（机械工程专业论文）基于ug的潜望镜侧罩凸模程序编制及后置处理技术研究.pdf

摘要 摘要 数控技术是机械加工现代化和军事工业发展的重要基础与关键技术。应用 数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、 实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理， 使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更 新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。同时，也使机 械加工的大量前期准备工作与机械加工过程连为一体，能够现实c a d 、c a p p 、 c a m 的一体化，提高了机械加工的柔性自动化水平。 本文以目前国际上先进的“c a d c a m c a e 一体化机械工程辅助系统 u gn x 为工具，完成了潜望镜侧罩凸模零件的计算机辅助编程及虚拟加工仿真。 从新加工工艺及高质量数控编程角度出发，探索了一条实现潜望镜侧罩凸模零 件曲面高精、高效加工的新方法。具体内容包括：首先，根据潜望镜侧罩凸模 的结构特点和技术要求，在对其进行了详尽的加工工艺分析之后，确定了曲面 的加工方法。然后，利用u g c a d 模块完成了潜望镜侧罩凸模及其毛坯参数化 建模。在此基础上，利用u g c a m 模块进行数控编程，优化了加工路线、刀具 轨迹、切削方式等工艺参数，通过刀轨检查及时地发现刀具跟零件之间的过切 和欠切。接着介绍了基于u g 的通用后置处理技术及用户化后置处理技术设计方 法，开发了市场上广泛使用的f a n u c 数控系统专用的后置处理程序，生成了潜 望镜侧罩凸模零件的高精、高效的n c 程序。最后将该n c 程序传送至数控机床 进行铣削加工，大大提高了零件加工效率，也满足了零件加工精度要求。由于 u gn x 提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实 现了数据的无缝集成，从而极大的促进了设计和生产向自动化和高效化方向发 展，提升了企业在国际市场上的竞争力。 关键词：数控编程；数控系统；u g c a m ；潜望镜侧罩：后置处理 a b s t r a e t a b s t r a c t n u m e r a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , s h o r t e rf o r mn ct e c h n o l o g y ，i st h ei m p o r t a n t f o u n d a t i o na n dk e yt e c h n i q u eo ft h em e c h a n i c a lm a c h i n i n gm o d e r n i z a t i o na n d m i l i t a r yi n d u s t r yd e v e l o p m e n t n cm a c h i n i n gc a ng r e a t l yi m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y , s t a b i l i t ya n dp r o c e s s i n gq u a l i t y , s h o r t e nt h ep r o c e s s i n gc y c l e ，i m p r o v ep r o d u c t i o n f l e x i b i l i t y , c a r r yo u tt h ea u t o m a t i cm a n u f a c t u r eo fa l lk i n d so fc o m p l i c a t e da n de x a c t p a r t s ，a c h i e v et h ec a dm a n a g e m e n ti nf a c t o r i e sa n dw o r k s h o p s ，r e d u c et h en u m b e r o f e q u i p m e n t i n p l a n t s ， s a v el a b o ro f m a n p o w e r ,i m p r o v ew o r k i n g c o n d i t i o n ，a c c e l e r a t et h ed e v e l o p i n ga n du p d a t i n gs p e e do ft h ep r o d u c t s ，a n de n h a n c e t h ea b i l i t yo ft h ec o r p o r a t i o n st oa d a p tt ot h em a r k e ta n dg e n e r a lb e n e f i t a tt h es a m e t i m e ，i ta l s oc a nm a k et h ep r e p a r a t i o na n dm a c h i n i n gp r o e e s so ft h em a n u f a c t u r e t o g e t h e r , u n i t ec a d ，c a ma n dc a p p ，a n di m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e lo ff l e x i b l e m a c h i n i n g c a dn cp r o g r a m m i n ga n dv i r t u a lm a c h i n i n gs i m u l a t i o no fs i d ep e r i s c o p e c o v e rt e r r a c ed i ei sa c c o m p l i s h e di nt h i st h e s i sb yu gn x ，w h i c h ，a tp r e s e n t ，i sa n a d v a n c e dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs y s t e mc o n s i s t e do fc a d ，c a ma n dc a et o g e t h e r i n t h ew o r l d b a s e du p o nt h en e wm a c h i n i n gt e c h n i c sa n dh i g h q u a l i t y n c p r o g r a m m i n g ，an e ww a y t h a tc a r r yo u tt h eh i g h e re f f i c i e n c ya n da c c u r a c ym a c h i n i n g o ft h ec u r v e ds u r f a c ei sg i v e n d e t a i l sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y , t h em a c h i n i n gm e t h o d o ft h et e r r a c ed i ei sc h o s e na f t e ra n a l y z i n gt h ea r t sa n dc r a f t so ft h ec u r v e ds u r f a c ei n d e t a i l a c c o r d i n gt o i t ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s t h e n p a r a m e t e r i z e dm o d e l so ft h e t e r r a c ed i ea n db l a n ka r ec r e a t e di nu g c a d e n v i r o n m e n t o nt h i sb a s i s ，u s i n gu g c a mn cp r o g r a m m i n gm o d u l eo p t i m i z et h e p r o c e s s i n gp a t h ，t o o lp a t ha n dc u t t i n gm o d eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h eg o u g e s b e t w e e nc u t t i n gt o o l sa n dt h ep a r ta r ed i s a p p e a r e d t h e ni n t r o d u c e dt h eu g b a s e d u n i v e r s a l p o s tp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s a n du s e r - b a s e d d e s i g np o s t p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s ，d e v e l o p e d a w i d e l y u s e df a n u cc n cs y s t e md e d i c a t e d p o s t p r o c e s s i n g ，b u i l dh i g hp r e c i s i o na n de f f i c i e n tn cp r o g r a m so ft h ep a r t g r e a t l y i n c r e a s e dt h em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dp r o c e s s i n gq u a l i t yi nt r u em a c h i n gt 0 0 1 a s i i i u gn xi sb u i l to nap r o d u c td e s i g ne n v i r o n m e n tt h a ti sb a s e d0 1 1p r o c e s s ，i t c a n c o m p l e t et h ei n t e g r a t i o nf r o md e s i g n i n gt om a c h i n i n g ，i m p e l t h ea u t o m a t i o na n dh i g h e f f i c i e n c yo ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，a n da l s oi m p r o v et h ec o m p e t i t i v ec a p a b i l i t y o ft h ee n t e r p r i s e so nt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t k e yw o r d s ：n cp r o g r a m m i n g ；n cs y s t e m ；u g c a m ；s i d ep e d s c o p ec o v e r ；p o s t p r o c e s s i n g 目录 目录 第l 章绪论1 1 1数控加工技术概述1 1 2 1发展历程。3 1 2 2 数控编程技术现状和趋势6 1 2 研究的目的和意义7 1 3国内外研究的现状9 1 4 本课题研究的主要内容1 2 第2 章零件加工工艺分析13 2 1潜望镜侧罩凸模图样及技术指标1 3 2 2 加工工艺分析：1 4 2 2 1零件特性1 4 2 2 2 机床选择15 2 2 3刀具选择16 2 2 4 数控加工方案的制定1 6 2 2 5 走刀步长和行距的设置1 8 2 2 6 确定切削参数1 8 第3 章u g 参数化建模及曲面加工方法研究2 0 3 1u g 概j 苤2 0 3 2 u g 参数化建模2 3 3 2 1u g c a d 建模方法2 3 3 2 2 零件及毛坯建模2 4 3 3曲面加工方法研究2 4 3 3 1 n c s e n 仃y 软件简介2 5 3 3 2 u g 曲面加工方式在具体加工方案中的应用研究2 6 3 4基于u g 的曲面数控加工方法误差的研究31 3 4 1曲面三轴联动加工的加工方法误差分析3 1 3 4 2 基于u g 的曲面三轴加工方法误差的研究3 3 v 目录 3 5 本章小结3 4 第4 章u g 数控编程3 5 4 1 u g c a m 介绍3 5 4 1 1u g c a m 加工方法。3 5 4 1 2u ( v c a m 特点3 8 4 2 基于u g 的数控加工编程3 9 4 2 1c a m 环境设置3 9 4 2 2 创建刀具4 0 4 2 3 创建父节点组4 2 4 2 4 创建操作4 5 4 3 本章小结5 2 第5 章后置处理。5 3 5 1u g 后置处理简介5 4 5 2 基于u g 的后置处理5 6 5 2 1 创建后处理5 7 5 2 2 参数设置5 8 5 2 3 保存后处理6 2 5 2 4 后处理器测试6 2 5 3 用户化后处理6 3 5 3 1 编修后处理文件6 3 5 3 2 创建用户自定义事件( u d e s ) 。6 3 5 3 3 定义机床运动6 7 5 4f a n u c 专用后置处理程序生成的数控程序6 9 5 5 本章小结7 l 第6 章结论与展望。7 2 致谢7 4 参考文献7 5 攻读学位期间的研究成果7 7 v l 第1 章绪论 第1 章绪论 在航空、航天、汽车、轮船、能源、军事及生活制品等行业中普遍存在形 状复杂的零件，其表面形状复杂，加工精度要求高。在整个零件的生产过程中， 其加工质量与加工效率是企业的生存之本。本论文结合中船重工7 1 7 研究所潜 望镜侧罩凸模加工生产实例进行基于u g 数控加工技术研究，探求该零件优质、 省时、高效加工方案。 1 1 数控加工技术概述 数控机床是按照事先编制好的数控加工程序能够自动地对工件进行加工， 因此数控加工程序编制得是否合理，将会直接影响零件表面质量与加工效率。 我们把输入到数控系统中，并且使数控机床执行某个确定任务并由特定代码和 其他符号代码组成的一系列指令，称为数控程序。生成数控机床能够识别并能 + 够执行指定动作的数控程序的过程称为数控编程【1 】。 1 数控编程的内容 图1 1 数控编程过程 数控编程的过程指的是从分析零件图纸到检验数控程序的整个过程。数控 第1 章绪论 编程的主要内容包括：分析零件图、加工工艺处理、数据处理、编写数控程序、 准备控制介质、检验数控程序。编程过程如图1 1 所示。 2 数控程序编制步骤 编程的具体步骤与要求如下： ( 1 ) 分析零件图和工艺处理 分析工件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求等，以便确 定该零件是否适合在数控机床i 力i i l 2 】；选择加工方案、确定加工顺序；选择合 适的数控机床；选择或设计夹具及刀具；确定合理的加工路线( 如进给路线、 对刀点及换刀点等) 及选择合理的切削用量( 如f 、s 、t ) 等。工艺处理牵涉的 问题有很多，所以在认真处理该问题时，就需要灵活运用常规工艺知识，制定 出更加科学的数控加工工艺。 ( 2 ) 数值处理 在确定了工艺方案后，接下来是根据零件的形状、尺寸、加工路线，正确 地计算出数控机床需要的坐标值( 如零件轮廓上的起点、终点、圆心等坐标数 值) 。 ( 3 ) 编写零件加工程序单 在完成了工艺处理和数值处理后，按照数控机床规定的程序指令和程序格 式，编程人员逐段编写零件加工程序单。 ( 4 ) 制备控制介质 制备控制介质，即把编制好的程序单上的内容记录在控制介质上作为数控 装置的输入信息。 ( 5 ) 程序检验 正式加工之前，应对程序进行检验。程序输入后，利用数控机床的c r t 图 形显示屏幕模拟刀具对工件的加工过程，以检验程序是否正确【2 1 。为检验零件的 加工精度，还需进行零件的首件试切。当发现有加工误差时，应分析误差产生 的原因，对程序进行修改或采取尺寸补偿等措施。 根据零件加工对象复杂程序的不一样，数控编程的方法分为手工编程与自 动编程。手工编程是指由人工来完成数控机床程序编制各个阶段的工作。对于 几何形状不太复杂的零件，通过利用一般的计算工具和数学计算方法，人工进 行加工路线的轨迹和坐标值计算，并进行程序编制。这种方法比较简单，易掌 握，适应性大，因而目前仍被广泛应用于各类数控机床的编程【2 】。 2 第1 章绪论 自动编程是指利用计算机及专用的自动编程软件来完成程序编制各阶段的 工作，因而自动编程又称计算机编程。编程系统根据加工对象和工艺要求，自 动计算出加工路线轨迹，并自动生成零件数控加工程序。因此，对于复杂曲线 轮廓、三维曲面等复杂型面加工，一般采用自动编程。 1 2 1发展历程 1 9 5 2 年美国帕森斯公司( p a r s o n sc o ) 同麻省理工学院伺服机构实验室( s e r v e m e c h a n i s m sl a b o r a t o r yo ft h em a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 成功研制出世 界上第一台数控机床即数控铣床。该机床主要用于加工直升飞机叶片轮廓检查 用的样板。1 9 5 5 年开始进入数控加工实用阶段，在复杂曲面的加工应用中发挥 了重要作用1 2 。近5 0 年来，随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术、精 密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床与加工技术得到了快速的发展。 1 9 5 8 年我国开始研究开发数控机床，并在1 9 5 8 年研制出三坐标数控铣床， 然后在众多企业、研究单位及院校的共同协作下，在实际机械加工中数控机床 的使用量逐渐增加，解决了普通机床对于某些复杂零件的加工束手无策难题。 从1 9 8 0 年到现在，我国数控机床制造与编程加工技术应用发展上从当初的引进、 消化、吸收，到现在能够独立地开发、设计、制造拥有自主知识产权的中、高 档数控机床及加工系统。例如五轴联动龙门镗铣加工中心，它配有高速电主轴， 转速可达1 0 0 0 0 - - 一1 6 0 0 0 r m i n ，能够满足现化模具、飞机结构件等高速加工的需 要。 1 计算机直接数控( d n c ) 计算机直接数控也称为计算机群控，是指用一台大型通用主计算机直接控 制和管理众多数控机床进行零件加工或装配的系统。主计算机不但能够用来编 写零件的数控加工程序，而且能够控制工件与刀具的传送，同时还具备生产管 理、加工情况监控以及刀具寿命管理的能力，成为一条由计算机控制的数控机 床自动化生产线。根据数控机床群与计算机联接方式的不同，可分为间接型、 直接型和计算机网络型等三种方式。 ( 1 ) 间接型群控系统：是使用主计算机控制每台数控机床，加工程序全部 存放在主计算机内，加工主计算机将加工程序分别送到各数控机床的数控装置 中。 ( 2 ) 直接型群控系统：是机床群中的每台数控机床不再带有数控装置，只 3 第1 章绪论 需装备一个由伺服驱动电路和操作面板的机床控制装置，机床的数控功能和插 补运算功能全部集中由主计算机完成。这种系统中各台数控机床不能脱离主计 算机而独立工作。 ( 3 ) 计算机网络群控系统：各台数控机床都有独立的数控装置，并与主计 算机联成网络，利用该网络协调各数控机床工作 4 1 。另外由于每台机床装备有数 控装置，因此全部机床可以独立进行工作。另外如将该系统与整个工厂的计算 机联成网络，就可形成一个较大的、更加完整的制造系统。 2 自适应控制( a c ) 数控机床的加工过程是由加工程序进行控制的，编程人员在编程时，对于 一些随机因素，如工件毛坯余量和材料硬度的不均匀，刀具的磨损，工件的变 形等，较难给予以准确预测，因而对实际加工状况产生一定的影响。a c 系统可 对加工中的切削力、切削温度、刀具磨损等参数变化进行检测，并将检测结果 与预先存储的有关数据进行比较，根据比较的结果，自动修调主轴转速或进给 量，使数控机床能适应这一变化，保持加工过程能在最佳的切削状态下进行， 提高加工质量和效率【2 。 3 柔性制造单元、系统( f m c f m s ) 柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元 根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工 形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔 性，但人员和加工柔性低。 柔性制造系统主要由主控计算机、数控机床和各类自动传输装置等组成， 是一个集柔性化、自动化和智能化为一体的加工系统。其特点是由一台主控计 算机对全系统的软、硬件进行统一管理，并采用d n c 方式控制若干数控机床， 对各机床之间的工件有调度和自动传送功能。利用交换工作台或工业机器人等 装置实现工件的自动上料和下料。柔性制造系统完全能满足大、中、小批量生 产的要求，且可以快速调整适应工件尺寸的变化【5 】。如f a n u c 公司有一条f m s ， 由6 0 台数控机床、5 2 个工业机器人、两台无人自动搬运车、一个自动仓库组成， 这个系统每月能加工1 0 0 0 0 台伺服电动机，如图1 2 所示。 4 第1 章绪论 图1 2f m s 组成 4 计算机集成制造系统( c m s ) 计算机集成制造系统是在信息技术自动化技术与制造的基础上，通过计算 机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起 来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系 统。集成化反映了自动化的广度，它把系统的范围扩展到了市场预测、产品设 计、加工制造、检验、销售及售后服务等的全过程。 圆圈圈圆圈 图1 3 计算机集成制造系统组成 计算机集成制造系统一般需要有三个计算机系统，一是进行产品设计和工 艺设计的计算机辅助设计和计算机辅助制造系统，即c a d c a m ；二是计算机辅 助生产计划和计算机生产控制系统，即c a p c a c ，该系统对加工过程进行计划、 5 第1 章绪论 调度及控制，f m s 是这个系统的主体；三是计算机工厂自动系统，用于实现产 品的自动装配与调试材料的自动运输与处理等。在这三个计算机系统的外围， 还需要利用计算机进行市场预测，编制产品发展规划，分析财务状况和进行生 产管理和人员管理【6 】。可见c i m s 所涉及的领域相当广泛，技术要求高，是未来 机械制造技术的重要发展方向。图1 3 是计算机集成制造系统组成框图。 1 2 2 数控编程技术现状和趋势 数控编程技术主要研究形状复杂零件的加工。对于，当前的数控编程系统 在三坐标加工场合下都能很好地完成产品零件的加工，同时还能实现非常高的 稳定性。然而多轴加工具有许多独特的优势，例如在增强加工形状复杂零件的 能力、提升零件j j n - r 质量和提高零件加工效率等方面显得更加重要1 6 j 。但较复杂， 利用多轴加工编程技术加工几何形状较复杂且形状变化多端的零件就存在相当 大的难度。当前数控编程系统在多轴加工上通常采用面向专用零件方式。数控 加工需要确定合理的加工工艺，选择正确的加工参数来提高加工的效率及零件 的质量，例如合理的数控机床、粗精加工刀具、走刀路线、主轴速度、进给速 度、快速定位速度等【6 j 。如果需要对前面的参数进行优化，就要了解该类参数和 刀具刚度、损耗、零件表面光洁度及机床振动等相关因素相互关系。机床在加 工过程中，其切削加工状态总是变化的，加工优化措施中就需要采用动态自适 应的功能。建立加工工艺数据库并且采用特征自动识别及基于特征、知识的数 控编程是解决加工方案与参数选择问题的正确途径。现今在1 j n - r 方案与参数的 自动选择及优化方面已经进入广泛地研究，如美国p u r d u e 大学研发的c a s c a m 系统、日本s o n y 公司研发的f r e s d a m 系统、韩国高等科学技术研究院研发的 u n i f i e dc a m s y s t e m t t l 。 现代机械产品的精度越来越高，零件精度由以前的o 0 11 1 1 1 1 1 数量级提高到 0 0 0 1 m m 数量级，促使数控】j n - r 向高精度发展。目前，数控机床的精度已达微 米级，如普通级中等规格的加工中心的定位精度为( 0 1 5 9 m - - 3 9 m ) 1 0 0 0 m m ， 重复定位精度为0 5 9 m 。为进一步提高生产率和j o t 精度，数控1 j n - r 向高速化 方向发展己成为趋势。高速化不仅表现在主轴转速提高也表现在工作台快速移 动和进给速度的不断提高，如加工时主轴转速超过每分钟1 万转，工作台快速 移动速度达4 0 - - 6 0 r r d m i n 。高速切削有利于减小机床振动，减少传入到零件的热 量，减小热变形，提高加工质量。同时，还采用快速换刀及提高其他辅助动作 6 第1 章绪论 的自动化程度，如快速自动定位夹紧，缩短托盘交换时间等。 数控编程技术在智能化方面显得很突出。一方面是采用自适应控制技术， 以提高加工质量和效率。另一方面是在现代数控机床上装备有各种监控和检测 装置，对工件、刀具等进行监测，实时监视加工的全部过程【_ 7 1 。发现工件尺寸超 差，刀具磨损或崩刃破损，便立即报警，并给予补偿或调换刀具。 复合化加工来减少工件加工过程中的定位装夹次数及对刀等辅助工艺时间 从而提高机床生产率，复合化加工还可减少辅助工序，减少夹具和加工机床数 量，对降低整体加工和机床维护费用有利。复合化加工有两重含义：一是工序 和工艺集中，即在一台机床上一次装夹可完成多工序、多工种的任务，如数控 车床向车削中心发展，加工中心向功能更多方向发展，一轴联动向五轴加工发 展等；二是指工艺的成套即加工企业向复合型方向发展，为用户提供成套服务【7 】。 图1 4 数控编程技术发展趋势 1 2 研究的目的和意义 数控程序编制经常采用的方法有手工程序编制和自动程序编制两种。手工 程序编制指的是从分析零件图、工艺处理、数据处理、编写程序单、制作控制 介质及程序检验等整个过程都是由手工完成的。对于几何形状不太复杂的零件， 坐标值的计算比较简单的情况下，一般采用手工程序编制，既经济又实用可行【8 】。 但是手工程序编制却存在如下四个常见的问题：( 1 ) 对于外形轮廓比较复杂， 坐标值的计算难度较大的零件，手工程序编制效率不高，这样就严重影响了数 控机床开动率而成为制约整个数控加工生产的“瓶颈 。据国内外统计数据显示， 采用手工程序编制时对一个零件的程序编制时间与机床的加工时间之比，平均 约为3 0 ：1 ，而对于复杂零件，这个比例更高。数控机床不能开动的原因中有2 0 - - 3 0 是由于加工程序一时编制不出来而造成的；( 2 ) 由于手工计算点的坐标值将 7 第1 章绪论 会产生较大的坐标值计算误差而使程序编制精度不高，无法加工高精度的零件。 随着加工精度从微米级向纳米级转变，手工程序编制更加难以适应的；( 3 ) 对 于较复杂的曲面，手工程序编制就难以实现。由于手工程序编制存在诸多的技 术上的缺陷，因此自动程序编制就引领了数控程序编制技术的应用方向，采用 自动程序编制技术是数控程序编制的第一选择【9 1 。以前采用潜望镜侧罩凸模手工 程序编制，虽然利用了宏程序对其曲面进行程序编制，但程序编制效率非常低， 手工计算点的坐标值会产生较大的计算误差而使程序编制精度不高，不能满足 高精度的加工需求，适应不了潜望镜变化的形状要求。这次该研究所与我院校 企合作开发，采用自动程序编制技术，大大提高了效率。 目前用于自动程序编制的c a d c a m 软件有u g 、p r o e 、m a s t e rc a m 、 p o w e r m i l l 、c a x a 、c a t i a 、v e r y c u t 等。u g ( u n i g r a p h i c s 的简称) 软件是集 c a d c a m c a e 功能于一体的三维软件集成系统，被广泛地应用于航空、航天、 汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。数控加工编程是目前c a d c p p c a m 系统中最出色的环节之一，其在实现设计与加工自动化、提高产品加工精度与 加工质量、缩短产品研发与制作周期等方面发挥着极其重要的作用。毫无疑问， u g 是目前世界上最先进的c a d c a m c a e 软件，其各大功能能实现无缝数据 交换。它提供了一套集成的、全面的产品开发解决方案，用于产品设计、分析、 制造，提供了一套集合最先进的技术和一流实践经验的解决方案，逐渐成为业 界所公认的领先技术，牢固地占领了高端产品设计制造领域的大部分市场。 u g c a m 功能模块是基于u n i g r a p h i c s 的应用广泛的n c 编程工具，该功能模块 具有2 5 年以上的实际加工应用经验，且能与e f a c t o r y 集成紧密的数据结构，被 广泛地应用于航空、航天、汽车、通用机械等力n - r _ 领域【1 0 】。u g c a m 的主要功 能是承担交互式图形编程的任务，即针对已有的c a d 模型所包含的产品表面几 何信息，进行数控加工刀位轨迹的自动计算，完成产品的加工制造，从而在计 算机上的仿真环境中实现产品设计者的设计构想，达到所见即所得的效果。目 前，u g c a m 属于最好的数控自动编程工具之一，它可以为数控车床、数控铣 床、数控电火花线切割机床编程。尽管u g c a m 有着强大的功能，它的加工参 数设置却是一个相当复杂的过程，诸如加工方法选择、刀具选用、加工参数设 置、加工路线设定、刀轨生成、加工方法验证以及n c 代码输出等。这就需要操 作者具有良好的机加工经验，熟悉常用的加工方法与加工参数，具有一定的数 控编程和数控加工基本功，具有关于数控铣削加工的刀具金属切削原理、加工 8 第1 章绪论 余量及切削用量的选择等相关知识，有关于数控铣床、加工中心的工作原理的 相关知识，特别是与编程有关的部分知识。另外还要有u g 建模的基础知识。因 此，在u g c a m 中，会出现许多的人机交互界面需要操作者确定各种加工参数。 这样就会延长数控编程时间。 我院( 九江职业技术学院) 响应高职人才培养方案，采取工学结合模式， 积极与校外企业合作加工一些零件。对于某些铣削零件如潜望镜侧罩凸模的加 工，我院配备了华中世纪星h n c 2 2 m 型数控系统的v m c 7 1 4 数控铣床、配备了 法那科公司的f a n u c s e r i e s o i - - m c 型数控系统的v m c 7 5 0 e 加工中心、配备法 那科公司的f a n u c s e r i e s o i - - m c 数控系统和西门子的s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系 统。本文利用u g 的c a d c a m 模块实现了对潜望镜侧罩凸模的数控编程及后 置处理技术开发，其目的在于从新加工工艺及高质量数控编程角度出发，探索 一条实现潜望镜侧罩凸模曲面高精、高效加工的新方法。利用u g 的c a d c a m 模块进行数控编程，一方面可以方便地实现复杂形状零件的多坐标数控编程， 生成高效、高精的n c 程序。另一方面，可以通过刀轨检查来校验刀具轨迹的质 量，及时地发现刀具跟零件之间的过切和欠切。 以上述分析可知，本课题的研究具有很大的应用前景，且对其他高职院校 参与企业产品数控加工有参考借鉴作用，因此具有很好的理论价值和实际意义。 ，、 1 3 国内外研究的现状 数控编程与加工的核心工作是生成数控刀具轨迹，然后将刀具轨迹离散成 刀位点，经后置处理产生数控加工程序并直接用于零件加工。目前刀具轨迹生 成方法有基于点、线、面和体的n c 刀轨生成方法及基于特征的n c 刀轨生成方 法。 1 基于点、线、面和体的n c 刀轨生成方法 c a d 技术从二维绘图开始，经历了三维线框、曲面、实体造型和参数化特 征造型发展阶段【9 】。数控加工在二维绘图与三维线框阶段主要以点、线为驱动对 象，如孔加工、内外轮廓加工、平面区域加工等。这种加工需要操作人员有较 高的水平。在曲面和实体造型发展阶段，产品了基于实体的加工方法。实体加 工的以实体作为加工对象，由一些基本体素通过集合运算( 并、交、差运算) 得到。实体加工不但可用于零件的粗加工、半精加工、大面积切削掉余量，而 9 第1 章绪论 且能够用于基于特征的数控编程系统的研究与开发1 1 0 j 。 实加工的方式生成刀具路径，可更有效地利用实体模型中的几何信息、工 艺信息，且编程过程简单直观。实体加工通常有实体轮廓加工和实体区域加工 两种。实体加工的实现方法采用层切法( s l i c e ) ，即用一组水平剖面去切被加 工实体，然后对获取的交线生成等距线作为走刀轨迹。 2 基于特征的n c 刀轨生成方法 采用参数化特征造型已经有了一定的发展时期，但是基于特征的刀具轨迹 生成方法的研究才刚刚起步【l l 】。运用特征加工不再让数控编程人员对一些低层 次的几何信息( 如点、线、面及实体) 进行操作，而是直接对符合工程技术人 员思维习惯的特征进行相关数控编程，这样就极大的提高了编程效率。 w r m a i l 和a j m c l e o d 在研究过程中开发出一个基于特征的n c 代码生 成子系统，该系统的工作原理是：零件的每一个加工过程都可以看作为对组成 该零件的形状特征组进行加工的总和。因此，分别单独加工全部形状特征或形 状特征组后就完成了整个零件的加工。每个形状特征或形状特征组的n c 指令代 码也可单独自动生成。该系统目前只能适用于2 5 d 零件的加工。 l e ea n dc h a n g 开发了一种用虚拟边界的方式自动产生凸形自由曲面特征刀 具轨迹的系统。该系统的工作原理为：在凸形自由曲面中内嵌入一个最小的长 方块，这样凸形自由曲面特征就被转换成一个凹形特征。最小的长方块和最终 零件模型的组合就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型【12 1 。刀具轨迹的 生成方法由三个步骤完成：( 1 ) 切削多面体特征；( 2 ) 切削自由曲面特征；( 3 ) 切削相交特征。 j o n gy u nj u n g 研究了采用特征的非切削刀具轨迹生成问题，将基于特征的加 工轨迹分为轮廓加工和内区域加工两类，并确定了这两类加工的切削方向，通 过减少不需要的切削刀具轨迹实现整体优化刀具轨迹的目的，针对孔、内凹、 台阶、槽基本特征，讨论了这些基本特征的典型刀具路径、刀具选择及加工顺 序等，并通过口( i n t e r p r o g r a m m i n g ) 技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨 迹1 1 3 】。另外，j o n g y u n j o n g 还在他1 9 9 1 年的博士论文中研究了制造特征提取和 基于特征的刀具及刀具路径。 我国己确定了“以信息化带动工业化”的宏伟战略目标，迫切需要大量复 合型、高素质的数控编程加工应用型专业技术人才。而优秀高素质人才的培养， 不能没有与理论教学相配套的先进培训系统与设备的支持。目前主要有两种培 1 0 第1 章绪论 养途径：一种是企业采取一定的措施对一线技工进行数控编程加工技能的短期 培训；另一种是各类职业技术学校设置相关的数控专业进行培养。其中，学校培 养占主体。高等职业教育需要及时为国民经济各行各业输送大量这种专业理论 够用并且动手能力强的技能型人才。以九江职业技术学院为例，它是江西省高 职教育的领头羊，是全国示范性建设学校，现代制造中心数控基地是国防科工 委实训基地、中央与地方共建实验室，在全国也有一定的影响力。其国家级数 控加工培训基地拥有几十台套普通数控机床和加工中心，配备的数控系统是 f a n u c ，s i e m e n s ，f a g o r 、广州数控、华中世纪星等众多国内外知名品牌，安 装了u ga u t o c a d ，c a x a ，s o l i d w o r k s ，m a s t e r c a m 等常用正版软件，具备了计算 机辅助设计与编程制造的能力。但由于没有专用后置处理器，对于复杂零件加 工，学生们只能在电脑屏幕上进行模拟切削演示，无法在机床上进行实际加工 4 j 。这是由于他们只能借助通用后置处理器生成复杂曲面、实体的数控源程序， 而这样产生的n c 文件格式与特定机床不会符合，一般来说，复杂零件的n c 文 件程序段数量庞大且理解难度大，导致经过学生们人工修改后的n c 文件很难正 确无误，所以这样的文件一旦传输给机床就因代码格式错误而造成机床报警， 加工过程夭折，学生们无法得到三维c a d c a m 技术从理论到实际加工无缝集 成环节的系统实践性训练【1 4 】。这种情况在其它学校也同样存在。因此，数控编 程加工培训一线也同样急需配套的专用后置处理器。 中国武汉船舶总公司第7 1 7 研究所与我院有着长期良好的合作关系，我院 工程控制中心数控实训基地同该所进行校企合作，共同加工潜望镜侧罩凸模零 件，有效解决了企业数控设备及技术人员不足的问题，通过借助加工企业真实 产品促进学生数控加工能力的提升。本课题以国家级数控加工培训基地拥有的 采用法那克公司的f a n u c s e r i e s o i - - m c 系统v m c 7 5 0 e 数控加工中心为对象， 拟将三维c a d c a m 软件、开发设计的专用后置处理器、p c 等集成为一体，使 系统既能用来进行手工编程操作加工还能进行三维c a d 造型设计及图形交互式 自动编程加工。通过本课题的研发并将其成果投入到数控加工教学培训中，必 定会扩大数控专业及相关专业学生的知识面、提升他们的技术水平而深受学生 欢迎，它符合本领域的技术发展潮流，将使学生能更好地适应社会的需要，也 必将增强他们的就业竞争力。 第1 章绪论 1 4 本课题研究的主要内容 研究内容具体包括有以下几部分： ( 1 ) 研究利用u g 软件对复杂曲面零件加工的方法及步骤。针对九江7 1 7 研究所潜望镜侧罩凸模加工选用合理加工方式、加工刀具、切削用量，达到曲 面加工要求、耗时尽可能少、加工成本尽量低的效果。 ( 2 ) u g c a d 环境下的零件参数化建模。涉及u g 建模方法等。 ( 3 ) u g c a m 环境下的数控加工编程及优化。 ( 4 ) 基于u g 的后置处理。涉及通用后处理器及用户事件的创建方法，机 床运动参数的设置等。 ( 5 ) 开发特定机床对应的后置处理模块。保证u g 生成的程序能直接应用 于数控机床配置的数控系统( f a n u c o i 数控系统) 。 1 2 第2 章零件加工工艺分析 第2 章零件加工工艺分析 程序编制人员在进行工艺分析时，要有机床说明书、编程手册、切削用量 表、标准工具、夹具手册等资料，根据被加工工件的材料、轮廓形状、加工精 度等选用合适的机床，制定加工方案，确定零件的加工顺序，各工序所用刀具， 夹具和切削用量等。此外，编程人员应不断总结、积累工艺分析方面的实际经 验，编写出高质量的数控加工程序。因此，制定合理的数控加工工艺对实现高 质量、高效率、高经济的数控加工显得十分重要。 2 1 潜望镜侧罩凸模图样及技术指标 零件名称：侧罩凸模 产品代号：2 3 2 b i l 秽j i司嗯 一 4 2 一岫 玩 一 一 l 2