CADCAM技术在各工业部门中的应用实例.doc

CAD/CAM技术在各工业部门中的应用实例 在传统设计模式中，由于采用物理原型进行产品设计的测试验证，需进行加工、装配、测试和再设计，导致产品开发周期长，成本高。进入90年代后，随着计算机技术的迅猛发展及其在工程中应用的逐步深入，一种新兴的产品开发技术，即虚拟产品开发（Virtual product Development，VPD）技术逐渐产生并发展起来，在设计制造中发挥越来越大的作用。VPD技术将产品开发全过程数字化，用计算机模拟整个产品开发过程，在计算机中进行产品的设计、分析、加工等过程，因此可以减少因制作物理原型所耗费的人力、物力和时间，同时提高质量，降低成本，保证产品开发一次成功，增强企业快速适应市场变化的能力。VPD技术在国内刚刚起步。应用较少，在发达工业国家虽然也未能完全取代传统设计方法，但成功的应用实例已有很多。下面举两个例子作一介绍。美国通用汽车公司（General Motors）的电力机车分部（Electro-Motive Division）与EDS-UG合作，采用虚拟产品开发策略开发新型电力机车。产品设计全部使用三维实体模型，摒弃了效率低下的二维图纸。设计人员为用户提供三维数字化机车模型，根据用户具体需要进行修改，并将修改传达给工程设计部队进而传递到生产车间。工厂的开发部门分散在美国和加拿大的三十城市，三地的工程师通过高速通讯线路进行实时、并行的设计。由于产品开发完全数字化，省却了传统方式需要制造物理模型的时间和物质的耗费，在计算机中进了反复设计、分析、干涉检查、模具设计等过程，使设计绘图工作比以往减少了50，奇迹般地在三年内从无到有设计制造出先进的电力机车。 加拿大同际大客车工业公司（Motor Coach Industries lnternationa1）在设计新型豪华长途客车“复兴”号时，首次采用VPD技术，为了生产出零件更少、更易于装配而且拥有更优良性能的客车，工厂决定进行全新设计。设计同样采用了EDS-UG软件，设计人员用该软件系统进行实体造型，检查装配体的配台干涉情况，分析模拟运动部件的工作情况等等。所有图纸由UG的PDM软件IMAN进行管理，结合UG的主模型技术。IMAN准确无误地记录每张图纸的更新状况及零部件问的装配关系，保证每张图纸在任一时刻只能由一人有修改权限及提供多人同时斤个图纸的只读权限等。由于采用VPD技术，使“复兴”客车零件比以往减少60，供应商从原来的53个减少到48个，装配台减少69，装配时间减少45，整车从概念设计到生产样车只用了39个月。 另外，在电于、家用产品、轿车、衣机、航海和航空航天等许多方面都有VPD技术成功应用的范例。实例1 在保健产品设计中的应用。 如广东省汕头大学CAD/CAM中心自993年成立以来，一直以机械设计和结构设计的CAD/CAM为依托方向，坚持探索产品设计的虚拟现实技术、三维造型技术和参数设计技术，并将其融入新产品开发设计中去。特别是该中心利用了美国 EDS 公司开发的机械设计集成化软件Unigraphics（UG）做了大量的辅助设计和辅助制造工作，取得了一定经验。实践表明：虚拟现实技术、三维造型技术、参数设计技术是机械设计的发展方向，也是CAD/CAM技术的关键。其根据在于： （）、在机械设计和结构设计中，实现二维平面向三维立体的转化是设计方法质的飞跃。因为装配图和零件图从三维实体造型开始，可视化程度高，能虚拟现实。由于装配图和零件图都是立体图形，着色后能逼真模拟真实产品及其零件，因而准确清晰地反映出设计人员的构思和意图，给产品结构设计带来方便。在虚拟出的立体图形面前，设计人员宝贵的空间想象力可以转化为丰富的产品创造力，节省下来的时间和精力又可以再次投入设计工作中去。因此，采用虚拟现实技术、三维造型技术、参数设计技术设计出的产品，容易比较设计效果，容易检查设计错误，这样就给提高设计效率和设计质量奠定了基础。此外，由于零件都用实体表达，于是设计人员就可十分便捷地计算零件的许多物理参数，例如重量、重心、惯性矩、动平衡等等； （）、采用新型CAD/CAM软件实施三维造型设计，在三维实体生成后，可通过三维实体自动生成二维平面视图，实体造型在VPD中发挥着重要的作用。三维实体使整个设计团队能够在计算机中查看评操纵复杂零部件，能更精确地交流设计意图，大大减少由于使用传统二维图在理解产品结构方面造成的时间和人力的浪费。三维系统的仗用确保了设计概念的完整性，创造出更高质量的产品，并消除升发后期出现的问题。如工程中常用的三视图、轴侧图、剖视图、局部放大图等等。同时三维造型设计还具有消隐功能，它可生成消隐后的各种视图或用虚线表示隐藏线的各种视图，这样便消除了投影错误，使设计人员可将大量时间和精力从仔细核对视图投影关系中解放出来，从事更有价值的产品结构创新设计工作； （）、虚拟现实技术、三维造型技术、参数设计技术应该是三位一体的。三维造型CAD软件业已参数化。它建立起一个相互关联并客观反映现实产品的有机联系数据库。它在一组或多组三维实体间以及三维实体和二维视图间是关联的。在设计过程中，设计人员可根据工程实际需要随时修改三维实体的任一尺寸或任一参数，而任一尺寸或参数的变化都会导致三维实体和所有有关二维视图的自动变化，这样就给视图的修改和产品的完善带来便利。 （）、三位一体的CAD/CAM软件还具有强大的装配功能，它能自动进行各组成部分干涉检查，还能由三维装配图自动生成二维装配图及其零、部件明细表，也能自动生成各零件在装配体中的分解爆炸图，从而清晰地表示出装配图中各零、部件间的相互关系，设计效果得到保证； （）、按虚拟现实技术、三维造型技术、参数设计技术设计出来的产品或零件，可作为应力、应变等进一步分析的几何模型，也可直接为下一步的CAM作好准备。 1、虚拟现实技术在产品设计中应用的设计思路 产品的复杂性是由构成产品的每一个零件的几何特征以及部件所完成的功能共同决定的。一般说来，开发和设计任一新产品涉及的范围都很广，需要考虑的因素都很多，即便采用CAD技术也不例外，这就需要认真挑选所用辅助设计软件。经过长期实践，认为UG软件在开发新产品方面特别适用，这是因为UG本身集计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制造和计算机集成制造（CAD/CAE/CAM/CIM）技术为一体，通过其复合造型和特征造型以及参数造型方式，能够简捷明了、准确有效地生成各种复杂的几何形体并完成各种相关的工程设计和制造工作。因此在开发新型紫薇星通血畅气保健机过程中，选用UG作为开发平台，并确定设计思路如下： （）、基于UG强大的三维立体造型功能，进行新产品外部造型设计和内部结构设计，即将设计者构思的初步轮廓用UG造型模块，生成一个三维实体模型，也即提供一个可视化界面，再在该界面上进行逐步工程设计造型； （）、按照UG实体特点，将几何图形当作设计实体处理。根据UG提供的定位装配技术，在计算机上模拟产品的整个设计制造过程。从部件创建、分段装配到产品整合，进行在线和实时设计或计算，检验并核对各几何尺寸和功能结构间的要求和适配； （）、充分发挥计算机工作站高速计算和图象显示功能，模拟新产品在工作情况下的动力学、运动学、热力学、电子学性能，并模拟在极端条件下新产品的使用状况以及其强度、寿命、稳定性和可靠性等等； （）、利用UG提供的三维注塑模成型功能，用计算机模拟产品成型过程，检验零、部件间有无干涉，并考察制造工艺是否合理； （）、结合市场和用户需求，仔细分析计算机上虚拟现实产品从外观造型到色彩配置、从功能组合到内部结构、从加工工艺到使用条件，逐项讨论并用计算机分析优缺点，为优化设计提供依据。 2、产品造型设计实例 下面是汕头大学CAD/CAM中心在为广东省汕头市紫薇星电子实业公司开发新型保健机的实例。该中心利用UG软件完成三维造型和辅助加工任务，其设计质量和制造周期都较传统方式有较大改善，现以该产品的下座设计为例，说明基于UG的新产品设计。 （）、生成产品下座分型面轮廓曲线： 首先利用UG软件中的TOOLBOX-CURVE选项，选择ARC构造出如图12-1所示曲线。构图时应注意取好基准面，确定三维造型的基准； 然后用OFFSET选项生成其轮廓形状，得到该产品下座的下轮廓线，得到其立体图形。图12-1、保健机下座分型面轮廓曲线 （）、生成产品下座造型实体： 首先设好工作层，使生成的实体与构成实体的轮廓线在不同的层上，这样有助于在设计操作中出错； 然后生成产品下座的大致外形（如图12-2所示）。 （）、生成产品下座空心壳体：先将该三维实体的下部进行圆角处理，使其去掉下面的尖角，以符合美学功能和使用功能；然后选择HOLLOW把实体变为厚3mm的壳体；最后生成壳体上沿四周的配合台阶，图12-2 保健机下座三维基准实体即用EXTRUDED BODY功能选择实体上表面的外轮廓线，再使用OFFSET参数就可生成该配合台阶，使其符合装配工艺要求。 （）、生成下座分型面四周定位卡： 用LINE绘出直线与上轮廓线相交以求交点的方法确定出按一定间距分布的各定位卡的位置； 然后定其中一交点为原点，以轮廓线在该点的法线为X轴； 以原点为对称点绘出一个长方块作为定位卡贴在壳体内壁上，并把该方块的上面两边倒圆；再以壳的内表面为刀修剪掉多余的部分； 重复步骤和步骤生成所有的定位卡。 （）、生成下座内部功能结构： 建立筛动板及支撑灯泡座板的8个带有螺柱孔的支撑柱；生成支撑磁波线圈的四块定位板，再生成四个圆柱。此后用四块板减去四个圆柱即得到卡住线圈的定位凹槽；用步骤1同样的方法生成用于上下外壳锁紧的连接定位柱； 选择POCKET功能在下座底部生成一个通气槽，然后根据散热量需求，生成其他的通气槽，并使之排成一个阵列。 用BLOCK功能生成一个方块，在方块上生成两个凸台，然后进行倒圆角；再把这个方块平移到确定位置，选择SUBTRACT功能，用下座减去此方块即得到两边抠手盒的插孔。 至此，得到了该保健仪下座的大部分结构，其余一些相关结构如：加强筋、定位支柱、安装支板等用上述方法亦可作出，图12-3 即为整个下座的三维实体图形。UG生成的三维实体模型不仅可在着色渲染后作虚拟现实的产品供设计者和用户审核和评价，也可直接转化为二维工程图形输出，还可用其三维立体信息数据生成数控加工程序，传输到加工中心直接加工出零件。图12-3 保健机下座三维实体造型实例2 微型汽车车身模具CAM过程 模具CAM的过程是数控（NC）加工程序的编制和执行的两个过程。一个汽车覆盖件一般需要34套模具才能完成冲压成型。在传统的模具制造工艺中，每套模具的型面是通过各自的实物模型仿铣加工的）由于实物模型的误差较大造成同一零件的几套模具之间的型面不一致，使模具型面之间的研配工作量很大，延长了模具制造周期，也增加了模具的制造成本。由于数学模型的设计误差很小，用它来作为模具型面的制造依据保证制造依据的准确性和一致性，通过数控（NC）编程加工可以大幅度降低模具型面的制造误差，提高模具型面精度，使模具的型面光顺流畅，一致性好，保证了型面的协调要求。 CAM的过程一般如下： （1）调用模具的CAD数学模型（曲面模型或实体模型）。 （2选择加工方式。 粗加工：采用盘状铣刀和逐层铣削的进刀方式进行切削。 精加工：精加工的走刀进给方式很多。有平行平面加工平行设定的平面或平行机床坐标面；有按插值方式加工；有沿曲面等参数线方式加工等。 清根加：在精加工之后，曲面文接的凹圆角处因刀具半径大而留有余量，必须采用小刀具进行清根加工，而且刀具半径R1必须小于或等于凹圆角半径R2。轮廓加1轮廓加工通常是指加工拉延模的凸模外轮廓。压边圈的内轮廓，以及切边模和翻边模的刃口内，外轮廓等。 （3）加工参数的设置。数拄加工参数的设置很多，这里主要介绍最主要的几项。 A、刀具类型的选择：盘状铣几平底柱状螺旋铣刀，球头柱状螺旋铣刀，球头锥状铣刀等。对于不同的加工方式采用不同的刀具类型和刀具规格。 B、刀具规格的选择：刀具规格尺寸的大小要与模具毛坯的大小和加工余量相适合。 C、主轴转速，走刀进给速度进给步距的设置。这三项参数对模具的加工效率和加工精度有重要的影响。 模具型面要达到超精铣，原则上必须减小进给步距，提高主轴转速（10000转分的高速铣床）和走刀进给速度。 D、加工维数的设置：CADCAM软件一都提供了25维的NC编程加工方式。对轮廓加工常采用2维，2.5维，3维加工。对型面常采用3维,4 维，5维加工。 其中5维加工的精度最高。 E、单向、双向走刀的设置：双向走刀是常用的走刀方式，在用平底柱状螺旋铣刀加工型面时要采用单向走刀方式。 （4） NC程序的后置处理。 （5 ） NC程序的传送和执行。 4车身模具加工过程的CAQ（计算机辅助质量控制） 要进行模具加工过程的CAQ，就是要对模具加工的精度进行检测，其目的就是判定NC加工模具与数模的吻台程度，即有精确的数模，是否可以获得符合精度要求的模具，检测的方法分三步： （1）在工作站上确定数模检测点或检测断面曲线，用EUCLID3的检查模块，确定检测点及点的法矢长度，生成*.DMls数据文件。 （2）用C语言把*.DMls数据文件写进测量机CMES命令程序中，生成*.PRG自动测量程序。（3）把*.PRG自动测量程序传送给三坐标测量机控制计算机MICRO VAX，运行程序、测量机对模具型面进行自动检测，检测点严格按法向方向进给，测量结果以公差形式输出。可以判定制造误差。 三、CAD/CAM技术在家电模具制造中的应用 实例3 在电饭煲模具制造中的应用。如图12-4示的产品结构特点分析如下, 图12-4、为某公司的电饭煲简图 全套电饭煲主要如图所示四件产品的主要特点： （）四件形成一个完整的空间曲面，所以对四件产品的尺寸精度和配合精度控制严格。 （）电饭煲产品属于轻工日用品，从安全角度考虑不允许产品有刀口，故在沿口均有0.2mm的要求，过大会使整体配合和间隙过大，影响美观。 （3）中套有固定顶盖的轴孔，它与底座安装有个卡口（如图12-4中一剖面），与电源盒配合有个卡口，共需抽芯处，这增加了模具结构的难度。 （）产品表面粗糙度要求a0.04 1、模具结构设计 为了提高模具档次，满足用户要求，在模具整体设计上主要有如下要求： （）选材，采用瑞典718的镜面钢，以满足用户产品表面质量要求。 （）为了保证沿口的02.mm尺寸要求，只能在模具型芯固定板上实现，为了拼镶线不明显，只能沿型腔沿口尺寸做到0.5mm的深度。 （3）电源盒模具设计中应考虑到产品收缩不均而造成整体曲面的破坏，因而在模具设计中型腔要按图中o-o虚线范围加工，关料止口用型芯来实现。 （4）中套产品的要求与底座有个卡口及电源盖配合的轴孔，模具需开个内抽个外抽，可见模具结构的复杂。 2、采用CAD形式真三维设计 由于产品的特点要求，使用常规的加工手段和电火花加工很难确保产品的质量，浙江黄岩高力模具厂的王刚毅同志在Sunspace station 20工作站进行了真三维的CAD设计。他们集体的实施步骤和方法如下： （1）根据各剖面的数十个测点进行spline线拟合，发现有几个点的质量较差，偏移了曲线的整个趋势，故进行修正和剔除。 （2）为了确保顶盖、中套、底座的配合要求，将图12-4 J-J和M-M面的测点只作为参考；而用-和-曲线代替。 （3）电源盒的曲面直接在中套曲面上获取，确保曲面的整体性。 （4）顶盖曲面的形式根据图中-、-、-、-、-、-的拟合曲线，增加图（）个点拟合spline线（曲线A），确保曲线的最高点，按严格通过条曲线（其中-、-、-、-、-、-六条曲线必须对称切断，否则会形成扭曲的面而不能满足设计要求），通过网格面mesh surface方式拟合。 （5）中套曲面拟合在X-1的左边利用-和N-N曲线的一部分和通过图12-4中四个o点并控端点斜率方法拟合的两条spline线：（对称曲线和对称曲线），按扫描面（sweepsueface）拟合而成，而在X-12右边利用-和N-N和另一部分K-K及L-L曲线和曲线B及对称曲线进行网格曲面拟合，特别要指出这个曲线的拟合不能使用图12-4中四个点拟合的spline曲线C,并使用上下对称方式拟合；这样的面在图10-16中Q-Q范围会形成一个很小倒拨现象。（6）在底座曲面造型中由于有些曲面间几乎相切，而用户图纸要求R倒角，这不可能实现；在底座的提手处出现了尖角，如图12-5不符合安全因素，因此通过减少R1和R2达到较满意的结果。图12-5 3、加工工艺 该厂的数控铣是装备FANCU 15M 系统的KMC2000SD 三维加工中心，加工电饭煲时是该工厂刚刚步入数控时代，主要切屑刀具还是以国产优质刀具，配备少量的合金刀，在加工过程主要的特点和难点如下： （）进口718材料，是产品高光洁度要求，材料的硬度为HRC39，国产刀具切削是比较困滩的。 （）白钢刀和合金刀的切屑特点不同，而数控加工在精加工时刀具切具多在刀刃上，这样白钢刀的刀刃磨损较多，不能满足精加工要求，而合金刀刀粒的侧刃很短，不能进行大切屑深度，在程序上应注意刀路轨迹的方式。 （）产品沿口0.2mm的要求，设计拼镶的方式，切削深度控制在0.5mm，一般加工方式很难做到两个镶块和型腔本体的尺寸要求。 （）中套产品要求150mm深，由于型腔是三块镶块拼镶而成的，又要控制型腔的高度，中套的拔模斜度很小。 （）中套和电源盒的产品结构不同，成形后收缩也会不同，在电源盒加工时应用方式从中套的曲面中截取出，略比电源盒的产品大，关料靠型芯来实现，以便调整产品的变形和尺寸大小。 针对以上加工特点他们采取了相应对策： （）根据刀具的切屑要求，白钢刀比较适合粗加工和半精加工，加工方式对于硬材料不宜以横切，而采用以下向上加工比较好，顺铣能改善切屑条件，而合金刀适合横进刀、小的切屑深度、高的切屑速度，但是这样一来会造成下刀切屑比较困难，顺逆铣没有较大的区别，这样合理选择刀路轨迹，在精加工时要采用合金刀容易出现上下刀先进行粗粗加工和半精刀，采用白钢刀向下往上ZIG方式，由于白钢刀除两刃外不能过多下刀，在加工开始先用两刀或球刀直径小些，根据程序的轨迹先走几刀，保证三刃或四刃可以下刀。 （）为了做到沿口的R0.2mm，采用球刀编程，走沿口中心轨迹，然后将数据传到机床面板，采用三刃直刀磨掉刀尖成R0.2mm，进行刀径偏置（G41或G42）加工。 （3）对150mm高的中套，由于拔斜度小，开始粗加工时由白钢刀做很容易，上部出现刀柄与坯料碰上而无法加工，故先用合金刀层铣一圈往下加工；然后再采用自下往上ZIG方式。 （）取料厚的方法，而少时采用偏置面方式，复杂曲面由于偏置时可能出现扭曲的面，如本文所提的顶盖，就采用刀具补正，如需取料厚2.5mm，可以采用R20mm球刀出程序，用R25mm球刀并分型面降低2.5mm加工工件或采用加工余量-2.5mm方式出程序。 (5)如底座的提手处有一个较深小沟，编程时考虑到小刀下刀太多，可能会出现断刀现象；采用挡一个面不能下去；先切削上部然后再加工。 （6）为了保证分型面的关料口锋利，加工时让刀在分型面上走几刀然后进入型腔，这样形成快口。 通过实践表明：要高效发挥数控机床，必须做到以下几点： （1） 尽可能采用合金刀，更换刀无需对刀，精度能保证，切削速度是白钢刀的10-15倍。 （2）不同的模具行业应选用针对产品良好的软件，合理选择进刀方式也是保证合金刀真正发挥效率的前提。 （）曲面的建立尽可能皆优化，符合数学逻辑，曲面的质量对刀路的形成，避免过切都有很大的影响。 （）提高操作工的熟练程度，对编程的刀路检查、前一刀的由于大直径形成的余量正确估计，都是提高效率，减少失误的关键。 实例4 CAD/CAM技术在注塑模中的应用实例分析 以山西无线电厂的可视电话模具CAD/CAM为实例，讨论CAD/CAM技术在模具制造中的具体应用，来体现其先进性，可靠性。图12-6是在微机平台上开发的可视电话模具的CADCAM集成系统的实现框图。该系统采用先进的solidworks和SurfCAM两种软件作为技术支持，完成模具计算机辅助设计和计算机辅助制造，充分发挥了SolidWorks的3D实体造型功能以及SurfCAM软件的自动编程功能，高速、精确地加工出模具型腔。本系统通过实践证明是可行的、成功的，是适合广泛应用和推广的经济实用型CADCAM集成系统。 1、实例分析 该系统主要以SurfCAM软件作为CAD/CAM技术支持软件。SurfCAM软件是由美国Surfware软件公司开发，其硬件环境：微软Windows、NT4.0或NT3.51版；图12-6、注塑模型腔CAD/CAM流程图Windows95；486以上的奔腾机或工作站；要求至少100MB的硬盘空间，内存不少于16MB；鼠标和光驱，它是一种能够自动生成零件的toolpath（刀具路径）、自动编程生成NC代码，通过通信接口将代码传输到数控机床或加工中心上，控制机床完成模具零件的数控加工，该软件采用“图形交互式自动编程技术”，以CAD生成的零件几何信息为基础，采用人机交互对话方式在计算机屏幕上描述被加工工件的几何特征，定义相关的加工参数，由计算机进行数据处理并动态显示加工路径，仿真切削加工过程，进行切削干涉和碰撞检查，最后输出NC代码。其编程流程如图12-7所示。在实际应用过程中模具的计算机辅助制造可分为以下五个阶段： (1)、确定工艺及加工方式 SurfCAM软件具有多种NC加工操作方式：Cut操作可用于切削由一条流线型曲线定义生成的一曲面；Rough（粗加工）操作可用于沿Z轴增量方向在x、Y平面上切去大量的加工余量；FInitsh（精加工）操作可用于沿Z轴增量方向沿Z轴x、Y轮廓曲线切削材料；Planar（平面）操作可在一个复合的曲面上产生刀具路径；此外还有PILOTHOLE（导孔），Drill（钻孔），CONTOUR 3D（3D轮廓切削）等适合多种NC模式（、lV、V轴，WireEDM以及Lathe）的加工操作方式，可实现复杂零件的各种表面形状的NC加工。图12-7、图形交互式编程流程如图12-8所示是一在微机上用SolidWorks三维实体造型软件设计的可视电话屏幕主机上盖凸模的零件图，该工件结构复杂，精度要求较高，各加工表面之间有效严格的位置度和垂直度要求，工件已在铣床上完成了粗加工，经过工艺分析，采用图形交互式自动编程技术优化设计零件加工路径，确定加工中心零件加工工序如下： 1）轴加工模式，平面（Planar）加工A面，球头铣刀，刀具直径12mm； 2）轴加工模式，Z方向精加工（Finish）B面，球头铣刀，刀具直径12mm； 3）轴加工模式，平面（Planar）加工C面，球头铣刀，刀具直径12mm； 4）轴加工，平面（Planar）加工D面，球头铣刀，刀具直径12mm： 5）轴加工，平面（Planar）加工E面，球头铣刀，刀具直径12mm； 6）轴加工模式，Z方向精加工（Finish）所有侧面，球头铣刀，刀具直径8mm。图12-8、可视电话屏幕主机上盖凸模零件立体线框图 （2）、产生刀具路径 每一工步加工方式确定后，屏幕会自动弹出两个交互式图形框：刀具图形框和程序图形，选择合适的加工刀具，进行加工工艺条件设置。例如：工作平面的选择，走刀方式、速度、步长、平面公差等参数的设置，然后选择合适的切削参数（主轴转速，切削进给速度及切深等），作为输入参数生成刀具路径的INC文件。SurfCAM将一个零件各工步的刀具路径INC文件存在一个ICD文件中。ICD文件是按SurfCAM所确定的文件格式生成的工件加工控制序，一个工作全部加工过程的命令文件以及生成的刀具轨迹图形。 （3）、刀具的加工轨迹模拟显示检查SurfCAM软件设置了一个刀具加工轨迹动态模拟模块Verify，该用户窗口界面的设置对减少NC编码程序的修改过程以及实际加工操作的成本消耗是非常有意义的。Verify接受标准的NC程序，通过交互式的窗口产生一个完全的NC加工环境，在自动计算的一个实体毛坯上模拟零件的整个切削加工过程，通过不同颜色的显示可清晰地看到每个INC文件的刀具路径的实际走刀情况，在模拟过程中，使用者可选择测量工具通过测量点、距岛、厚度等各加工面的尺寸信息，在计算机上检查刀具轨迹及选刀的正确性。如果在此过程中发现不正确的加工轨迹，可重新返回其它模块检查错误并改正或改变参数，使之合理正确，从实际意义上降低了零件的制造成本。 （4）、后置处理生成NC程序 后置处理是指把刀具路径转换成NC程序的过程。本模块把刀具路径文件INC文件通过SurfCAM的通用后置处理器生成机床的NC代码。SurfCAM软件配置两个通用后置处理软件包：一个是Spost，它包括两个后置处理器SpostM.EXE和SpostL.EXE，前者可生成适合铣床和电火花数控机床的NC代码，后者可生成适用于数控车床的数控加工程序。另一个软件包包括三个后置处理器MpostWIN.EXELpost.WIN.EXEEpostWIN.EXE，分别可生成数控铣床、车床、电火花的NC代码。本模块中要定义机床的种类和坐标系，还要进行更重要的G代码选择，M代码选择以及其它NC程序语言标准的选择。通过SurfCAM通用后置处理软件包可生成适合于国内外几十种不同厂家生产的各类数控机床或加工中心的NC代码。 （5）数据通信及NC力工 数控代码自动生成后，经仿真验证无问题后，既可向数控机床传送NC代码，传统的数控程序是用穿孔纸带通过光电阅读机输入到数控机床上，这样不仅加工成本高而且传送环节多，速度慢，容易出错。本系统通过一般数控机床和微机都具有的RS-232-C异步串行口，实现微机与加工中心的直接通信。 利用SurfCAM软件的SDNC系统，通过设置微机与加工中心的传输参数：接口号；波特率；校验；传输位；停止位；代码标准等将微机的数控代码直接发送给数控机床，从而实现微机与加工中心之间的数据通信，进而控制机床完成零件的切削加工。 实例5 注塑模型腔CAD/CAM一体化的实现 本实例是选择了曲面要求越来越复杂的注塑模型腔为对象，进行了CAD/CAM技术的应用研究工作，并成功地在微机上利用MasterCAM、SurfCAM等软件实现了模具的从几何设计到加工制造的CAD/CAM一体化。 一般注塑模型腔的CAD/CAM过程如图12-9所示。下面将从型腔几何造型设计、刀具路径及NC程序生成、数据通信等几个方面进行详细讨论。 1、型腔几何造型设计 曲线曲面的几何造型设计是注塑模具型腔CAD/CAM的基础。在进行该项工作之前，应对型腔型面的特征进行透彻理解，选用合理的曲线面类型与造型方法，以使构造出来的曲面符合实际要求。（1）、曲线的几何造型设计与处理 曲线的几何造型设计与处理的目的是为了构造型腔的曲面边界，它是后续曲面造型设计与处理的基础和前提。曲线的几何造型设计与处理过程是：通过画直线、画面弧及圆、画椭圆、画B样条曲线，画NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)曲线的方法生成基本线框几何元素，然后对所得的线框几何元素进行各种造型处理，如修剪、倒圆、打断、连接、延伸、偏移和平移等手段以最终生成所需的型腔曲面边界。曲线的造型设计中，构造生成自由曲线是其中的难点，也是传统设计方法所难以达到的。其具体方法是：先通过一定的解析式计算或样品测量得到一系列的型值点，然后选取这些型值点用B-Spline或NURBS曲线的功能进行拟合得到。 （2）、曲面的几何造型设计与处理 注塑模型腔通常设计成各种复杂的曲面，而这些曲面的形状及特性各不相同，变化多样，必须采用合适的曲面造型方法来构造它们，常用的方法有如下五种：旋转曲面，直纹曲面，扫描曲面(其中包括牵引曲面)，孔斯曲面，举升曲面。旋转曲面是型腔型面中常见的一种(如球面、锥面等)，也是一种较简单的曲面，它的构造要点是注意按实际要求生成正确的线框几何元素然后确定旋转轴。直纹面也是型腔面中较常见的一种曲面，它的造型要点是按实际型面的要求生成所需的V向等参数线(即直纹面的直线方向)。扫描曲面是型腔型面中最常见的一种曲面，它由发生曲线沿方向控制曲线运动变化而生成。这种曲面的造型要点是：仔细分析曲面应由哪几条曲线组成及确定各曲线间的运动关系，以便选择合理的运动方式构造曲面；合理地选择主方向控制线、方向控制线及发生曲线，使所选的曲线能够很好地满足曲面造型需要。Coons曲面是复杂型腔型面中最常见的一种曲面，它的构造方式灵活方便，在型腔曲面造型中具有很重要的地位。Coons曲面造型的要点是：根据实际型面要求定义合理的曲面边界曲线。合理选择主控制方向曲线和发生曲线。举升曲面在型腔型面中出现的机会较少，而在型芯、电极型面中稍多些，其造型处理要点是依次选择各截断面外形作为发生线，再选取各外形两端点生成线作为主控制方向曲线。曲面造型处理有如下几种方法：曲面圆弧过渡处理；曲面修养处理；曲面光顺处理。 2、刀具路径及NC程序生成 在型腔CAD/CAM的实践过程中，曲线曲面造型与数控刀具路径的生成是实施型腔CAD/CAM的两个关键。曲线曲面造型是刀具路径生成的基础，而型腔加工的准确性只能在生成合理的刀具路径前提下才能保证。对于有凸有凹及弧岛的自由曲面加工，若采用平头刀进行加工，则在曲面的凹部位及曲面上凸凹之间的部位可能会发生过切。因此，为达到较理想的加工精度，一般采用球头刀加工且选择直径合理的球头刀如图12-10示。图12-10 球头刀中心轨迹 （1）、用球头铣刀、行切法加工自由曲面的刀具轨迹计算 假设曲面点的坐标为(Xp,Yp,Zp)，此点的法向量为 =(Ap,Bp,Cp),设球头刀的半径为R，球头刀在加工过程中始终与曲面相切，如图10-18所示。刀具在切削此点时的中心轨迹坐标为： Xc=Xp+Rcos （10-1） Yc=Yp+Rcos （10-2） Zc=Zp+Rcos （10-3）其中：cos=Ap/t, cos=Bp/t, cos=Cp/t, 随着(Xp,Yp,Zp)在曲面上按之字形移动，则刀具球头的球心按一定的轨迹移动。加工时，球心按这条轨迹移动，加工出我们所设计的曲面形状。 （2）、刀具路径生成及检查 选择合适的加工刀具，确定各轴的切削容差，选择走刀方式及切削方向后，再确定残留高度，主从方向的切削步距及安全高度(主轴原点与进刀点间的高度)，然后选取合适的切削参数 (主轴转速、切削进给速度及切深等)，以此作为输入参数，生成刀具路径文件(NCI文件)。NCI文件生成后应进行模拟显示，看其是否光顺，如有不合理的波折，应将其去除，然后再进行后置处理。 （3）、NC程序的生成及校验 后置处理是指刀具路径转换成NC程序的过程，NCI文件必须经后置处理程序转换成NC文件才能被数控系统所接受。本例所用的数控系统是日本FANUC系统和意大利Fidia系统。针对这两种CNC系统，编制了相应的后置处理文本文件FANUC.PST和FIDIA.PST，经实践检验，它们能满足相应CNC系统的要求。 经后置处理产生的NCA程序并不能马上传输给数控机床执行，必须进行检查，以避免出现错切、漏切、打刀等，保证模具的加工质量，确保机床和操作人员的人身安全。检查的主要内容有：格式是否正确，G、M代码是否正确，安全高度是否合适，切削参数是否有错， X、Y、Z的坐标值特别是正负号是否正确，程序的总数目有多大。 3、数据通信及NC加工 通过后置处理程序产生的NC程序存储在计算机的硬盘上，必须传输到机床CNC系统的程序存储器才能用来控制数控机床的切削加工。我们采用通用的RS-232-C接口来实现微机与数控铣床及加工中心的通信。 微机与加工中心FANUC系统的传输参数是：接口号：COM1；波特率：4800；校验：奇(odd);传输位：8；停止位：1；代码标准：BIA。 实验已证明：在两台586微机系统上，以MasterCAM、SurfCAM等软件为基础，选择符合实际型腔形状要求的曲线曲面造型设计与处理方法，再产生刀具路径，经后置处理生成NC程序，然后经RS-232-C通用接口与机床CNC系统通信，达到微机与数控机床的直接数控，从而实现了注塑模型腔从几何设计到加工制造的CAD/CAM一体化，成功地加工出了电饭煲面盖型腔及分体空调面板模型腔等实际产品。 通过此CAD/CAM系统的研究与实践，主要取得了以下成果： (1)以往经手工编程无法解决的自由曲线曲面编程问题，通过计算机辅助几何设计(GAGD)的自由曲线曲面造型设计与处理得到了完好解决，而且速度快、质量高。 (2)通过微机与机床的直接数控加工，节省了时间，减少了不必要的人工干预，提高了工效。除工件安装和对刀外，可以不再需要专门的机床操作人员操作。CAD/CAM一体化的实现，使模具型腔设计制造的效率提高了约3-5倍。 四、Pro/Engineer 软件在模具工业中的应用 实例6 在铸造模具开发中的应用1、系统配置及三维建模 对于型面十分复杂、带有多处圆滑过渡及圆弧面的铸造模具来说,采用传统的二维工程图设计和仿型加工是难以符合要求的,二维工程图表达零件三维信息的局限性,以及复杂型面的精确加工都是制约这类铸造模具开发的瓶颈。为配合ZF配套件国产化,完成精度要求较高的铸件生产,本例采用先进的三维CAD/CAM/CAE工程软件对其中10种复杂型面的铸件进行铸造模具的开发,以此解决传统设计和制造存在的问题。如图12-11所示。为保证开发成功,必须选用技术成熟、功能较强、使用维护方便的通用工程软件,目前彩的是Pro/ENGINEER (以下简称Pro/E)。为加快开发进度,配备了一台高性能的HP715工作站、三台Pentiunt Pro 的HP微机的四台Pentium微机,安装Window NT操作系统,全部的计算机联网以便工作联系和模型传递,辅以HPDesignJet600绘图仪和Inte CAD工程绘图软件,构成合理完整的铸造模具开发环境。 建立零件设计模型。Pro/E中提供了十分丰富的特征类型,这些特征是零件建立的结构单元,它们以一定的逻辑次序合并在一起,新建立的特征以前面建立的特征为尺寸和几何图形基准,这样相关特征之间就建立了“父子关系”。当父特征改变时,子特征自动相应父特征的有关变化而重新生成。零件造型任务是将一个复杂设计由特征合成零件,由零件合成子装配并最终建立完整的装配体。这个过程也可以以自顶向下的方式进行,即由最终的装配体逐步分解,分解成子装配,进而零件,进而特征。这是目前最先进和实用的零件造型概念。图12-12 建立产品零件的三维设计模型 在铸造模具开发前,首先必须建立铸造产品零件的三维设计模型。设计模型是铸造工艺设计、模具设计、零件制造的基础模型,关系到铸造模具开发的成败,项目组经过二周的软件强化培训,开始建立10种铸造产品的设计模型,在建立过程中充分运用Pro/E软件强大的实体造型和曲面造型功能,即丰富的特征类型,将ZF提供的二维工程图信息,在Pro/E软件中建立产品零件的三维设计模型。为确认设计模型的正确性,除在软件中检查尺寸外,还将设计模型转化为与原图比例及投影构图一致的二维工程图并绘成底图,然后将底图蒙在原图上逐一进行视图的比并在设计模型中修改直至完全正确无误。如图12-20所示。 2、铸造工艺及模具设计 （1）、计算机辅助铸造工艺设计 目前计算机辅助铸造工艺设计是铸造行业急需推广应用的新技术,在该项目中我们首次采用Pro/E工程软件中CASTING模块进行计算机辅助铸造工艺设计,采用Pro/CASTING进行铸造模型工艺设计流程如图12-13所示。 建立铸造模型。建立铸造模型并将设计模型装配到其中,当设计模型装入铸造模型,即作为一个参考模型被替代了。参考模型是设计模型的一个拷贝,它们之间建立了一个关联关系。如图12-14所示。图12-14 铸造模型装配图 确定参考模型的最优开模方向和附加拔模斜度的区域。这可通过检查参考模型的拔模斜度来决定一个最优开模方向,根据工艺需要,给参考模型增加拔模斜度及圆角。 生成参考模型的人模线和铸造模型的分模面。分模线是一种铸造特征,用于确定分模面的位置。 设置参考模型的缩水率。为整个模型设置不同方向的缩水率,也可为个别尺寸设定缩水率。 铸造模型特征操作。填补加工孔、设计砂芯、增加流道浇冒口等特征、装配或生成砂型砂芯,沿分模面分离砂型砂芯、定义开模步骤,还可以检查干涉并对模型进行必要的修改。 生成铸造结果零件和检查结果零件的壁厚、形状及缺陷,并进行必要的修改。 生成砂型和砂芯以及生成铸造工艺图。命名上下砂型和砂芯,并存储作为铸造工艺设计的输出。由铸造模型生成二维工艺图并输出作为生产用图。采用计算机辅助铸造工艺设计开发铸造模具与传统设计方法一样都是基于铸造工艺及设计模型。工艺确定在铸造工艺设计中是至关重要的。工艺包括开模方向、拔模斜度、分模线分模面、缩水率以及浇注系统生产工艺流程。工艺选择得准确、合适,不仅铸件尺寸(形状)精确,而且制芯、下芯、合箱都很方便,不仅提高生产率,也降低成本。根据ZF铸件较高精度要求和柳工生产情况,我们采用具有国际先进水平的IMF树脂砂流水线和L40/L10射芯机进行生产,并对浇注系统进行设计革新,用完全开放式浇注系统取代了封闭式浇注系统,截面系统比例为: F直: F横: F内 =1: 1.2: 1.4,并在浇注系统中放置了FOSECO公司的泡沫陶瓷过滤网和保温冒口。这种浇注系统的突出优点是: 消除紊流和渣孔,减小砂铁比和内部缺陷,充型平稳,缩短浇注时间。采用计算机辅助铸造工艺设计解决了传统设计方法的许多缺陷,给传统的铸造工艺设计注入了活力。 缩短铸造工艺设计周期。传统设计需1至2周完成,而计算机辅助铸造工艺设计可以在1周内完成,仅此缩短50%的工艺设计周期。 减少工艺设计过程的错误。计算机辅助铸造工艺设计可模仿生产操作,将砂型、砂芯组合装配在一起,利用软件分析功能进行起模干涉检查,同时检查给定的工艺参数,并能立即作出修改,使错误在工艺设计过程中得到及时纠正而不致影响模具设计和铸件生产。 砂型砂芯与零件设计模型的高度统一。根据不同的需要提取零件设计模型的不同型面轮廊生成砂型砂芯,使砂型砂芯与零件设计模型的特征绝对一致,减少校核与查对的时间,为此后的模具设计的正确性提供了保证。 2. 计算机辅助模具设计图12-16 模具装配图在完成铸造工艺设计之后,将生成的砂型和砂芯通过网络传输分配给模具设计人员,采用Pro/E工程软件的PARTT ASSEMBLY等模块完成上下外模和芯盒模具的设计。流程如图12-15所示。首先建立砂型或砂芯的模具装配体。将砂型或砂芯作为首个装配件放入模具装配体中,在此后添加的外模和芯盒零部件以此为特征参考约束。如图12-16所示。 (2)其次设计外模和芯盒零部件。根据一定的顺序,以及使用的射芯机和生产线安装定位尺寸要求,设计外模和芯盒零部件。在设计过程中充分考虑到模具使用过程的可操作性以及零件的结构和加工艺性。生成外模和芯盒主模零件型面。形成砂型或砂芯的零件称主模零件,主模零件型面生成是模具设计中关键环节,用传统设计方法难以描述和表达,利用Pro/E较强的高级特征功能和拓扑运算是生成外模和芯盒主模零件型面的主要方法,如图12-17所示。图12-17 生成模具主模零件图生成外模和芯盒模具的二维工程图。采用Pro/E工 程 软 件 的DRAWING 模式将三维模具零部件转成二维工程图,包括装配明细表、标准件采购单等,以便安排加工和采购。采用计算机辅助模具设计对这10种铸件按照工艺要求设计了36套模具,其中20套外模和16套芯盒,共计315种589个零件,其中171个为主模零件。计算机辅助模具设计的应用大大缩短了设计周期,用2个月时间就完成了采用传统设计方法需6个月的工作,而且错误极少,这主要得益于Pro/E工程软件丰富的特征造型功能和直观清晰的表示,使设计人员的设计意图很快转化成为设计模型,在设计模型中进行任意修改、仿真、着色、模拟装配等操作,并以快捷的速度输出加工所用的设计蓝图。 3、计算机辅助模具复杂型面零件的制造 铸造模具制造的核心在于复杂型面零件的加工,主要集中在带有圆滑过渡型面的主模零件这一类型。目前模具制造商大都采用手工制、仿形加工或在数控机床手工编程加工等方式来完成,其制造周期长,受人为因素影响较大,模具精度也较难保证且成本费用较高,直接影响新产品的开发成本和生产周期。柳工采用CAM完成模具复杂型面零件的加工,即使用Pro/E工程软件MFG模块和加工中心(FP50CCT)来完成。流程如图12-18所示。Pro/E软件的MFG模块可以对铸造模具复杂型面零件进行模拟加工,调整加工的各种参数以控制零件的精度及表面粗糙,输出刀轨