . 9 2.2 CATIA V5功能模块简介 . 10 2.3 CATIA V5软件的特点 . 14 2.4 CATIA 软件的竞争优势 . 15 第三章 数控加工关键技术的研究 . 16 3.1 数控编程的定义 . 16 3.2 数控编程的基本知识 . 16 3.3数控编程的工艺处理 . 20 3.4数控加工的误差来源 . 25 3.5数控程序的格式及功能字 . 25 第四章 航空多腔类典型零件加工的研究 . 28 4.1 引入零件及进入加工模块 . 29 4.2 创建零件毛培 . 30 4.3 零件定义操作 . 30 4.4 零件区域粗加工（ Roughing） . 34 4.5 零件区域半精加工（ Sweeping） . 38 4.6 零件凹槽内扫描加工（ Sweeping） . 40 4.7 零件凹槽内槽加工（ Pocketing） . 43 4.8 零件区域精加工（ Facing） . 48 4.9 零件凹槽内凸台精加工（ Facing） . 51 4.10 零件凹槽内曲面轮廓清根加工（ Contour-driven） . 54 4.11 零件凹槽内凸台轮廓清根加工（ Contour-driven） . 58 4.12 零件凹槽内扫描加工（ Sweeping） . 61 4.13 零件区域斜面扫描加工（ Sweeping） . 63 第五章 VERICUT 仿真技术验证加工过程 . 66 5.1 数控加工仿真技术概述 . 66 5.2 数控加工仿真技术的操作步骤 . 67 5.3 加工仿真的验证： . 70 5.4 本章总结 . 72 第六章 总结与展望 . 73 6.1 论文总结 . 73 6.2后续展望 . 73 致 谢 . 75 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 摘 要 随着全球制造业竞争的日益激烈，先进制造技术的不断出现，现 代数控加工技术的普遍应用，使得产品的加工周期大幅度缩短，产品的加工质量不断改善，加速了产品的更新换代，增强了产品的竞争力。因此数控加工技术的研究已成为研究重点。 在这个计算机技术发展迅速，新科技日新月异的信息社会中，制造业也发生着革命性的变化。计算机模拟、仿真技术省去了大量的工作量，大大节约了原材料成本，提高了生产效率。工厂里现在大部分机床使用的都是数控机床，数控加工出来的零件既符合外观及精度有要求，又方便操作者进行操作。掌握计算机制造技术已经是新时代我们势在必行的必须课。 作者在查阅和搜索大量与本毕业设 计相关资料的基础上，对数控加工进行研究，并在老师的耐心指导下，首先分析零件工艺图纸，利用 CATIA 进行数控加工程序的编制，设计出该零件的 NC 加工方法，进而用 VERICUT 对零件进行了动态模拟仿真加工。此次设计中以飞机上的多腔类零件为加工对象，利用型腔铣和轮廓铣进行粗加工和精加工。 关键词 : 型腔铣， 轮廓铣 ， VERICUT西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 ABSTRACT Since the competition of global manufacturing industry is increasingly intense, advanced manufacturing technologies appeared continuously. The general application of the modern Numerical Control Manufacturing technology, has made the processing cycle of the products shorten by a large margin, has improved the processing quality of the products, has accelerated the update of the products, and has strengthened the competitive power of the products. So the research of the process technology of numerical control has become the focal point of studying. The manufacturing method changes a lot with the development of the computer technology in the modern society. Computer simulation saves a lot of time for the workers and greatly saves the cost of raw materials. Also computer simulation increases production efficiency. At present, most of the factory machines are used in CNC machine tools. CNC machining parts achieved the requirement both in the appearance and in the accuracy. To master the computer manufacturing technology for the engineering working in the field of aviation is imperative. Author in the access and search a lot and the design of relevant documents, to carry on the research of NC machining, and the teacher under the guidance of the patient, the first analysis of part process drawings, preparation of NC machining program using CATIA, the design of NC processing method of the parts, and uses VERICUT to the dynamic simulation of parts processing. Multi cavity to airplane parts in the design of object for processing, rough machining and finish machining the cavity milling and contour milling. KEY WORDS: cavity milling， contour milling， vericut 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 前 言 近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到 85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足 20%，随着我国制造行业新技术的应用，我国世界制造业加工中心地位形成，数控机床的使用、维修、维护人员在全国各工业城市都非常紧缺，再 加上数控加工人员从业面非常广，可在现代制造业的模具、钟表业、五金行业、中小制造业、从事相应公司企业的电脑绘图、数控编程设计、加工中心操作、模具设计与制造、 电火花及线切割工作，所以目前现有的数控技术人才无法满足制造业的需求，而且人才市场上的这类人才储备并不大，企业要在人才市场上寻觅合适的人才显得比较困难，以至于导致模具设计、 CAD/CAM 工程师、数控编程、数控加工等已成为我国各人才市场招聘频率最高的职位之一。现代数控加工技术的普遍应用，使得产品的加工周期大幅度缩短，产品的加工质量不断改善，加速了产品的更新换 代，增强了产品的市场竞争能力。因此数控加工技术的研究已成为衡量一个国家机械制造工业的重要标志之一，更是体现一个机械制造企业技术水平的重要标志。正是基于上述形势，许多制造行业都已经采用数控加工方式来提高产品的竞争力。此外，利用和发展数控加工，实现高效数控加工已成为了制造类企业所普遍关心的大事。进一步提高我国国防军工行业的数控效率以及数控制造能力，是加强军工国防建设的迫切需要。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 第一章 绪论 1.1课题研究的意义 数控加工技术是当代机械加工的主要手段，机械自动化专业对于数控加工是必须掌握的。而航空 多腔类典型零件的加工，包括刀路规划，合理地划分加工区域、选择适合的加工方法等，一直是数控加工的难题和主要研究对象，因此，将这一研究对象作为毕业论文，不仅能巩固和掌握数控加工技术，而且还能对当今航空多腔类典型零件加工有一个深刻的认识。 总体上说，和传统的机械加工手段相比数控加工技术具有以下优点： 1.具有较大的柔性 数控机床是按照记录在载体上的信息指令自动进行加工的，当加工对象改变时只需要重新编制数控加工程序，而无需对机床结构进行调整，也不需要制造凸轮、靠模一类的辅助机械装置。这样，便可以快速 地从一种零件的加工变到另一种零件的加工，使生产准备周期大为缩短。 2.加工效率高 利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。 3.加工精度高 同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置 ,提高分辨率 ,减少为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。 4.有力于加工复杂形状的零件 数控机床能同时控制多个坐标联动，可以加工其他机床难以加工甚至不可能加工的复杂零件，如曲线的二维复杂轮廓零件、含曲面的三维实体零件。 5.劳动强度低 由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，省去传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 态。所以劳动强度很低。 6.适应能力强 数控加工系统就象计算机一样，可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。 1.2国内外现状 从生产中可以看出， CAM 技术对企业的影响举足轻重，可以极大的提高企业的市场竞争力。但是，由于我国计算机软件行业发展滞后，受到 CAM 软件的限制，尽管 CAM 技术在国外已有大量的科研人员进行研究，并不 断的有新成果出现，而我国在 CAM 技术领域方面的研究却不是很成熟。这对我国原本落后的制造业的发展极为不利。制造业不仅仅是一个国家的国民经济的支柱，更是国力强弱的象征，对其在世界上的政治和经济地位都有着决定性的影响。为了适应制造技术今后的发展趋势，有必要针对其进行研究，使我国的制造技术再上一个新台阶，达到国际先进水平，并为我国制造业的发展提供一条新途径。 1.3论文的章节安排 根据论文选题的要求，作者在近三个月的论文阶段，基于 CATIA 软件 平台，在导师的认真指导下完成了大量的工作，对计算机辅助数控加工 进行 了深入的研究，在此基础上并对 空多腔类典型零件进行加工及数控机床仿真 。这些内容在论文中都得到了充分的反映，论文内容的章节安排如下： 绪论 CATIA 软件的主要功能介绍 数控加工关键技术的研究 航空多腔类典型零件加工 数控机床 VERICUT 仿真 的研究 总结与展望 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 第二章 CATIA软件的主要功能介绍 2.1 CATIA软件简介 模块化的 CATIA 系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。 CATIA 产 品基于开放式可扩展的 V5 架构。 通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期， CATIA 解决方案加快企业对市场的需求的反应。自 1999 年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。 CATIA 系列产品已经在七大领域里成为首要的 3D 设计和模拟解决方案： 汽车 、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。 CATIA 先进的混合建模技术 设计对象 的混合建模：在 CATIA 的设计环境 图 2-1 中，无论是实体还是 曲面 ，做到了真正的互操作。 图 2-1 CATIA 建模环境 变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何 参数化设计 目标，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 CATIA 提供了变量驱动及后参数化能力。 几何 和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到CATIA 的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。 CATIA 具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性 无论是实体建模还是 曲面造型 ，由于 CATIA 提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于 CATIA 来说，都是非常容易的事。 2.2 CATIA V5功能模块简介 在 CATIA V5 R20 中共有 13 个模组，分别是：基础结构、机械设计、形状、分析与模拟、 AEC 工厂、加工、数字化装配、设备与系统、制造的数字化处理、加工模拟、人机工程学设计与分析、知识工程模 块和 ENOVIA V5 VPM(图 2-2)，各个模组里又有一个到几十个不同的模块。认识 CATIA 中的模块，可以快速的了解它的主要功能，下面将介绍 CATIA V5 R20 中的一些主要模组。 图 2-2 CATIA V5 R20 中的模组菜单 1.“基础结构 ”模组 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 “基础结构 ”模组主要包括产品结构、材料库、 CATIA 不同版本之间的转换、图片制作、实时渲染 (Real Time Rendering)等基础模块。 2.“机械设计 ”模组 从概念到细节设计，再到实际生产， CATIA V5 的 “机械设计 ”模 组可加速产品设计的核心活动。 “机械设计 ”模组还可以通过专用的应用程序来满足钣金与模具制造商的需求，已大幅提升其生产力并缩短上市时间。 “机械设计 ”模组提供了机械设计中所需要的绝大多数模块，包括零部件设计、装配件设计、草图绘制器、工程制图、线框和曲面设计等模块。 3.“形状 ”模组 CATIA 外形设计和风格造型提供给用户有创意、易用的产品设计组合，方便用户进行构建、控制和修改工程曲面和自由曲面，包括了自由曲面造型(freestyle)、汽车白车身设计 (automotive class a)、创成式曲面设 计 (generative shape design)和快速曲面 (quick surface reconstruction)重建等模块。 “自由曲面造型 ”模块提供用户一系列工具，俩定义复杂的曲线和曲面。对的支持使得曲面的建立和修改以及与其他 CAD 系统的数据交换更加轻而易举。 “汽车白车身设计 ”模块对设计类似于汽车内部车体面板和车体加强筋这样复杂的薄板零件提供了新的设计方法。可使设计人员定义并重新使用设计和制造规范，通过 3D 曲线对这些形状的扫掠，便可自动的生成曲面，从而得到高质量的曲面和表面，并避免了 重复设计，节省了时间。 “创成式曲面设计 ”模块的特点是通过对设计方法和技术规范的捕捉和重新使用，从而加速设计过程，在曲面技术规范编辑器中队设计意图进行捕捉，使用户在设计周期中的任何时候都能快速方便的实施重大设计更改。 4.“分析与模拟 ”模组 CATIA V5 创成式和基于知识的工程分析解决方案可快速对任何类型的零件或装配件进行工程分析，基于知识工程的体系结构，可方便的利用分析规则和分析结果优化产品。 5.“AEC工厂 ”模组 “AEC 工厂 ”模组提供了方便的厂房布局设计功能，该模组可以优化 生产设西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 备布置，从而达到优化生产过程和产出的目的。 “AEC 工厂 ”模组主要用于处理空间利用和厂房内物品的布置问题，可实现快速的厂房布置和厂房布置的后续工作。 6.“加工 ”模组 CATIA V5 的 “加工 ”模组提供了高效的编程能力及变更管理能力，相对于其他现有的数控加工解决方案，其优点如下： 高效的零件编程能力。 高度自动化和标准化。 高效的变更管理。 优化刀具路径并缩短加工时间。 减少管理和技能方面的要求。 7.“数字化装配 ”模组 “数字化装配 ”模组提供了机构的空间模拟、机构运动、结构优化的功能。 8.“设备与系统 ”模组 “设计与系统 ”模组可用于在 3D 电子样机配置中模拟复杂电气、液压传动和机械系统的协同设计和集成、优化空间布局。 CATIA V5 的工厂产品模块可以优化生产设备布置，从而达到优化生产过程和产出的目的，它包括了电气系统设计、管路设计等模块。 9.“人机工程学设计与分析 ”模组 “人机工程学设计与分析 ”模组使工作人员与其操作使用的作业工具安全而有效地加以结合，使作业环境更适合工作人员，从而在设计和使用安排上统筹考虑。 “人机工程学设计与分析 ”模组提供了人体模型构造 (human measurements editor)、人体姿态分析 (human podture analysis)、人体行为分析 (human activety analysis)等模块。 10.“ 知识工程模块 ” 模组 “ 知识工程模块 ” 模组可以方便的进行自动设计，同时还可以有效地捕捉和重用知识。 CATIA 曲面设计模块 CATIA 拥有远远强于其竞争对手的 曲面 设计模块，在此有必要介绍一下： 1.Generic Shape Design 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 简称 GSD，创成式造型，非常完整的 曲线 操作工具和最基础的 曲面 构造工具，除了可以完成所有曲线操作以外，可以完成拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接 ，修补碎片，拼接， 凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到 G2，生成封闭片体 Volume，完全达到普通三维 CAD 软件 曲面造型 功能，比如 Pro/E。完全参数化操作。 2.Free Style Surface 简称 FSS,自由风格造型，几乎完全非参。除了包括 GSD 中的所有功能以外，还可完成诸如 曲面 控制点（可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形），自由约束边界，去除参数，达到 汽车 A 面标准的曲面 桥接 、倒角、光顺等功能，所有命令都可以非常轻松的达到 G2。凭借 GSD 和 FSS， CATIA 曲面 功能已经超越了所有 CAD 软件 ，甚至同为 汽车 行业竞争对手的 UG NX。 3.Automotive Class A 简称 ACA， 汽车 A 级曲面 ，完全非参，此模块提供了强大的 曲线 曲面编辑功能，和无比强大的一键曲面光顺功能。几乎所有命令可达到 G3，而且不破坏原有光顺外形。可实现多 曲面 甚至整个产品外形的同步曲面操作（控制点拖动，光顺，倒角等）。对于丰田 （图 2-3） 等对 A 级曲面 要求近乎疯狂（全 G3 连续等）的要求，可应付自如。目前只有纯造型 软件 ，比如 Alias,Rhino 可以达到这个高度，却达不到 CATIA 的高精度。 图 2-3 应用 CATIA 的丰田 F11 4.FreeStyle Sketch Tracer 简称 FST，自由风格草图绘制，可根据产品的三视图或照片描出基本外形 曲线 。 5.Digitized Shape Editor 简称 DSE，数字 曲面 编辑器 ，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的 mesh 小三角片体。完全非参。 6.Quick Surface Reconstruction 快 速 曲面 重构，根据输入的点云数据或者 mesh 以后的小三角片体，提供 各西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 种方式生成 曲线 ，以供 曲面造型 ，完全非参。 7.Shape Sculpter 小三角片体外形编辑，可以对小三角片体进行各种操作，功能几乎强大到与CATIA 曲面 操作相同，完全非参。 8.Automotive BIW Fastening 汽车 白车身紧固，设计汽车白车身各钣金件之间的焊接方式和焊接 几何 尺寸。 9.Image & Shape 可以像捏橡皮泥一样拖动，拉伸，扭转产品外形、增加 “橡皮泥块 ”等方式以达到理想的设计外形。可以极其快速的完成产品外形概念设计。 19 包括在 Shape design & Styling 模块中。 10.Healing Assistant 一个极其强大的 曲面 缝补工具，可以将各种破面缺陷自动找出并缝补。 2.3 CATIA V5软件的特点 1.重新构造的新一代体系结构 为确保 CATIA 产品系列的发展， CATIA V5 新的体系结构突破传统的设计技术，采用了新一代的技术和标准，可快速地适应企业的业务发展需求，使客户具有更大的竞争优势。 2.支持不同应用层次的可扩充性 CATIA V5 对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。 3.与 NT和 UNIX硬件平台的独立性 CATIA V5 是在 Windows NT 平台和 UNIX 平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIA V5在 Windows平台的应用可使 设计师 更加简便地同办公应用系统共享数据；而 UNIX 平台上 NT 风格的用户界面，可使用户在 UNIX 平台上高效地处理复杂的工作。 4.专用知识的捕捉和重复使用 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 CATIA V5 结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。 5.给现存客户平稳升级 CATIA V4 和 V5 具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的 CATIA V4用户， V5 能引领他们迈向 NT 世界。对于新的 CATIA V5 客户，可充分利用 CATIA V4 成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境。 2.4 CATIA 软件的竞争优势 CATIA 的竞争对手包括 UG NX， Pro/E， Topsolid,Cimatron。其中 NX 和 Pro/E与 CATIA可谓 三分天下 。目前 CATIA在设计与 工程软件 中占有最多的市场份额。这来源于其如此强大的客户来源和军工背景。与其竞争对手相比， CATIA 的优势在于赏心悦目的界面，易用而强大的功能，在 汽车 、航空航天、造船等专用行业强大的功能支持等， IT 老大 IBM 的全球销售合作。还有很重要的一点，就是来自 CATIA 母公司，达索系统 Dassault Systemes 其他兄弟 软件 的支持： 1 Delmia，强大的生产线规划和管理 软件 ，配合 Catia 完成制造可行性分析和实施； 2 Enovia，强大的数据管理和设计支持系统 3 Smarteam，强大的 PLM 软件 ，与 UGS Team Center 并列为 PLM 最成功的软件， PLM 的鼻祖。 4 VPM，设计数据共享平台，跨国公司各设计中心可使用此 软件 进行数据和信息状态共享 5 Solidworks，三维工程 软件 在全球中端市场的 统治者 ，被达索公司收购后，成为打击其他中端软 件的招牌武器，并且有效的支持高端软件 CATIA 在中低端市场的渗透 6 Abaqus，最强大的 FEM 软件 之一，优势是非线性、动态、隐式计算，成为可以有效解决 汽车 与航空航天领域复杂问题的有效工具。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 第三章 数控加工关键技术的研究 3.1 数控编程的定义 生成数控机床进行零件加工的数控程序的过程 ，称为数控编程（ NC programming），有时也称为零件编程（ part programming）。 数控编程可以手工完成，即手工编程（ manual programming），也可以由计算机辅助完成，即计算机辅助数控编程（ computer aided NC programming）。 采用计算机辅助数控编程需要一套专用的数控编程软件，现在数控编程软件主要分为批处理命令方式为主的各种类型的 APT 语言和以 CAD/CAM 软件为基础的图形交互式自动编程如 UG 软件、 CATIA 软件等。 3.2 数控编程的基本知识 1.机床、造型、编程坐标系 1）机床坐标系、编程坐标系和造型 (建模 )坐标系三者之间既有联系又有区别 ,均符合右手规则。 坐标系右手原则（图 3-1）： 图 3-1 右手原则 床坐标系 (XncYncZnc)：数控机床本身的坐标系，其方向由生产商设定 , 原点在机床安装调试中设置 ，一般不做更改。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17 机床坐标系（图 3-2） ： 图 3-2 机床坐标系 2）造型坐标系 (XYZ) ：设计人员在利用计算机建模时设定的坐标系，其方向原点无任何限制。为了便于编程 计算和检查加工程序 , 尽量使造型坐标系和编程坐标系重合。 3）编程坐标系 (XmYmZm)：工艺人员在编程时设定的坐标系，其方向必须与机床坐标系一致。 零件的找正： 调整零件的装夹方向使编程坐标系与机床坐标系平行 ,并找出零件编程坐标系原点 OM 在机床坐标系 XNCYNCZNC 中的坐标位置的过程 ,为零件的找正。编程原点坐标值可记入机床的专用指令（ G54G59） ,自动实现两坐标间的转换。如图 3-3 所示 。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 18 图 3-3 加工坐标系 确定编程坐标原点 Om 在加工坐标系中坐标的过程称为找正。 2.加工精度的影响因素 1） 普通机床：操作者根据工艺规范，制定出加工路线，靠手工 操作和经验完成。零件精度由机床和操作工人水平决定。 2） 自动仿形：控制依靠凸轮、挡块或靠模实现。零件精度由机床和辅助工装决定。 3） NC 机床：工序、走刀路线的规划、进给、转速、开停等均由程序控制。零件精度由机床、编程和操作人员水平决定。 3.数控加工的工具 -刀柄与刀具 1）刀柄：主轴与刀具的联系环节 , 用以夹持刀具 作用：夹持刀具、传递扭矩 分类：（ 1）普通刀柄 （ 2）液压刀柄 （ 3）热胀刀柄 2）刀具的类型 铣刀类型：平底刀 球头刀 环形刀 锥形刀 鼓形刀等 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 19 刀具的旋向：刀具是右旋的 3）刀位点：刀具的基准点刀尖或刀心 如图 3-4 图 3-4 刀位点 4.刀具补偿功能 刀具补偿一般包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。前者使刀具垂直于走刀平面偏移一个刀具长度修正值；后者可以使刀具在二维加工平面内相对编程数据轨迹偏移一个刀具半径修正值。 1） 刀具半径补偿 刀具半径补偿：可根据零件的实际轮廓编 制程序，加工时数控系统使刀具中心自动偏置一个刀具半径，从而加工出理论轮廓零件，把数控系统的这一功能称之为刀具半径补偿功能。 加工外轮廓时，刀具中心向零件轮廓外方向偏置一刀具半径值。 如图 3-5、图3-6. 图 3-5 右刀补 图 3-6 左刀补 刀具补偿功能带来的优点： a）减少编程人员工作量。 b）可提高程序使用自由度。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20 c）可部分解决刀具磨损问题。 d）可提高零件的加工精度。 e）可降低对刀具精度的要求 。 刀具半径补偿有左偏刀补和右偏刀补两种方式： a）左偏刀补：沿着刀具运动方向看，刀具始终在被加工轮廓的左侧 b）右偏刀补：沿着刀具运动方向看，刀具始终在被加工轮廓的右侧 2)刀具长度补偿 刀具长度补偿（刀长补偿）：数控系统允许修改刀具的实际长度值，从而使刀具实际加工的位置比理论位置抬高或下降一高度，把数控系统的这一功能称之为刀具长度补偿功能。 优点：可方便实现零件的分层加工，简化编程。 5.数控加工的过程： 如图 3-7 图 3-7 加工流程图 3.3数控编程的工艺处理 1.认真分析零件图纸 ，明确加工内容和技术要求 （ 1）加工部位。 （ 2）精度要求（决定加工方案）：公差、对称度、同心度、表面粗糙度等。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 21 （ 3）加工基准 -要求加工基准能够找正 , 否则必须采取特殊的工艺措施。 （ 4）毛坯状态 -铸件、锻件、焊接件、材料类别。 2.制定加工方案，选择加工机床类型 在满足精度和工期的要求下 , 尽可能选用低坐标数的低成本 NC 机床完 成加工任务。 3.确定零件的装夹方式 （ 1）夹具的作用：将零件固定在工作台上以进行加工。 （ 2）选择夹具时注意事项： 保证加工零件时的开敞性和稳定性。 （ 3）夹具的类型： a.组合夹具：可根据被加工零件的特点由通用元件拼装组合出不同类型的夹 具。 优点 : 重复使用、效率高、生产准备周期短。 b.真空 (磁力 )平台装夹：零件与工作台间抽真空，形成压紧力。 优点 :装夹快，工件夹持均匀，开敞性好。 c.专用夹具：为加工某种零件而特制的夹具。 4.确定加工坐标系原点 (1)坐标系原点定义： 加工坐标系原点是数控加工中刀具运动的基准点。程序中刀 位点的坐 标计算以该点为基准，所以也称为程序原点。 它可以设在零件面上、夹具表面上或机床工作台面上，但必须与零件 的定位基准有已知的准确关系。程序原点应尽量选择在零件的设计基准或 工艺基准上。 (2)确定原则： 便于数学处理，简化程序 机床上易找正 加工过程易于检查 5.走刀路线的选择 1)走刀路线的规划 走刀路线是指数控加工过程中刀位点相对于被加工工件的运动轨迹。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 22 走刀路线的分类： （ 1）之字 形 Zig-zag （ 2）回字形 Follow periphery （ 3）单行 Zig 2)走到路线的选择 走刀路线是指数控加工过程中刀位点相对于被加工工件的 运动轨迹。 （ 1）确定走刀路线的原则： a. 保证零件的加工精度和光洁度 b. 方便数值计算，减少程序段数 c. 缩短走刀路线，减少空程 d. 易于增加零件刚性 e尽量避免刀具在加工中向下 f. 刀具轨迹变化尽量做到平缓 g. 精加工最好采用顺铣 （ 2) 逆铣和顺铣 定义： 逆铣 :如果刀具的切削方向和刀具的前进方向相同 ； 顺铣 :如果刀具的切削方向和刀具的前进方向相反。 顺逆铣的加工特点： 逆铣：一般加工啃刀，加工易产生过切； 顺铣：一般加工让刀，加工不到位。 6.刀具的选择 数控加工对刀具的要求很高。不仅要刚度好、精度好，还要使用寿命长。 材料 : 优质高速钢 ,硬质合金 ,耐磨涂层 ,陶瓷材料等 类别 : 种类繁多 （ 1）整体刀具：如立铣刀用于铣削平面零件的周边轮廓，球头刀、 环形刀、 鼓形刀和锥形刀用于数控加工型面。 （ 2）可转位刀具：刀体与刀片分开，刀片一般采用粉末压铸而成，并带有涂 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 23 层（ CVD， PVD，金属陶瓷， PCBN）。 （ 3）刀具的选择原则： a.刀具半径 R 应小于零件 内轮廓的最小曲率半径，约为 (0.80.9） Rmin。 b.切削深度取 (1/4 1/2)D，以保证刀具有足够的加工刚度。 7.确定加工用量 加工用量包括切削深度和宽度、主轴转速、进给速度等。 (1)切削深度的 确定 主要根据机床、工件和刀具的刚度决定。 a.机床、工件和刀具的刚度越好，切深可越大。 b.若机床、工件、刀具的刚性允许，如果能一次切完，可留 0.20.5mm 余量再精加工一次，以提高零件的光洁度和精度。 c.若刚性不允许，切削宽度、深度越大，则切削力、残余应力、振动越大， 加工表面光洁度、精度越低。 (2)切削宽度：加工时每相邻两刀之间的距离 L，又称为行距。 a.粗加工切削宽度由刀具、机床、零件的刚性决定； b.精加工可根据零件的粗糙度计算确定。 要降低表面粗糙度，可缩小行距，但加工效率降低；因此在保证行 距不变的前提下，应选择较大半径的刀具 ,可明显降低残留高度。 (3)转速 (S)的确定： 如果有切削参数库，可直接查切削参数库； 否则，根据实际经验 ,并配合刀具厂家提供的刀具切削线速度 vc (m/min) 查表计算来确定。 主轴转速 n (r/min)根据允许的切削速度 vc (m/min)选取 1000 cvnD D-工件或刀具的直径 (mm) （ 4）进给速度（量） F (mm/min) a.定义：刀具基准点每分钟移动的路径之和。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 24 b.进给量确定：根据零件的加工精度、表面光洁度、切削深度、宽度以 及刀具和工件材料而选择。 c.控制方式： I. 编程人员在程序中给定一个值； II. 操作人员可根据实际情况用倍率调节旋扭进行调 节 。 8.程序编制过程中的误差控制 程序编制中的误差主要有三部分组成： （ 1）逼近误差 ：用近似方程所表述的形状与原始零件之间的误差。 （一次逼近误差） （ 2）插补误差：用直线或圆弧段逼近零件轮廓曲线所产生的编程误差。 （ 3）圆整化误差：这是将工件尺寸换算成机床的脉冲当量时由于圆整化所产 生的误差。 刀位文件： . N896 G00 X156.1 Y-245.858 S1800 M03 N897 G43 Z15. H2 N898 Z4.342 N899 G01 Y-260. Z-9.8 F200. . 数控加工指令 . N900 Y-192.286 F1500. N901 Y-184.621 Z-10.051 N902 Y-176.319 Z-10.894 N903 Y-176.185 Z-10.913 N904 Y-168.084 Z-12.338 N905 Y-48.394 Z-38.102 N906 Y-44.533 Z-38.826 N907 Y-38.44 Z-39.555 N908 Y-32.409 Z-39.8 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 25 N909 Y259.99 3.4数控加工的误差来源 1.编程误差 2.数控 机床带来的误差 3.环境带来的误差 4.装夹找正带来的误差 5.刀具带来的误差 6.加工工艺方法带来的误差 3.5数控程序的格式及功能字 1.数控加工程序的结构 所谓数控加工程序，就是用数控机床输入信息规定的自动控制语言和格式来表示的一套可使数控机床实现对零件自动加工的指令。它是机床数控系统的应用软件，加工程序中包含的工艺及技术信息包括：工艺过程、切削参数、刀具位移与方向，其它辅助动作（换刀、换向、冷却、启停等）及各动作顺序等。 数控程序控制指令格式国际上虽 作过统一规定，但并未作到统一，各个国家和厂家并不相同： 系统开发商有自己的传统和习惯 新功能的不断开发和出现。 但基本格式和指令相同： N G X Y Z 其它指令 ABC 或 PQR 辅助功能 FST MCR N -程序段编号，为了方便检索。编号可以不连续 ,有时可以不要。 G -准备功能字，用来描述机床的动作类型 G01 表示直线插补 ； 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 26 G02 表示顺时针圆弧插补 ； G03 表示逆时针圆弧插补； G17、 G18、 G19 坐标平面选择指令 用以选择圆弧插补、刀具补偿的平面。 G17 指定 XOY 平面； G18 指定 XOZ 平面； G19 指定 YOZ 平面； 刀补指令： G40、 G41、 G42 G41 左偏刀补； G42 右偏刀补； G40 取消刀补； G00（ G0）：快速走刀指令； G90 表示绝对坐标编程 ； G91 表示相对坐标编程等 M-辅助功能字，控制机床的辅助动作 . M00-程序暂停 (刀具、钻头上有铁屑，可以去掉 ) M03、 M04 、 M05主轴正转、反转、停转指令 M08-打开冷却液 M13-打开冷却液并启动主轴 M06-自动换刀 M66-手动换刀 M30-主轴停止，关冷却液，程序结束 2.常用功能字 在数控加工程序中，描述数控机床的运动方式，加工种类，主轴的开、停、换向，冷却液的开、关，刀具的更换，运动部件的夹紧与松开等常用的指令称为工艺指令。工艺指令包括准备性工艺指令（ G 指令）和辅助性工艺指令（ M 指令）两类，它们是程序编制中最常用的指令。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 27 准备功能 G指令 由字母 G 及其后的二位（目前已出现三位）数字组成。 G 指令的主要作用是指定数控机床运动方式，为数控系统的插补运算作好准备。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 28 第四章 航空多腔类典型零件加工的研究 本章研究的主要内容：加工方法的选择、刀具路径的优化、几何参数和刀具参数的选择，以提高加工精度和切削效率。从而制定出一套切实可行的三轴型面加工方法。 本论文使用一个航空 多 腔类典 型 零件 模型进行研究，下图为航空 多 腔类典 型零件 的零件图（图 4-1）以及毛坯图（图 4-2）。 图 4-1 零件图 图 4-2 毛培图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 29 4.1 引入零件及进入加工模块 粗加工的目的是将毛培的大部分 材料切除，去除大量的工件材料，留少量余量以备进行精加工，可以提高加工效率、减少加工时间、降低成本并提高经济效率。 打开已经建立好的零件模型（图 4-3），点击 board，进入加工模块。打开文件出现如图 4-1 所示零件，点击 “开始 ”，在 “加工 ”栏选择 surface machining 如图 4-4 所示。 图 4-3 开始 图 4-4 曲面加工 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 30 4.2 创建零件毛培 在工具栏中点 ，出现 rough stock 的对话框，如图 4-5 所示 图 4-5 设定毛坯 Destination 选零件 ， Part Body 选零件几何体，如图 4-6 确定尺寸，然后选择确定。 图 4-6 毛坯尺寸 4.3 零件定义操作 在定义零件操作之前，先在零件表面定义一个原点。点击特征树 board 之前的加号，展开子菜单，选择零件几何体，单击，工具栏发生变化，选择做点工具，出现如图 4-7 所示点定义菜单。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 31 图 4-7 点定义 点类型选择之间，点 1 选毛培的左上角点，点 2 选择毛培右上角点，确定，这样就产生了一个在毛培上表面正中间的点， 在特征树中双击 “Part Operation.1”，系统弹出如 图 4-8 所示 “Part Operation”对话框。 图 4-8 操作框 图 4.3.3 所示的 “Part Operation”对话框中各按钮的说明如下。 按钮：用于选择数控机床和设置机床参数。 按钮：设定加工坐标系。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 32 按钮：加入一个装配模型文件或一个加工目标模型文件。 按钮：选择目标加工文件。 按钮：选择毛坯零件。 按钮：选择夹具。 按钮：设定安全平面。 按钮：选定 5 个平面定义一个整体的阻碍体。 按钮：选定一个平面作为零件整体移动平面。 按钮：选 定一个平面作为零件整体旋转平面。 1.机床的设置 单击 “Part Operation”对话框中的 按钮，弹出对话框如图 4-9 所示 图 4-9 选择机床 单击其中的 3-axis Machine 按钮 ，保持系统默认设置，然后确认，完成机西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 33 床设置。 2.定义坐标系 单击 “Part Operation”对话框中的 按钮，出现如图 4-10 所示对话框。 图 4-10 定义坐标系 Axis Name 定义为 “Machine axis.1”，选择轴原点，选刚刚建立的表面中点为原点， X 轴为（ 0,0,-1）， Z 轴为（ 1,0,0），确定。 3.定义加工目标零件 单击 “Part Operation”对话框中的 按钮，再单击零件作为目标加工零件。在图形区双击鼠标左键，系统回到 “Part Operation”对话框。 4.定义毛培零件 单击 “Part Operation”对话框中的 按钮，再单击所示特征树的。 5.定义安全平面 单击 “Part Operation” 对话框中的 按钮，将鼠标放到特征树的上，选择隐藏。选择零件的最高平面，单击鼠标右键，选择 offset，thickness 设置为 40mm。 毛坯零件定义完成，在图形区双击鼠标左键，系统回到 “Part Operation”对话框。如图 4-11 所示，点确定。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 34 图 4-11 操作框 4.4 零件区域粗加工（ Roughing） 鼠标单击特征树的 Manufacturing Program.1，单击菜单插入 Roughing OperationRoughing 如图 4-12 所示，进行零件表面粗加工，弹出 Roughing.1 对话框，如图 4-13 所示 图 4-12 铣平面 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 35 图 4-13 加工区域 图 4.4.2 对话框中部分选项卡说明如下： ：刀具路径参数选项卡。 ：几何参数选项卡。 ：刀具参数选项卡。 ：进给率选项卡。 ：进刀 /退刀路径选项卡。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 36 1.几何参数定义 选择要加工平面， 菜单下，单击对话框中间红色的面，对话框消失，选择零件几何体，鼠标双击空白处，消失的对话框再次出现，此时刚才红色的面变为绿色。 Position 选为 On 2.刀具参数定义 单击 定义刀具，直径改为 D 30，把 Ballend tool 之前的对勾点掉，单击 More 按钮 ，弹出子菜单，如图 4-14 所示 图 4-14 刀具尺寸 Nominal diameter 改为 30mm， Corner radius 改为 0mm， Body diameter 改为 30mm。 3.刀具路径定义 单击 按钮，出现如 图 4-15 所示菜单， Tool path style 选择 Zig-zag（之字形加工）。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 37 图 4-15 刀具参数 4.仿真 单击 进行仿真模拟，出现如图 4-16 所示对话框，单击 ，进行观看，可以拉动进度条把加工速度调快，结果如图 4-17 所示。 图 4-16 仿真对话框 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 38 图 4-17 仿真结果 4.5 零件区域 半精加工（ Sweeping） 单击插入， Machining OperationsSweeping OperationsSweeping 如图 4-18所示，弹出对话框 Sweeping.1 图 4-18 扫描加工 1.刀具路径定义 菜单下， Tool path sryle 选 Zig-zag，其余保持默认值。 2.几何参数定义 菜单下，红色平面选择零件几何体，限制线选凹槽轮廓如图 4-19 所示， Side to machine 选 outside，其余保持默认值。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 39 图 4-19 加工区域 3.刀具参数定义 刀具菜单下， Name 改为 T2 End Mill D 16，球头刀，单击 more， Nominal diamerter 改为 16mm Corner radius 自动改为 8mm Body diameter 改为 30mm 4.仿真 单击 观察刀路，如图 4-20 所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 40 图 4-20 刀路轨迹 选 进行仿真。结果如图 4-21 所示 图 4-21 加工结果 4.6 零件凹槽内扫描加工（ Sweeping） 单击插入， Machining