（机械电子工程专业论文）基于五坐标数控加工中心的cadcam技术的应用研究.pdf

山东犬学硕士学位论文 辫传一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明弓| 用的内容外，本论文不包含任何 其德令入或集薅蠢经发表或撰写遗的辩研残采。对本文懿萋秀究徽滋重要舞 献的令人茅爨集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任出本人 承担。 论文作者签鬃：耋塞遭e t 期：巡，支：兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向莺家有关部门或机构送交论文的复印件帮电子舨，允许论文被查酒 和借溪；本人授权出衷大学可以将本学垃论文的全都或部分悫容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：耋塞心导师签名：鏖堡当日期：殛，【! 坚 摘要 本文综合论述了c a d c a m 技术在五坐标数控加工中心的应用情况及前景，着 重就高速加工技术、五坐标数控加工技术和c a d c a m 技术之间的联系，探讨了 高速加工策略在五坐标数控加工中心实现的方法和步骤。同时结合德国m a h o o 公司的d m u 7 0 v 五坐标数控加工中心的实际情况，着重就c a d ，c a m 支持系统的 选择论证和综合分析、c a d c a m 文件系统管理规划、基于高速加工角度的功能曲 面的建模及其分析、加工过程的工艺规划和高速加工策略实现的方法、 h e i d e n h a i n t n c 4 2 6 控制器后处理技术五个方面进行了探讨研究。 在本文中，综合论述了特征建模的方法，以弧面分度凸轮和内燃机燃烧室作 为实例，重点研究了复杂功能曲面的建模及曲面分析方法：并从五坐标加工角度 出发，详细研究了曲面零件的加工特性，提出并优化了具体的工艺过程；利用 u n i g r a p h i e s n x 2 0 作为开发工具，对建模和加工过程进行了全程仿真：围绕 d m u 7 0 v 建立了专属夹具库、文件体系及工艺模板：综合规划了五坐标数控加工 的c a d c a m 文件体系的结构和运作流程：开发了g p m 五坐标后处理d m f 文件， 为建立以五坐标数控加工中心为主的加工体系打下了良好的基础。 关键词：u g n xc a d c a m 高速加工五轴数控加工中心 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i c a t i o na n dp r o s p e r i t yo fc a d c a mt e c h n o l o g y a p p l i e do n5 - a x i sp r o d u c t i o nc e n t e r o n et y p eo fw h i c hi sd e c k e lm a h o m a c h i n e i sg e n e r a l l ys u r v e y e d o n el a r g ep a r to ft h i ss t u d yc o n c e n t r a t e s o nt h eh s m ( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ) r e l a t e dt o5 - a x i st e c h n o l o g ya n d c a d c a m , e s p e c i a l l y ，t h ea c h i e v e m e n ta n dt e c h n i q u ea b o u tt h eh s ms t r a t e g y c a r r i e do n5 - a x i sp r o d u c t i o n c o m b i n e dw i t hd m u 7 0 v ，f r o md e c k e lm a h o ，t h i s p a p e rp r e s e n t s af u l lw o r k r e p o r t a s f o l l o w s ：g i v i n gac o m p o s i t i v e d e m o n s t r a t i o na b o u tt h ec o m p a r i s o no fa l lt y p eo fc a d c a ms y s t e m sa v a i l a b l e i nt h em a c k e t ，d e v e l o p i n gt h ep r o p e ro r t ea st h ef u n d a m e n t a ls y s t e mf o r t h es t u d y ：c r e a t i n ga n dp r o g r a m m i n gt h ed m u 7 0 v c a d c a md o c u m e n t a r ys y s t e m ； a n a l y z i n gf r e ef e a t u r em o d e li n gf r o mt h ep o i n to f h s ma n dm a c h i n i n g t e c h n i c so f5 - a x i s p r o d u c t i o n a n dt h em e a s u r eo fh s mc a r r i e d t h r o u g h ：d e v e l o p i n g t h e p o s t p r o c e s s d o c u m e n to fh e i d e n h a i n t n c 4 2 6 c o n t r o l l e rw h i c hi sn o wu s e do nd m u 7 0 v t h ep r o d u c t i o no fg l o b o i di n d e x i n gc a ma n dg a se n g i n eb u r n i n g c h a m b e r a r ee m p l o y e da sr e f r e n c e st oa n a l y z et h em e t h o dt om a t h e m a t i c a lm o d e l i n g o fc o m p l e x e df u n c t i o n a lf e a t u r e ，f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c hw o r ko ft h e c h a r a c t e ro fs u r f a c ef e a t u r ep r o d u c t i o ni sd e e p l yd o n e a d v a n c i n ga n d o p t i m i z i n g t h ep r o d u c t i n gp r o c e s s ，a sw e l ia st h ew h o l es i m u l a t e d m a c h i n i n gb ym a k i n gu gn x 2 0a st h es u p p o r t i n gs y s t e m b u i i d i n g t h e f i x t u r el i b r a r y 、c a d c a md o c u m e n ts y s t e ma n d p r o d u c t i n gt e m p l a t eo f d m u 7 0 v e x p l o r i n g t h es t r u c t u r ea n df l o wc h a r to ft h ed o c u m e n t s y s t e m ；d e v e l o p i n gt h em d ff i l eb ym e a n so fg p mm o d u l e a l lt h ea b o v ep r o v i d e p r o f o u n dp r e p a r a t i o nt oe s t a b l i s haf u r t h e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n ta r o u n d5 - a x i sn cp r o d u c t i o nc e n t e r k e y w o r d s ：u on x 2 0 、c a m c a d 、h s m 、5 - a x i sp r o d u c t i o nc e n t e r 第一童绪诊 本章简要介绍的课题研究的背景、来源、国内外相关领域的发展现状及应用情 况。并着重介绍了课题的研究内容和所要解决的问题。 1 1 引言 在目前工业制造技术普遍向快速化、柔性化、集成化和自动化发展的趋势下， 如何适应市场及客户的要求，提高自身制造水平、缩短生产周期，降低生产成本、 设备消耗，并最大限度地发挥集成制造的优势，因此，对于c a d c a m 集成技术 的研究是当前工程技术领域的重要课题和热点之一 c a d c a m 技术自从6 0 年代以来，伴随着计算机技术的迅猛发展，逐渐在工 程制造，生产管理等领域得以推广和普及，成为实现产品设计和制造自动化的关 键性技术手段。而且，就c a d c a m 集成技术本身而言，在一些发达国家已经成 为一个单独的学科和产业同时，数字控制系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 在 7 0 年代以后呈现跨越性发展，数字控制技术与c a d c a m 技术的关联日趋紧密， 相互交叉融合，并进一步成为c a d c a m 领域的一个组成部分，从而催生了计算 机集成制造系统的学术概念啪j 。 在c a d c a m 技术中，作为实现手段的数控技术是一个直接产生经济和社会 效益的环节，在快速制造、设计制造自动化、产品试制等诸多方面发挥着重要的 作用。它既可以保证较好的加工精度和可靠的加工质量，也可以灵活的体现设计 者的设计意图，具有鲜明的柔性化制造特点。而且，数控技术与c a d 衔接密切， 并通过c a m 环节展开虚拟加工仿真，对加工效果进行预见性分析和修改，有效的 避免各种制造缺陷，极大的减少了产品更新的成本，并强化了设计方与制造方的 协调性，最后由计算机生成可在生产现场执行的加工指令，进一步简化过程，保 证了后续制造的可靠性。 在上述软、硬件基础之上，高速加工技术迅速蓬勃发展起来，作为现代加工 技术的一个分支，与c a d c a m 技术相互促进、相互融合，在现代化生产中显示 出强大的优势他以高主轴转速、高进给率、高生产率和小切深作为明显特征， 广泛应用于汽车、航空航天、模具和精密机械等各行业。 高速加工作为一项复杂的工程技术，与制造设备、刀具、c a d c a m 等多个方 面的因素都有密切联系，在本文中将重点结合c a d c a m 技术探讨高速加工策略 的实现方法。 1 2 c a d c a m 技术的发展简介 c a d c a m 理论的提出可以追溯到1 9 6 3 年，美国麻省理工学院i e s u t h e r l a n d 在其博士论文中提出了s k e t c h p a d 的概念，该论文一经发表便引起学术界的注 意，并由此奠定了c a d c a m 技术的基础，但是当时尚局限于线框造型技术，未 能在工程中大量运用。 随着交互式图形生成技术的逐步成熟，c a d c a m 技术也得到长足的发展。在 6 0 年代的中后期，对于大型设计、研发制造、生产环节之间的协同性和一致性提 出了更高的要求，美国的一些代表性制造公司逐渐加强了c a d c a m 技术的投入， 山东大学硕十学位论文 并先后开发出具有针对性的c a d c a m 系统，如i b m 公司的s m s 、s l t m s t 设 计自动化系统；洛克西德公司推出的c a d a m 系统；通用汽车公司研发的 d i g i g r a p h i e s 系统当时的c a d ( 2 a m 系统都依托于大型计算机运行使用，因此成 本昂贵，规模庞大，使用范围受到一定限制。但是这些系统的问世，对c a d c a m 技术的成熟化进行了卓有成效的摸索。 c a d ，c a m 技术的革新性改进开始于7 0 年代后期，其主要的推动因素为计算 机硬件技术的飞跃发展。其性价比不断提高，同时图形显示功能大幅提高，大规 模存储器和高速c p u 不断出现，刺激了数据库软件的升级换代，改变了c a d c a m 技术的开发方式，使得c a d c a m 系统进入小型机和微型机市场成为可能。 由于c a d c a m 与计算机图形学交叉研究的不断深入，原来隶属于制造企业 的c a d c a m 研发机构逐渐独立出来，形成专门的软件公司，如c v ( c o m p u t e r v i s i o n ) 、i n t e r g r a p h 等，推出的c a d c a m 软件也成功地脱离大型计算机而在中小 型计算机运行，维护简便，价格相比过去有大幅下降，应用范围也显著扩大，虽 然软件结构方面尚有缺陷，但是在工程制造业中，对于c a d c a m 技术的巨大潜 力和前景已经得到普遍认同。 工作站平台的c a d c a m 系统相继推向市场，硬件、操作系统和专用软件相 互分离，使得c a d c a m 技术得以摆脱底层细节的困扰，专心于内核体系的规划 设计。在此期间，几个较大的c a d c a m 软件公司分别凸现出来，分别推出具有 代表性的c a d c a m 软件。 8 0 年代初，由s d r c 公司推出了i - d e a s 系统，该系统相比原有的其他 c a d c a m 系统已经由很大不同，它是首个基于实体建模技术的c a d c a m 系统， 其新颖直观的方式迅速得到广泛认可；由法国达索公司开发的c a t i a 系统，将 曲面建模推到新的发展高度，其后p t c 公司研制的p r o e n g i n e e r 和u n i g r a p h i c s s o l u t i o n 公司研制的u g i i 等软件业继续沿用其设计思路，并在近几年相继更新换 代，逐渐成为c a d c a m 市场的主流产品 1 3 数控加工技术的发展及前景 1 3 1数控加工技术的发展历史 数控机床是柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 最主要的 组成部分和最终实现环节，8 0 年代以后，随着c a d c a m 系统使用的迅速推广及 航空航天、造船、汽车等制造业的急剧扩大，数控加工技术应用越来越普遍。 数控加工技术产生于1 9 4 8 年，当时由美国帕森斯公司提出应用计算机控制机 床加工的设想，并与麻省理工学院合作进行研制工作。1 9 5 2 年试制成功第一台三 坐标立式数控铣床。从而开创了数控加工的历史。但是当时的数控加工仅限于机 器指令输入，智能化远未实现，故而使用范围十分有限。 数控编程语言的出现，使得数控机床的程序编制可以脱离机床本身单独规划， 大大简化了数控机床的使用复杂性，扩大了数控机床的普及程度。a p t 数控编程 语言是麻省理工学院在数控编程系统中开发的产品。它发展于1 9 5 6 年6 月，第一 次应用于生产约在1 9 5 9 年，今天仍是在美国是应用最广的语言。该语言最初被作 为一种绘制轮廓的描述性图文语言，后来又被用于描述刀具位置和刀具轨迹。现 在然而现在的a p t 版本可以用来做五轴的位置和多径程序设计。 - 山 1 9 7 5 年，微处理器技术获得突破，成功地研制出以微处理器为核心的数控系 统。使得高速数控和精微加工成为可能。其加工方位由三坐标扩大为五坐标、九 坐标加工，不仅仅局限于铣削加工，而集成镗削、刨削等切削方式，主轴转速最 高可达7 0 ，0 0 0 r m i n 至1 0 0 ，0 0 0 r m i n 。逐渐形成加工中心的学术概念。 数控加工技术发展到今天，高速加工及智能n t 成为数控加工的主流。同时 与虚拟加工技术逐渐融合，使得围绕数控加工为中心的c i m s 集成系统由理论模 型成为现实。 1 3 2 数控加工技术的发展趋势 ( 1 ) 单台数控加工向高精度、高柔性、高速度化发展，以便大幅度的提高加工 效率及加工质量，从而降低加工时间及加工成本t 31 。 ( 2 ) 随着加工规模的扩大，作为c i m s 核心单元的数控加工中心研究逐渐向模 块化、智能化、集成化方向集中。 ( 3 ) 在集成化方面，以开发符合s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c th o d e id a t a ) 标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了 大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开 始，还有待我们去努力。 ( 4 ) 数控机床已经不仅仅用作独立加工单位使用，而是作为集成加工系统的一 部分，为适应小批量、个性化、高难度的加工特点，加工中心的规划呈现 由点( 数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、线( f m s 、f m s 、f t l ) 、 向面( 工段车间制造岛、f a ) ，体( c i m s 、分布式网络集成制造系统) 的 发展趋势。 1 3 3 高速加工技术的发展 高速加工技术出现于2 0 世纪9 0 年代。他的产生，主要是基于数控机床性能 的大幅提高、柔性制造系统理论的发展、c a d c a m 技术的普及应用、刀具材料的 革新的背景下，使得超出传统的切削速度和加工效率成为可能。目前还没有高速 加工的明确定义，但是可以大致将高于常值5 至1 0 倍、高主轴转速、高进给率、 小切深的加工方法称之为高速加工” 研究超高速加工主要有三大目的：获得高的生产率：提高零件的表面质 量和加工精度；加工高硬度、难加工材料。 高速加工具有许多突出的优点： ( 1 ) 单位时间切除率可提高3 6 倍； ( 2 ) 切削力降低3 0 以上，有利于避免零件的表面变形和降低残余应力 ( 3 ) 适用于超精加工范围； ( 4 ) 由于切削热迅速被切削带走，工件可以长时间保持冷态，； ( 5 ) 高速加工时机床的激振频率很高，远离工艺系统的固有频率， 高速n t 技术现在已经广泛应用于航空航天、汽车、船舶、模具等多个领域， 尤其是特殊材料零件加工，体现出工期短、加工效率和成品率高的特点。伴随着 数控机床的普及，在复杂曲面加工方向上，高速加工逐渐变成大众化的趋势，在 山东大学硕十学位论文 近年来，我过汽车制造行业大量采用高速加工中心组成柔性生产线取代组合机床 刚性自动线，在实现柔性化、快速化、模块化生产上了新的台阶。 一个成功的高速加工过程，取决与两个因素：一个因素是软件因素，即加工 前程序编制和工序规划是否合理；一个因素是硬件因素，即机床性能、刀具配置 及工装夹具的设计是否配合良好”。 高速加工技术作为面向2 1 世纪的一项先进制造技术，拥有广泛的应用前途和 极大的研究价值。对于目前高速加工技术的发展方向，主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 加工材料范围的扩大，从铝、铁等普通金属的加工向超硬材料加工方向扩 展，进一步扩大高速n t 的应用范围 ( 2 ) 由湿切削向干切削发展，研究开发适用于高速切削的刀具材料； ( 3 ) 进一步改善机床的驱动和控制技术； ( 4 ) 开发具有较高的运算速度和良好的精度的c a d c a m 系统； ( 5 ) 建立高速切削数据库，指导用户正确使用已有的超高速加工机床，完全发 挥超高速加工的效能。 1 4 数控加工技术与c a d c a m 研究的关联 所有的数控加工过程均是通过数控编程来得以实现。数控编程是从零件图纸到 获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点( c u t t e r l o c a t i o np o i n t 简称c l 点) 。随着加工零件和加工工艺的日益精细和复杂，人工 编程及a p t 语言编程已经不能满足要求，这是因为： ( 1 ) 采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性； ( 2 ) 缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段； ( 3 ) 难以和c a d 数据库和c a p p 系统有效连接；不容易作到高度的自动化， 集成化。 相比于a p t 语言的缺点，c a d c a m 技术可以有效地解决复杂曲面及多轴加 工的高速，高效、高安全性加工编程问题，并实现了几何造型、零件几何形状的 显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等系列的 设计、加工一体化工作，适应于高速加工技术的实现。 一个合适的c a d c a m 系统对于发挥加工中心高速加工的潜力十分关键，其具 体要求可以表现在以下几点： ( 1 ) 较强的插补功能。优秀的路径平滑连接功能； ( 2 ) 全程自动过切检验处理； ( 3 ) 刀柄与夹具干涉检验： ( 4 ) 进给率优化处理功能； ( 5 ) 加工轨迹编辑优化； ( 6 ) 加工残余分析； 作为不同的c a d c a m 系统，对于高速加工的实现方式是不同的。本课题主要 是围绕五坐标加工中心进行c a d c a m 技术的相关研究，因此根据自己目前的实 际情况选择一种适当的c a d c a m 软件是实现高速加工的第一步。第二步就是充分 利用系统的特点和功能完成高速加工的要求，搭建特定的高速加工体系，并逐渐 丰富特定机床的加工数据库，探索高速n i 和编程策略。 1 5 本文所要研究的主要工作 本文将围绕d m u 7 0 v 五坐标加工中心，从实现高速加工的角度出发着重从 下面几个方面展开研究工作： ( 1 ) 综合分析个c a d c a m 软件的性能特点，结合目前设备及环境情况，确定 自己的支持系统，并在此基础上进一步建立c a d c a m 管理系统， ( 2 ) 搭建五坐标数控加工中心的c a d 文件体系，分析并明确各部分的关系 ( 3 ) 根据啮合原理，推导出基于u g 曲面建模的弧面分度凸轮建模途径。 ( 4 ) 以弧面分度凸轮和内燃机燃烧室为实例，利用自由曲面功能建立实体模 型，分析建模与加工之间的相互关系，由高速加工角度探讨建模方法的改 进。 ( 5 ) 为五坐标数控加工中心确定夹具体方案，分析高速加工与夹具体设计之间 的关系。 ( 6 ) 研究并总结在c a m 编程中贯彻高速加工策略的方法，以弧面分度凸轮和 内燃机燃烧室加工方法作为研究对象，建立刀路轨迹，并在此基础上改进 加工方案。 c 7 ) 进一步分析复杂功能曲面的建模与加工方式之间的关联作用，提出改进加 工效率的新思路。 ( 8 ) 分析d m u 7 0 v 五坐标数控加工中心的机床文件，建立专属于d m u 7 0 v 的 后处理m d f 文件。 第二章c a d c a m 支持系统的选择 本章全面分析了目前在c a d c a m 领域应用的支持性软件，从多个角度对比 阐述了他们之间的差异，然后根据自己的实际情况选定适合的软件，并在此基础 上开展下一步工作 2 1c a 0 c a m 支持系统的综合对比分析 2 1 1 历史发展背景对比： p r o e n g i n e e r 是p t c 公司的主要产品，自1 9 8 5 年推向市场，也是第一个将参 数化设计思想付诸实施的c a d ，c a m 软件。该软件在产品策略上走开放平台道路， 并率先向p c 机( n t 平台) 移植，在中小企业中占了极大的份额。后来p t c 进一 步收购c d r s 软件以增加其车身风格设计能力，然后又购并了c v 公司，期望渗透 到飞机和汽车二大领域。现在其最新版本为w i l d f i r e 版。 i - d e a s 软件是s d r c 公司产品，s d r c 最早从事c a e ( 工程分析) 领域研究， 取得较好成绩，其后看到c a d 市场巨大潜力，同时进入到c a d 领域，其核心算法 也是n u r b s ，并推出动态导引器和变量化几何( 跟参数化类似) 为基础的实体建模， 也是一种复合建模方式，在系统的易操作性上和效率上有优势，硬件平台也是全 开放的( u n i x 和n t ) ，美国的r d 公司选定它为自己的标准软件平台。目前s d r c 公司已经正式与e d s 公司合并，其i - d e a s 序列已停止使用，其内核并入u g 系统， 并统称为n x 系列。 c 肌a 是法国d a s s a u l t 公司开发，该系统主要依托于表面为特点的曲面建模， 由i b m 公司负责其全球销售和技术支持服务。c 肌a 最早成功开发出a 类曲面设 计能力，也是最早可以进行进行车身设计和整车开发的软件，又因为其推出时间较 早，因此有许多汽车制造厂家采用c a t i a 作为设计支持软件，尤其在欧洲市场的汽 车行业。c a t l a 在汽车业上的成功得益i b m 公司的强有力背景和卓越的市场营销 能力c 肌a 软件在国外的应用和维护主要依赖于i b m 行业专家、顾问组的支持 服务，需要很高的应用和维护成本。现在最新版本是v s 版。 u g 全称为u n i g r a p h i c s ，起源于美国麦道公司，有较深厚的工程背景，之后被 美国通用汽车公司g m 选中，作为g m 的主流软件，并进一步由其r r 子公司e d s 公司将u g 收购，成为e d s 公司的一个部门。1 9 9 3 年推出的u gv 1 0 版是u g 的 一个里程碑，彻底改造了原来的体系结构和用户界面，推出了包括实体建模、特 征建模和曲面建模在内的复合建模体系。现在该软件的最新版本为u gn ) ( 3 0 ( 含 i - d e a s 内核) 。 m a s t e r c a m 软件是由美国c n cs o f t w a r en c 公司开发的集c a d ，c a m 软件一 体的应用软件。m a s t e r c a m 软件采用的建模技术是线框建模和曲面建模，部分采 用实体功能建模。m a s t e r c a m 主要擅长于c a m 自动化编程，在c a m 方面具有明 显的优势。 除上述几种c a d c a m 支持软件之外，在目前制造业应用的还有d e l c a m ，c a x a 等多种软件，但是就综合性能比较，与上述软件有一定差距。 8 2 1 2 支持平台对比： c a d 软件最初几乎全部应用在u n i ) ( 平台。随着p c 机功能的飞跃和w i n d o w s 平台的广泛应用，c a d 软件也有了不同的发展方向u g 将基于u n i x 开发的软件 移植到了w i n d o w s 平台，c a t i a 则基于w i n d o w s 平台开发出全新的v 5 产品。 因为与w i n d o w s 产品完全兼容，操作上灵活方便，简单易学，所以在用户界面 上c a t l a 相对更为友好。p r o e 最初推出时，其内核基本依赖于d o s 操作系统操 作顺序明了，在w i n d o w s 系统完全替代d o s 作为主流之后，移植性相比于其他 c a d c a m 软件略微逊色。但是其开发时间较早，又因为其符合工程设计流程机理， 故而在w i n d o w s 操作系统下的c a d c a m 软件中仍为主流之一。 2 1 3 操作性对比： 参数化建模和设计自由度是c a d 软件应用的重要特征。如何协调两者成为当 前c a d 软件的最重要的问题。 p r o ，e 在初期软件规划时即充分考虑了机械和工程设计人员的意见。在操作 顺序性和条理性深受用户好评，以参数驱动为主的建模方式使得整个设计过程具 有良好的可控性和继承性，数据相关性。非常便于进行大规模协作设计。但在界 面友好性能略现不足，在w i n d o w s 风格已为用户所熟悉的情况下，操作宜人性 方面仍未及时摆脱d o s 版本的影响，灵活性尚有欠缺，设计思路相对较窄。 u g 采用的是以参数化驱动为主、曲面建模和实体建模相辅相成的复合建模体 系，将元素分为参数与非参两种，实体和曲面建模采用参数化方式，参数化元素 的修改则通过修改参数和替换引用过的非参元素；实现点和线采用非参数化或部 分参数化方式，非参元素的修改通过修改部分参数和移动元素来实现。侧重于从 多个角度对设计过程进行掌握，用户可以从多个切入点对设计进行监控和修改， 使得设计更为灵活，具备较大的设计自由度。u g 界面规划合理，长期以来得到大 部分工程师的认同，简捷实用。但是由于参数化建模能力略低，继承性受到一定 削弱，使得设计过程对于使用者得要求较高。 c a t i a 的设计是将所有元素参数化和对象化，通过类似文件夹得数据组对 b o d y 和0 p e nb o d y 进行管理。中间通过通过布尔运算完成特征的组合，每个b o d y 又由多个特征组成，分层管理。这样可以避免单一树结构造成的错综复杂的父子 关系，使参数化建模成为可能。点、线、面元素被放到o p e nb o d y 里，像真正的 树结构一样管理起来。同时作为辅助生成实体的参考元素，它们可以随时丢弃参 数，或被其他元素替换。c a - i i a 的设计自由度较u g 要小一点，但是它提供了在设 计过程中参数化建模的途径，以及对自由设计的管理。 综上所述，p r o e 软件的建模迅速，适合于快速和零件形状规整程度较高的 情况，在对于参数化要求较高的设计中优势较大；c a t l a 则致力与发展刨成式设 计。它更擅长于对整体设计模式的把握；模拟人性化的设计思路；实现造型设计 对结构设计的控制，零件与零件之间的协同合作；以及知识工程在设计中的应用。 使得建模过程流畅清晰，主体鲜明。两者的发展策略和重点也各不相同。u g 对于 设计细节有较为出色的处理能力，同时适合原始开发阶段或曲面建模情况的设计 工作。 山东大学硕十学位论文 2 1 4 理论基础对比： p r o e 采用n u r b s 算法和纯参数化建模，侧重于中小型设计工作，但是其复 杂曲面的建模和编辑能力相对较弱，故而在对复杂曲面有较高要求的汽车飞机领 域受到一定影响。 u g 采用p a r a s o l i d ( 基于n u r b s 算法的实体) 几何建模核心，其特色是将 p a r a m e t r i c ，n o n a r a m e t d c ，s o l i d 及s u r f a c e 功能完美结合成一单一数据库，同时 又将通用汽车公司内部使用的汽车车身开发软件c g s 移植到u g 中，使u g 的a 类曲面的功能大大增加。其曲面与实体的融合运算得到完善解决。在并购i d e a s 系统后，将其动态导引器和变量化几何巧妙的移植于混和建模方式之中，使其更 具操作性和较高的设计效率。 c a n a 系统在a 曲面建模方面具有明显优势，但是其计算模式沿用b e z i e r 算 法为核心，也是以上几个c a d c a m 软件中唯一一个采用b e z i e r 算法，复杂曲面准 确细腻。但其曲面构造是传统方式的，不具有相关性，编辑性不够完善在u g 、 p r o e 等先后启用c + + 、o p e n g l 等工具，并向单p c 机进行移植之后，c a t i a 才在v 5 版实现由工作站到单机的转移环节。 m a s t e r c a m 主要依赖于线框建模和曲面建模，但其曲面功能较弱，主要包括 升举曲面、直纹曲面、昆氏曲面等几种，处理复杂曲面效果不佳。该软件主要从 加工角度出发，因此在c a m 方面见长，但是由于其历史继承性原因，在c a d 、c a e 模块部分功能依靠与其他支持软件相互沟通才能完全发挥作用。 综合上述分析，就其复杂曲面建模和后续处理功能进行比较，c a t i a 系统和 u g 相比更为出色，方式多样，曲面与理论拟和程度较高；但构造过程漫长，且对 于使用设备有一定要求。p r o e 建模内核单一，算法协调性较好，故其建模迅速， 但对于非常复杂的情况有一定难度1 a s t e r c a m 则侧重于c a m 模块，因此与其他 系统交叉使用较为合理。 2 1 5 编程性能对比： p r o e 采用顺序化加工处理方式，提供3 至5 轴等多种加工方式。加工过程 采用形状特征进行识别。其加工过程简明，符合使用者的思维习惯，关于被加工 体、刀具、切削过程、加工环境等分别采用参数分别进行控制，对使用者的实际 操作经验有一定要求。 u g 的c a m 模块采用与p r o e 和m a s t e r c a m 不同的规划模式，对c a m 过程 进行扁平化处理，对于刀具、加工几何、数控程序和加工方法分别定义，在加工 编程时根据实际情况进行组合调整。内部文件均以对象形式进行管理和编辑，因 此在操作中具有极大的灵活性，可以随时监控操作过程，并且修改方便，可以多 角度、多方位的调试n c 程序。完全实现了c a d c a m 联动设计，其u g n i s i m 集 成了v e r i c u t 内核，仿真过程更加细腻逼真。 m a s t e r c a m 在c a m 方面具有独特的优势，首先其将大部分实体或曲面特征分 解为大量的线框和可分辨的微小平面特征，处理过程迅速，并在分解过程中加入 相应的加工分析数据，自动生成最优化数据，减轻了使用者在工艺过程规划中的 工作量，简便直接。其工艺规划过程中加工数据可以随时跟踪修改，操作灵活， 因此m a s t e r c a m 在数控加工领域一直处于领先地位，是加工模块较为完善出色的 c a d c a m 支持软件 就其c a m 模块而言，m a s t e r c a m 是目前所有c a d c a m 系统中综合性能较为 出色的代表性软件，但是由于其建模基础较陈旧，使用过程中不能独立发挥全部 性能，必要时需要和其他系统结合使用。p r o e 简便易学，操作轻巧，但是由于 p r o e 采用顺序化结构，工作过程单一，数据库提取和更新过程相对封闭，故而 在进行复杂零件加工时有一定难度。u g 由于其c a d 、c a m 采用统一数据结构， 数据提取方便。其c a d 、c a m 兼容性好，并且由于其c a m 各模块的网格化布局， 控制点和编辑切入点较多，使用中可以多方面的反应操作及加工过程，故而深受 c a m 操作者的欢迎。但是其定义过程较为复杂，掌握需要一定的过程，并且由于 加工模拟和重现过程计算量巨大，时间漫长，对于使用设备有较高要求。 2 2c a d c a m 系统选择方案与本课题之间的关系 2 2 1c a d c a m 系统的可选方案 本课题的核心研究内容为c a d c a m 技术在五坐标数控加工中心上的加工研 究，其对于c a d c a m 支持软件的c a d 、c a m 两方面均有一定要求。通过对各 个c a d c a m 支持软件的综合性能的分析，本课题对于支持软件的选择可以有以 下几种方案： ( 1 ) 选择两种或两种以上软件作为本课题的依赖工具。 该方案可以综合各个软件的优势，同时避免他们各自的缺陷，根据实际 情况对c a d c a m 过程灵活把握。但是由于各个软件之间的算法内核不同， 在数据转化过程中难于完全继承和解读，并且由于数据的丢失极易造成 加工失误，损坏设备及加工零件 ( 2 ) 选择单一软件作为本课题的依赖工具。 该方案由于数据统一性较好，可以较好协调建模、分析及 j n - r 等过程。 缺点是无法综合各个软件的优势，某些缺陷无法避免 2 2 2c a d c a m 系统选择方案对高速n - f 的影响 对于c a d c a m 方案的选择，我们可以从n c 轨迹生成的角度进行分析，目前 关于n c 轨迹的生成方法主要包括： ( 1 ) 基于点、线、面和体的n c 刀轨生成方法。 目前大部分加工驱动方式都是使用该种生成方法分辨加工与保留区域，采 用c s g 和b r e p 混合切分模型，并在加工区域生成必要的刀轨”1 。 ( 2 ) 基于特征的n c 刀轨生成方法 w r m a i l 和a 】m c l e o d 在他们的研究中给出了一个基于特征的n c 代码 生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对 组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么对整个形状特征或形状特 征组分别加工后即完成了零件的加工而每一形状特征或形状特征组的 n c 代码可自动生成。 当前c a m 系统刀轨生成方法的主要问题，按照传统的c a d c a m 系统和 c n c 系统的工作方式，c a m 系统以直接或间接( 通过中性文件) 的方式 从c a d 系统获取产品的几何数据模型。c a m 系统以三维几何模型中的点、 线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹。在整个c a d c a m 及 c n c 系统的运行过程中存在以下几方面的问题”1 ： ( 1 ) c a m 系统只能从c a d 系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品 的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。 ( 2 ) 在c a m 系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息( 直线和 圆弧的几何定位信息) ，以及少量的过程控制信息( 如进给率、主轴转速、 换刀等) ，下游的c n c 系统既无法获取更高层的设计要求与生成刀具轨 迹有关的加工工艺参数 ( 3 ) c a m 系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。c a d 系统 与c a m 系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成 c a d c a m 系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。 ( 4 ) 高速加工的一个优势是高加工精度、小热分布以及高质量的加工表面，但 是由于模型转换精度的问题，尝尝使零件公差大于模型公差，原因在于数 据交换过程中存在数据的丢失，这些转换是基于极限公差近似生成的。例 如，主流软件所用的转换格式之一的s t l 格式所使用的常用公差0 i m m ， 如果进行曲面或者小特征转换，其模型数据就有可能造成特征丢失。 如图2 1 所示为内燃机燃烧室上盖的刀路轨迹，图2 1 b 由于采用不同的 c a d c a m 软件转换生成，在精铣路径时，公差累计已经严重影响精铣路 径的生成，造成很严重的锯齿形畸变；图2 一l a 则无此弊端。 图2 一l a 图2 一l b 高速加工中还要考虑的一点是建模特征的可追溯性，由于各个软件的特征命 名并不相同，并没有统一的格式，因此在模型转换后，不同格式的特征无法保持 继承对于c a m 编程人员来说，很难从建模角度对加工进行优化，因此无法借助 以前的设计思想，对于高速加工策略的实现也存在影响。 2 3 本章小结 综合上述考虑，由于本课题围绕德国d m u 7 0 v 五坐标数控加工中心开展，对 于加工精确性、操作安全性和系统稳定性有相当要求，可以看到采用第一方案有 诸多不利方面，因此本课题选择第二方案。在综合分析之后，u g 在曲面建模和数 控加工方面均有优异的表现，在本课题的研究过程中，其综合性能相比于其他软 件更为适合，因此选择u g 作为课题的c a d c a m 支持软件 1 3 山东大学硕十学位论文 第三章d m u 7 0 v - c a d 文件规划与建模实例 第二章论证并确立了u g 系统为五坐标加工的支持系统，本章将主要围绕 d m u 7 0 v 五坐标数控加工中心建立专属的c a d 文件库，并从高速加工角度出发， 探索c a d 建模方式对于高速加工、c a m 编程的影响和改进办法。利用u g 的丰 富强大的曲面建模和分析工具，以弧面凸轮及内燃机燃烧室上盖作为建模分析实 例，进一步对用于五坐标加工的建模过程进行深入性的总结和规划。 3 1 该问题的提出 u g 是一个集c a d c a m c a e 多项功能于一体的c a d c a m 支持性软件。其 中c a d 是其其他功能模块的基础，对于需要五坐标加工的零件，其建模方式、建 模特征以及数据的约束定义方式都间接影响其后续的分析工作及加工后的效果。 因此，如何在利用u g 建模的过程中充分考虑后续加工的要求，在较为复杂和重 要的零部件设计中具有重要的作用，如果能够良好的衔接c a d 与c a m 之间的转 换关系，将会有效的降低设计周期和设计成本同时，随着加工工作的扩大和深 入，必须围绕五坐标加工中心建立专属的c a d 文件体系，以便建模和加工工作不 断继承，有利于五坐标加工中心的管理和操作。 3 2u g 建模方式概述 u g 建模在吸收了参数化建模内核的基础上，又混和了特征建模、实体建模和 自由建模等三种建模方式，因此他可以根据情况灵活进行处理。 3 ，2 1u g 特征建模、实体建模的概念和种类 8 0 年代所研究的特征造型是以实体模型为基础用具有一定设计或加工功能的 特征作为建模的基本单元建立零部件的几何建模方式。一般来说有形状特征、材 料特征、工艺特征等。这种建模方式的显著优点是能以工程师熟知的方式进行设 计，比传统的建模更有效率更为重要的由此建模方式不仅包含几何信息，还包 括工艺信息，形成符合数据交换规则的产品信息模型，从而实现c a d c a p p c a m 的 真正集成化。 u g 的常用特征方式有： 功能特征：包括键槽，孔，凸垫，凸台，型腔捕捉设计意图和增加生产 率、特征的矩形和圆形陈列引用、个别的特征的位移，所有特征是与主特征相关 倒园与倒角：固定的和可变半径的倒园能够倒角任一边缘，陡峭边缘倒园对 那些不能接纳完全的倒园半径，而仍要求倒园的设计进行操作。 高级建模操作：轮廓可以被扫描，拉伸或旋转形成实体。挖空实体命令可