基于CADCAM的电动剃须刀工艺造型与数控加工毕业论文.doc

南京工程学院 工业中心 本科毕业设计（论文）题目： 基于CAD/CAM的电动剃须刀 工艺造型与数控加工 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D数103 学 号： 231100316 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： 摘 要 UG NX是当前先进的面向制造业的CAD/CAM/CAE高端软件之一。它集设计、分析和制造等功能于一体，为工程技术人员提供了丰富的三维图形资源库，可以用于机械制造领域的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等方面。本文主要论述了电动剃须刀零件的三维设计与数控仿真加工，利用UG NX的modeling模块实现了零件的三维设计，利用manufacturing模块实现了零件的数控仿真并生成了NC仿真程序，很好地利用了UG NX软件CAD/CAM功能实现集成的特点，在对零件实际加工前进行仿真，提前发生干涉和过切问题及时调整，提高了效率，降低了次品率。此外，本文还介绍了数控车床和加工中心的使用方法以及在加工过程中的注意事项等，分析了如何根据零件的几何形状特点设计加工工艺和操作步骤，以及操作过程中的相关参数选择。实践证明，在数控加工中，根据零件的不同部位的技术要求，合理安排不同的加工工艺，设置合理的加工参数，选择合理的加工刀具，不仅可以提高加工效率，保证质量，而且还减少工具损耗。关键词：计算机辅助设计；电动剃须刀；数控加工；数控代码ABSTRACT The UG NX is current advanced one of face to a manufacturing industry of the CAD/CAM/CAE high level software. It integrated the design, analysis and manufacturing function as a whole, and provided abundant 3D sketch resources database for the engineering technical personnel. Can used for machine manufacturing realm about computer aided design, computer aided analyze, computer aided manufacturing and so on.This text mainly introduces 3D design and NC imitate machining of the Electric shaver, the 3D modeling of the part is completed in the modeling function of UG NX, the NC imitate machining and simulation of the part is performed in the manufacturing function of UG. By use of the specialty of CAD/CAM integrated of UG NX, the course of machining can be simulated before the part is machining actually, some problem can be found and rectified in time, the efficiency is enhanced and the rate of waster is reduced.In addition, this text still emphatically introduced the operation method on the numerical control lathe and machining center, and regulation during the period of process and so on, analyze how according to spare parts of several shape the characteristics designs process the craft and the operation step, and operate the related parameter choice in the process. Practice a certificate, in the number control process, according to the technique request of different part of the spare parts, the reasonable arrangement processes a craft differently, establishing reasonable of process parameter, choose reasonable of process knife to have, not only can raise to process an efficiency, promise quality, and still reduce tool to exhaust.Key words: computer aided design; Electric shaver; numerical control manufacturing; numerical control code目 录第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2 国内外CAD/CAM技术的发展趋势1 1.2.1 CAD/CAM技术的历史与发展趋势1 1.2.2 中国CAD/CAM技术的发展2 1.3 选题背景与主要研究内容2 1.3.1 选题背景、目的及意义2 1.3.2 本课题的主要工作3 1.4 本文结构3第二章 Unigraphics软件介绍4 2.1 UG软件的特点4 2.2 UG各功能模块简介5 2.3 UG的功能和技术特性6 2.3.1 UG的功能6 2.3.2 UG的技术特性6第三章 基于UG的电动剃须刀造型设计83.1 CAD技术的概述83.2 课题数据来源83.3 UG软件建模83.4 UG建模分析163.5 UG建模经验总结16第四章 数控加工工艺设计184.1 数控加工工艺特点18 4.2 数控加工工艺分析184.3 数控加工工艺路线设计184.4 数控加工工序的设计194.5 电动剃须刀的数控加工工艺194.5.1 数控车床工艺分析194.5.2 加工中心工艺分析21第五章 基于UG的电动剃须刀虚拟加工235.1 CAM 技术的概述235.2 平面铣和固定轴曲面轮廓铣加工技术245.2.1 平面铣的概述24 5.2.2 平面铣的特点24 5.2.3 固定轴曲面轮廓铣的概述245.2.4 固定轴曲面轮廓铣的特点245.2.5 电动剃须刀刻字虚拟加工245.2.6 电动剃须刀圆周刻花虚拟加工24第六章 数控机床加工316.1 数控机床简介316.1.1 数控机床的发展31 6.1.2 数控机床的控制结构32 6.2 数控加工的基本原理326.3 电动剃须刀外形的数控程序编制33 6.3.1 数控编程技术及其发展336.3.2 数控编程的基本概念336.3.3 数控编程的方法336.4 电动剃须刀外形的数控车床加工356.5 电动剃须刀底面刻字加工386.6 电动剃须刀圆周面刻花加工41第七章 结论42 7.1 总结42 7.2 感想43致谢44参考文献45附录A：英文资料46附录B：英文资料翻译53附录C：电动剃须刀的工程图58附录D：电动剃须刀底面刻字加工程序59附录E：电动剃须刀周面刻花加工程序91附录F：毕业论文光盘资料170第一章  绪论1.1 引言 我国制造业正面临着市场全球化、经济一体化，处于竞争战略不断升级，相应的制造理念和制造模式不断创新的时期，先后出现了柔性制造、集成制造、敏捷制造、智能制造以及其他各种先进制造理念和模式。企业不得不面向低成本化、高品质化、交货期缩短化、直接成型化的挑战。 另一方面，由于计算机技术日新月异的发展，PC机的性能已完全赶上甚至超过早期工作站的性能，促进了CAD/CAM技术的晋级。同时，数控技术、计算机技术的发展，在数控加工、模具加工的现场很多都引入了计算机，从过去的劳动密集型向技术、信息密集型产业转化。而数控加工、CAD/CAM是支撑现代制造业的基础1.2 国内外CAD/CAM技术的发展趋势 1.2.1 CAD/CAM技术的历史与发展趋势 CAD/CAM技术是近40年来迅速发展起来的一门新兴的综合计算机应用系统技术,经历了形成、发展、提高和集成化四个阶段。 二十世纪五十年代初，卓有远见的工程师们就觉察到计算机的巨大潜力，开始试验用计算机来帮助人们做设计工作。早期的计算机只是用来作工程计算的数值分析。随着字符显示器的出现，1952年在MIT诞生了第一台计算机绘图系统。当时采用的是电子管计算机，用机器语言编程，配置的图形设备仅是自动绘图机，CAD技术仅是一种被动的辅助设计技术。 1963年，美国MIT的林肯实验室首先提出了“计算机图形学”、“人机通信”、“交互式计算机图形系统”的思想。汽车、航空等部门用计算机辅助几何造型技术，又使CAD/CAM技术得到了纵深发展。 70年代初，美国Applincon公司开发了第一个完整的CAD系统。70年代后期光栅显示器、手动游标、图形输入板等图形输入设备的出现，使得CAD技术进入了实用阶段。 从80年代开始，超大规模集成电路技术获得了极大发展，微处理器及存储器件得到了改进。工程工作站的问世，使CAD技术取得了迅猛发展，并且80年代中期以后，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。产品数据技术标准化成为CAD/CAM技术的主要发展方向。 90年代可以称其为第三代CAD/CAM技术。就其特点来说，主要有：基于征参数化建模技术、日趋完善的数据交换规范、先进的网络互联技术、CAX相关性的高度集成、先进实用的三维设计等。 目前，就国外CAD/CAM技术的发展趋势来说，主要是建立在开放式、分布式工作站网络上的CAD/CAM集成化系统。在国际市场上仍然是美国的几家著名的大公司占据着CAD技术的主要市场，如IBM、Computer Vision、EDS/Unigraphics、Autodesk、PTC/Proengineer等。1.2.2 中国CAD/CAM技术的发展 中国CAD技术起步于60年代末期,当时只有少数几个产业部门(如机械、航空、船舶等)和几所高等院校开始研究CAD技术。经过20多年的努力，特别是“七.五”和“八.五”期间的攻关，中国CAD技术在硬件生产，支撑软件的开发、应用软件的开发和应用、基地建设和人才培训方面，都取得了较大的进展，总体上经过了70年代初期的成形、80年代CAD/CAM技术的推广应用和90年代追赶世界潮流几个阶段。但是我们与世界先进水平仍然有相当的差距。 就目前的情况来看，我国尚未形成能与国际竞争的CAD/CAM系统。可以说我国的CAD/CAM软件系统的研制与发展仍然处于较低的水平，因此，当务之急是应该迅速提高我国的CAD/CAM技术水平，做好专业技术人员的培训工作，研制开发拥有自主版权的，适合我国国情的CAD/CAM系统，使之在国民生产中发挥重要作用。1.3 选题背景与主要研究内容 1.3.1 选题背景、目的及意义 快速、高质量的产品零件设计、模具设计是快速制造的基础。这里所说的设计不是传统意义上的设计，是贯穿整个过程的三维及二维数字传递。在局域网上，由设计人员用计算机进行三维设计、分析、辅助制造，进行直接的数字传递，最终传送的数控机床，如加工中心、数控车、精密数控线切割机，这样既避免了数据交换的错误，又减少了重复劳动和技术准备时间。 UG NX就是这样一个大型的CAD/CAE/CAM集成化软件，其功能强大，内容丰富，具有设计、分析、加工等功能，在航空、航天、汽车、模具、家电等领域十分广泛。在本课题的设计研究中，采用的主要支撑软件就是美国UGS公司的3D软件Unigraphics Solutions（简称UG）。由于全部设计工作都是在计算机上进行的，故本课题定名为“基于CAD/CAM的烟灰缸工艺造型与数控加工”。 本次毕业设计是对UG软件的三维实体造型在产品设计中的应用进行了研究，介绍了烟灰缸从零件的造型设计到加工制造的过程和步骤、介绍了如何根据零件几何形状设计加工工艺，以及加工过程中各参数的选择。其研究意义如下：1、通过对电动剃须刀在设计过程中充分应用UG软件进行三维实体建模，掌握了如何利用UG软件在建模模块中实现零件的三维设计以及如何利用加工模块实现零件的数控仿真加工并生成仿真程序。 2、通过对电动剃须刀的设计与制造，不仅掌握了数控编程技术、数控机床的使用方法和操作步骤，以及在加工过程中机床参数的设置等，同时也培养了我们的动手能力和独立思考能力。 3、通过毕业设计，还可以综合我们所学的知识去分析，解决一个问题，在做毕业设计论文的过程中，使所学知识得到梳理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼，使我们的动手能力，动笔能力也得到了充分的锻炼，增强了我们即将跨入社会的竞争和去创造的自信心。 1.3.2 本课题的主要工作 1、熟悉UG软件； 2、用UG软件绘制出烟灰缸模型； 3、电动剃须刀技术工艺分析； 4、用Mastecam软件完成烟灰缸模型的虚拟制造； 5、在数控车床、加工中心上实现电动剃须刀模型的数控加工。 1.4 本文结构    本文以电动剃须刀的工艺造型和数控加工为研究背景，对UG和Mastercam软件的CAD/CAM功能进行研究与分析。全文共分七章，各章的具体内容如下： 第一章 简单介绍了CAD/CAM的发展趋势和本课题的研究背景 第二章 简单介绍了UG软件的功能和特点。 第三章 以电动剃须刀的造型设计为例，详细地介绍了UG软件的CAD功能，讲解了建模的一般步骤和操作方法。 第四章 详细介绍了数控加工工艺设计方面的知识，讲解了数控车床和加工中心的加工工艺。 第五章 以电动剃须刀的虚拟加工为例，详细地介绍了mastercam软件的CAM功能，讲解了刀具的创建、几何体和加工区域的创建等知识。 第六章  电动剃须刀模型的数控加工。 第七章 总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步的研究方向。第二章  Unigraphics软件介绍  UG（Unigraphics）是Unigraphics Solutions（简称UGS）公司推出的集CAD/CAE/CAM为一体的三维机械设计平台，也是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于航空航天、汽车、造船等领域。UG是一个交互式的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和计算机辅助制造（CAM）系统。它具备了当今机械加工领域所需的大多数工程设计和制图功能。UG是一个全三维、双精度的造型系统，使用户能够比较精确地描述任何几何形体，通过对这些形体的组合，就可以对产品进行设计、分析和制图。 2.1 UG软件的特点 UG软件是以Parasolid为核心的工业设计软件包,包括一个灵活的复合建模模块以及功能强大的逼真照相的渲染、动画和快速的原型工具,复合建模让用户在下例建模方法中选择:实体建模（solid）、曲面建模(surface)、线框建模 (wireframe)和基于特征的参数建模.其特点是:      l、具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CAM等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程。 2、采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。 3、用基于特征（如孔、凸台、型胶、槽沟、倒角等）的建模和编辑方法作为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。 4、曲面设计采用非均匀有理B样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面，特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 5、出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。能按ISO标准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等。并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖等各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。 6、以Parasolid为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名CAD/CAE/CAM软件均以此作为实体造型基础。 7、提供了界面良好的二次开发工具GRIP（GRAPHICAL INTERACTIVE PROGRAMING）和UFUNC（USER FUNCTION），并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 8、具有良好的用户介面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作时，具有自动推理功能；同时，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。  2.2 UG各功能模块简介 UG软件作为一个软件包,包含了许多功能模块,而UGS公司实行的是完整的可升级的产品路线,为各层次用户优化产品路线,因而,一个公司可以在需要时以最合适的价格购置或租用仅仅是它需要的那些模块,而不需要投入过多的资金在一些不必要的模块上。以下是其部分主要的功能模块： 1、基本环境 这是所有其他应用模块的公共运行平台,是启动UG后自动运行的第一个模块。在该模块下可以打开已经存在的部件文件，可以新建部件文件，可以改变显示部件，可以分析部件，可以启动在线帮助，可以输出图纸，可以执行外部程序等。 2、建模 这是产品的三维造型模块。利用该模块，设计师可以自由地表达设计思想和创造性的改进设计。UG软件所擅长的特征建模、曲线功能和曲面功能在该模块中得到了充分体现，人性化的设计环境可以帮助设计师将主要精力放到产品设计上，灵活而又易于理解的工具不仅可以提高造型速度，而且可以减少用于熟悉软件的时间。 3、工程制图 这是制作平面工程图模块.利用该模块可以实现制作平面工程图的所有功能,既可以从已经建立的产品三维建模自动生成平面工程图,也可以利用其曲线功能直接绘制平面工程图。当然,如果用UG直接绘制产品的平面工程图，则失去了用UG开发产品的意义，并且其速度和效果与AutoCAD软件比起来也不见得好到哪里去。 4、装配 这是产品装配建模模块。利用该模块可以进行产品的虚拟装配。该模块支持“自顶向下”和“自底向上”的装配方法，可以快速跨越装配层来直接访问任何组件或子装配图的设计模型；支持装配过程中的“上下文设计”方法，从而在装配模块中可以改变组件的设计模型。 5、加工 这是产品加工模块。UG /加工包括UG/CAM Base(CAM基础)、UG/Planner Milling(平面铣)、UG/Lathe(车加工)、UG/Cavity Milling(型腔铣)、UG/Surface Milling(曲面铣)、UG/Sequential Milling(顺序铣)、UG/Fixted Conentour Milling(固定轴铣)、UG/Wire EDM (线切割)、UG/Postprocessing(后置处理)等模块。 UG 的加工模块是现有各种CAD/CAM软件中功能最强之一。可以生成复杂的3-5轴联动的刀具路径，如同所有UG模块一样，设计的变更将自动地处理，以确保CAD/CAM 的一致性，从而使昂贵的试切大大减少，并使一般管理费用、产品设计到市场的周期以及质量都大大改善。不仅如此比其它系统更加优越之处在于，所有能够造型出来的实体和曲面，实际上都能加工出来。加工参数，如进给率、转速可以立即存取。这些参数在用户更改之前一直保持原来状态。在任何时候，用户可以调用刀具路径和图形显示来试验加工参数，可在屏幕上用图形仿真刀具路径，并生成文本文件，输出刀位原文件(CLSF) 2.3 UG的功能和技术特性 2.3.1 UG的功能 UG的功能非常强大,涉及到平面工程制图、三维造型、结构分析、制造、渲染和动画仿真、模拟加工等。CAD功能实现了目前制造业行业中常规的常规设计和绘图的自动化；CAE功能能够进行有限元分析、静力学分析、动力学分析；CAM功能则为数控机床提供NC编程技术。同时它还提供一整套CAD/CAE/CAM业界最先进的二次开发工具集，为不同的用户提供相应的开发工具，去定制UG使它满足一个企业的具体需求。 UG软件解决方案的目标是： 1、减少产品上市时间，实现产品创新； 2、减少成本；  3、获取和在使用知识。 2.3.2 UG的技术特性 UG 是一个针对企业范围,技术领先的CAD/CAE/CAM软件解决方案。 1、集成化的产品开发 UG 是一个完全集成的CAD/CAE/CAM软件集，它致力于从概念设计到工程分析到制造的整个产品开发过程。 2、相关性 通过应用主模型方法，使得从设计到制造的所有应用保持相关性和参数化。在特征间、组件间以及各应用间具有相关性。具体地说，在一个部件中，某一个特征的参数变化将引起相关特征的变化；在装配中，其中一个部件的变化能够反应的相关部件；CAD模型中的变化能够应用到CAM应用中。 所谓的参数化是指模型的变量驱动的。 主模型（三维几何体）应该是按需要可变的，因此必须选择正确的建模方法。 3、并行协作 通过使用主模型，产品数据管理PDM，产品可视化PV以及运用INTERNET技术，支持扩展企业范围的并行协作。 4、基于知识的工程 用知识驱动的自动化，UG解决了这样获取、在使用和运用累积在制造产品中的知识，包括过程知识和人的知识。 5、客户化 UG 提供CAD/CAE/CAM业界最先进的编程工具集，去定制UG和裁编它以满足一个企业的需求。第三章 基于UG 的剃须刀的造型设计3.1 CAD技术的概述 利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。3.2 课题数据来源数据的合理性不仅关系到剃须刀的造型也关系到美观效果，同时也会影响到零件的加工方法和毕业设计的进度和工作，因此这是毕业设计的整个核心部分。我们可以通过实体建模，借助于测量工具，如直尺、游标卡尺等来获得数据，但这远远还不够，为了解决普通剃须刀的单调性，我们可以在其基础上进行创新，例如刻字刻画，然后通过UG软件进行试绘制，并将这些数据记录下来，最后通过比较，寻求最优目标，如下图就我的整个烟灰缸的整个外观图和设计来源。3.3 UG软件建模 随着国民经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，产品的外形艺术效果越来越受到消费者的重视。其造型的新颖性、使用的方便性以及功能的齐备性往往是决定性的因素。设计并制造出造型美观、结构简单、经济实用性强的剃须刀是本次毕业设计的目标。在确定选用UG软件作为剃须刀设计与制造的平台后，即可按下叙步骤开始具体工作: 1、创建草图工作平面 首先进入UG软件环境，建立一个新文件并进入应用/建模模块；接着选择插入/草图命令或单击工具栏中按钮，系统将在视图区的左上方弹出草图快捷工具条，同时UG窗口变为如图3.1所示。利用该功能可在工作坐标平面、基准平面、实体表面或片体表面上建立草图工作面。最后选择平面后单击草图快捷工具条中的按钮，系统将生成如图1所示的草图平面。此时创建的草图名称默认为“SKETCH_000”。2、创建草图对象 草图对象是指草图中的曲线和点。建立草图后，可在草图工作平面上建立草图对象。建立草图对象的方法有多种，即可以在草图中直接绘制草图曲线或点，也可以添加绘图工作区存在的曲线或点到草图中，还可以从实体或片体上抽取对象到草图中。在本次剃须刀造型设计中，主要采用在草图中直接绘制草图曲线或点。 利用草图曲线工具栏，可在草图中直接绘制草图曲线或点，包括轮廓曲线、直线、弧、圆、倒圆角、巨形、样条曲线、点、偏置曲线、快速裁剪和快速延伸，其中有些功能较简单，在此只介绍其中的一部分，部分功能如下：