实体模型（泰姬陵）的设计与数控加工

设计题目实体模型（泰姬陵）的设计与数控加工,作者：洪涛班级：机教043指导老师：王振宁,摘要,ProEngineer是近年来较为流行的机械绘图软件之一，它的绘图功能在产品造型设计中应用性很强。通过介绍泰姬陵模型设计的全过程，说明运用ProE的全参数设计、特征基础、装配等特点，使设计工作直观化、高效化、精确化。充分证明在产品造型设计中应用，对于新产品开发和数字化设计将起重要作用。另外还通过CAXA制造工程师和CAXA车削对模型组建进行自动编程，生成轨迹路线和程序，然后在数控机床上进行加工，完成模型最终造型。关键词：产品造型设计，ProEngineer， CAXA，数控机床,1 设计要求,模型的具体设计要求为：确定模型的尺寸及结构利用CAD/CAM软件设计实体模型确定加工方案，给出加工轨迹绘制相应的零件图、实体图及总装配图,2 模型的实体设计,根据网上资料的查询和现有数控机床的加工范围，基本确立总体尺寸长宽高为：380340390 单位:mm，模型加工材料为实验室所有塑料材质。本模型采用Pro/e进行实体的设计，在设计过程中应尽量减少模块，以减少不必要的装配要求，现将模型分为两部分分别设计，然后一次装配成型。因本模型是从现实社会建筑中简化而来，属于概念设计方法，因对其组建及其上装饰的细节尺寸不作以具体设计要求，应以满足总体布局的可观赏性和数控加工的可操作性为主。,2.1 上实体及圆顶设计,（1）打开Pro/e,新建零件实体，输入零件名为01确定，使用“草绘”选择TOP基准平面以RIGHT为参照平面，画好后，用“拉深”输入深度生成如下实体：,(2）对上面实体采用“抽壳”工具，选择下底面输入厚度为5mm,形成壳体。 (3）选取正门进入“草绘”添加装饰，花纹部分为材料切除，深度为2mm,拱门也为材料切除，深度为5mm,利用“镜像”使对称分布，其中各部分尺寸为大概尺寸，可根据实际需要进行修改。如下图示,(4）选取侧门进入“草绘”添加装饰，花纹部分为材料切除，深度为2mm,拱门也为材料切除，深度为5mm,利用“镜像”使对称分布，其中各部分尺寸为大概尺寸，可根据实际需要进行修改。如下图示：,(5）分别选取正门和侧门之间各面，进入“草绘”添加装饰，花纹部分为材料切除，深度为2mm,拱窗也为材料切除，深度为5mm, 利用“镜像”使对称分布，其中各部分尺寸为大概尺寸，可根据实际需要进行修改。如下图示：,(6)选取FRONT基准平面，进入“草绘”以RIGHT基准平面为参照，画大圆顶截面图，退出草绘，使用“旋转”功能生成实体，其形状尺寸为大概尺寸，可根据实际需要进行修改，如下图示：,(7）使用“基准平面工具”构建DTM1和DTM2基准平面，选用DTM1平面进入“草绘”以DTM2平面为参照，绘制小圆顶截面，退出草图，使用“旋转”功能生成实体，再用“镜像”功能完成布局，其形状尺寸和位置尺寸为大概尺寸，可根据实际需要进行修改，如下图示：,至此，上实体和圆顶设计已经基本完成，保存在设定的目录下，其渲染后效果图如下所示：,2.2 下底座及四立柱设计,(1)新建组件设计，输入零件名02确定，使用“草绘”选择TOP基准平面以RIGHT为参照平面，画截面图，退出草绘，用“拉深”功能，输入深度生成如下实体：,(2)使用“抽壳”功能，选中实体下底面进行抽壳，厚度为5mm，分布选中实体的正面和侧面进入“草绘”添加装饰，使用“拉伸”功能对实体进行材料切除，深度2mm, 其中各部分尺寸为大概尺寸，可根据实际需要进行修改。如下图示：,(3）使用“基准平面工具”构建DTM1和DTM2基准平面，选用DTM1平面进入“草绘”,以DTM2平面为参照，绘制立柱截面，退出草图，使用“旋转”功能生成实体，使用“镜像”功能复制实体完成布局，保存到指定目录下,其形状尺寸和位置尺寸为大概尺寸，可根据实际需要进行修改，如下图示：,2.3 模型装配设计,单击“打开”，打开02文件，确定后进入装配窗口，单击打开“将元件添加到组件”在弹出的窗口中选取01文件，在“约束类型”中选取“用户自定义”，使用“对齐”进行约束，然后分别选取02文件模型TOP基准平面的和01文件模型的TOP基准平面，此时提示为“不完全约束”，再次使用“对齐”，分别选取两模型的RIGHT基准平面，此时提示为“完全约束”，确定后装配效果如下,3 CAXA自动编程及加工参数设置,对此模型进行加工主要用到铣削和车削加工，因最终成型实体是有各组件拼接而成，因此组件较多，而加工参数设置多有重复，所以在此选取一代表组件详细说明其过程。,3.1 CAXA制造工程师铣削加工及参数设置,打开CAXA制造工程师进入操作窗口，根据前面设计模型，绘制正门的截面图形如下所示：,3.1.1平面轮廓加工轨迹生成,(1）此图形需要加工的有外轮廓切割和图案除材料加深，可以采用CAXA的“平面轮廓加工”和“平面区域加工”功能进行设置。(2）在打开CACA制造工程师软件的工具栏上单击“应用”“轨迹生成”“平面轮廓加工”，打开如下对话框并分别进行设置：,在“平面轮廓加工参数”中，加工精度为0.01,拔模斜度为0，刀次应为4，顶层高度为0，底层高度为-5.2，此处设为5.2比实际板料多出0.2，是因为板料可能出现厚度不均现象，以防加工完成后有粘连现象，每层下降高度为1.3，拐角过度方式为尖角过度，如采用圆弧过度则会在拐角处出现圆弧，无法完成装配。走刀方式只对开轮廓有效，对封闭轮廓不存在单向走刀和往复走刀之分。轮廓补偿为TO或PAST，选用ON时，刀具轨迹会在选定的轮廓线上，选用TO时，刀具轨迹会在轮廓线内，选用PAST时，刀具轨迹会在轮廓线外，后两种补偿方法也与选择加工方向有关，可在操作时具体设置，刀具轨迹线便是刀具的中心点所在的路线。行距定义方式中用行距方式，行距为1，加工余量为0。拔模基准选用以顶层为基准，“拔模基准”是用来确定加工所使用的轮廓是工件的顶层轮廓还是底层轮廓。层间走刀只对开轮廓有效，对封闭轮廓不存在单向和往复之分。不采用机床自动补偿G41/G42 ，G41为左刀补，G42为右刀补，补偿的方向取决于加工的侧边和轨迹的方向。 (3)进行“切削用量”的设置 在“切削用量”设置中，主轴转速是切削时机床主轴的转动速度（r/min）。接近速度是从慢速下刀高度切入工件前刀具进行的速度。切削速度是正常切削时刀具进行的线速度（mm/min）。退刀速度是刀具离开工件回到安全高度时刀具进行的速度。,行间连接速度是刀具在两个刀具行连接处的行进速度。用于有往复加工的加工方式中，避免在顺、逆铣的变换中，机床的进给方向产生急剧变化，而对机床、刀具及工件造成损坏，此速度一般应小于进给速度。起止高度是进、退刀时的刀具的初始高度。应大于安全高度的初始高度。安全高度是保证在此高度以上快速走刀（G00）而不与工件发生碰撞的高度，应高于零件的最大高度。慢速下刀相对高度是相对于加工位置的高度值。刀具快速下刀到相对高度位置，然后以接近速度下刀到加工位置。说明：切削用量与机床本身、工件的材质、刀具的材质、工件的加工精度和表面粗糙度等要求密切相关，在不同的加工条件下，会有很大的差异。因本模型的加工材质为塑料，加工精度和表面粗糙度要求不高，固此此参数不需经过严密的计算，只要能够满足加工要求和保证加工速度就行 。(4)进行“进退刀方式”的参数设置 进刀方式：垂直是指刀具在工件的第一个切削点处直接开始切削。 直线是指刀具沿直线方向向工件的第一个切削点前进。其中长度是进刀直线的长度，角度是进刀直线与轨迹切向的夹角。 圆弧是指刀具沿与轨迹相切的1/4圆弧向工件的第一个切削点前进。其中半径是进刀圆弧的半径，延长是延长直线的长度，转角是延长直线与圆弧的夹角。 强制是指刀具从给定点向工件的第一个切削点前进。退刀方式说明同进刀方式一样,(5)进行“下刀方式”设置，如下所示：下刀方式是指刀具切入毛坯或在两个切削层之间，刀具从上一轨迹层切入下一轨迹层的走刀方式。下刀的切入方式设置：垂直切入是指在两个切削层之间，刀具从上一层沿Z轴方向直接切入下一层。螺旋切入是指在两个切削层之间，刀具从上一层的高度沿螺旋线以渐进的方式切入工件毛坯，直到下一层的高度，然后开始切削。其中半径是螺旋线的半径。近似节距指没旋转一圈，刀具下降的高度。倾斜切入是指在两个切削层之间，刀具从上一层的高度沿斜向折线渐进切入工件毛坯，直到下一层的高度，然后开始切削。其中长度指折线在XY面投影线的长度。近似节距指刀具每折返一次，刀具下降的高度。角度指折线与进刀段的夹角。渐切切入是指在两个切削层之间，刀具从上一层的高度沿斜线渐进切入工件毛坯，直到下一层高度，然后开始切削。下刀点的位置设置：斜线的端点或螺旋线的切点是指以倾斜方式下刀时，下刀点是斜线的端点；以螺旋线下刀时，下刀点是螺旋线的切点。斜线的中点或螺旋线的圆心是指以倾斜方式下刀时，下刀点是斜线的中点；以螺旋线下刀时，下刀点是螺旋线的圆心,(6）“铣刀参数”设置：在此处设置中可以在“当前道具名”中直接选用自已需要的刀具，如没有可以在“增加刀具”中设置所需刀具。通过“预览铣刀参数”可以现实所设当前刀具形状，也可以在“删除当前刀具”中更换刀具。因考虑在实际加工中的需要，选用直径为2mm,刀角半径为0的铣刀即可满足要求。(7)生成加工轨迹依状态栏提示拾取轮廓，注意观察工具状态提示，要保证其处于“链搜索”工具状态，在选择加工方向时要注意顺铣和逆铣的选择，要保证在加工过程中始终为顺铣。选完后，两次单击右键，使用系统默认的进、退刀点，系统生成刀具轨迹，如下所示：,3.1.2平面区域加工轨迹生成,(1)在工具栏上单击“应用”“轨迹生成”“平面区域加工”，打开如下对话框并分别进行设置：,在“平面区域加工参数”中，其功能多与“平面轮廓加工参数”中的功能一样，现只对不同方面进行说明。走刀方式：环切加工是指刀具环绕轮廓的走刀方式切削工件。壳选择从里向外或是从外向里的方式。平行加工是指刀具以平行走刀的方式切削工件。其中单向指刀具以单一的顺铣或逆铣方式加工工件。往复指刀具以顺铣混合方式加工工件。角度指刀位行与X轴的夹角。轮廓参数：余量指加工完成后的零件侧边上剩余材料的厚度。 斜度指外轮廓具有的倾斜度。与拔模基准配合使用。岛参数： 余量指加工完成后，岛的侧边上剩余材料的厚度。 斜度指内轮廓具有的倾斜度。与拔模基准配合使用。(2）“清根参数”设置，如下所示：清根是指刀具在每层加工完毕后，再沿轮廓或岛绕切一遍，以清理零件侧壁上的残留材料。可根据实际情况进行选择。(3)生成加工轨迹拾取轮廓线及加工方向：根据状态栏提示，拾取轮廓线，直至形成封闭的轮廓线，在拾取过程中，注意加工方向的选择。拾取岛：拾取玩区域轮廓线后，系统要求拾取第一个岛，直至形成一个封闭的岛。如有多个岛，系统会继续提示选择，拾取完成后单击右键确认，如一个岛没有，则直接右键确认。刀具选择同上。结果如下所示：,3.1.3 加工轨迹仿真,单击“应用”“轨迹仿真”命令，在弹出的立即菜单中选择“自动计算”方式，根据状态栏提示拾取生成的刀具轨迹，单击右键确定后，系统开始进行模拟切削，仿真结果如下图所示：,3.1.4 后置设置及G代码生成,(1)进行后置设置：单击“应用”“后置处理”“后置设置”命令，在弹出的“后置设置”对话框中选择“后置处理设置”选项，根据当前的机床，设置各参数，结果如下所示：,(2)生成G代码：单击“应用”“后置处理”生成G代码命令，在弹出的“选择后置文件”对话框中选择代码的保持路径，并设置代码文件的名称。单击“保存”按钮，根据状态栏提示拾取刀具轨迹，单击右键结束，系统弹出G代码文件，结果如下所示：,3.2 CAXA车削加工及参数设置,在车削加工中，因多数加工参数与铣削加工一致，在此不再进行一一说明，现只将其中一大圆顶的大致步骤、加工轨迹和仿真结果显示如下：图形绘制轮廓粗车轨迹生成轮廓精车轨迹生成加工轨迹仿真后置设置及生成G代码,4 数控机床操作,对于本模型组件的加工，采用实验室的Fanuc oi系列的数控车床和数控加工中心（铣床），因其加工工件较多，过程复杂，现只对数控机床的对刀设置进行详细说明，以使我们对数控机床的加工有一个基本认识。,4.1 数控车床对刀设置,数控车床的对刀方法较多，有手动对刀、自动对刀、对刀仪对刀，而手动对刀中又分G50对刀、G55-G99对刀等对刀方法。下面我们介绍用试切法G50对刀的步骤：(1)以工件右端面上W2为零点建立工件坐标系 见下图(2)在手动方式，用基准刀（一般用外圆车刀，因为任何工件的加工首先要车外圆）试切工件右端B，然后刀具沿X轴正方向退出，在z坐标方向不得移动，主轴停止。(3)在MDI方式输入G50 Z0，按循环启动键，W2的 Z坐标零点就建立了。 (4)以手动方式，用基准刀具试切工件的一段外圆A后，然后使刀具沿Z轴正方向退出，在X轴方向不得移动，主轴停止。(5)用游标卡或外径千分尺准确测量试切的外径a并记录，在MDI方式输人G50 Xa，按循环启动键，W2的X坐标零点就建立了。,4.2 数控铣床对刀设置,刀具试切法对刀当对刀点为工件上表面的中心点时,常采用刀具试切法对刀。此时可以利用加工所用的刀具直接对刀,操作起来比较方便(如图所示)。 (1)将准备用于加工的铣刀装在主轴上;(2)在手动方式下利用手动输入“M03 S300”指令,使主轴中速旋转;(3)手动移动铣刀,使其沿X方向靠近被测工件的一侧边,且其Z向位置应低于工件上表面位置,直到铣刀周刃轻微接触到工件的侧面;(4)将机床