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1、UG 造型设计 模拟加工摘 要使用UG软件的Model模块完成产品的三维造型设计，并使用UG的Manufacture模块对其进行了数控模拟加工。关键词： UG 造型设计 模拟加工目 录第一章 绪论 11-1 CAD/CAM与数字化制造 11-2 CAD/CAM软件介绍 21-3 CAD/CAM系统的功能使用方法及应用过程 31-4 实训主要内容 3第二章 基于UG的三维造型设计 52-1几何造型技术 52-2 结构形状分析与造型思路 52-3 三维造型设计 5第三章 基于UG的的数控模拟加工133-1 CAM编程的一般步骤133-1工艺方案分析133-2 建立主模型153-3 创建毛坯163-
2、4创建刀具、方法和几何体父节点组133-5 创建刀具轨迹153-6操作的组织管理163-7生成车间工艺文件13第四章 实训体会774-1 体会 774-2 致谢 79参考文献 82第一章 绪论1-1 CAD/CAM与数字化制造CAD/CAM（计算机辅助设计及制造）与PDM（产品数据管理）构成了一个现代制造型企业计算机应用的主干。对于制造行业，设计、制造水平和产品的质量、成本及生产周期息息相关。人工设计、单件生产这种传统的设计与制造方式已无法适应工业发展的要求。采用CAD/CAM的技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点。CAD技术的首要任务是为产品设计和生产对象提供方便、高效的数字化表示
3、和表现（Digital Representation and Presentation）的工具。数字化表示是指用数字形式为计算机所创建的设计对象生成内部描述，象二维图、三维线框、曲面、实体和特征模型；而数字化表现是指在计算机屏幕上生成真实感图形、创建虚拟现实环境进行漫游、多通道人机交互、多媒体技术等。CAD的概念不仅仅是体现在辅助制图（图形实现）方面,它更主要地起到了设计助手的作用，帮助广大工程技术人员从繁杂的查手册、计算中解脱出来。极大地提高了设计效率和准确性，从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本，增强行业竞争能力。CAM与CAD密不可分，甚至比CAD应用得更为广泛。几乎每一个现
4、代制造企业都离不开大量的数控设备。随着对产品质量要求的不断提高，要高效地制造高精度的产品，CAM技术不可或缺。设计系统只有配合数控加工才能充分显示其巨大的优越性。另一方面，数控技术只有依靠设计系统产生的模型才能发挥其效率。所以，在实际应用中，二者很自然地紧密结合起来，形成CAD/CAM系统，在这个系统中设计和制造的各个阶段可利用公共数据库中的数据，即通过公共数据库将设计和制造过程紧密地联系为一个整体。数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型，形成数控加工机床所需的信息。CAD/CAM大大缩短了产品的制造周期，显著地提高产品质量，产生了巨大的经济效益。CAD/CAM技术已经是一个相当成熟的技术
5、。波音777新一代大型客机以4年半的周期研制成功，采用的新结构、新发动机、新的电传操纵等都是一步到位，立刻投入批量生产。飞机出厂后直接交付客户使用，故障返修率几乎为零。媒介宣传中称之为无纸设计，而波音公司本身认为，这主要应归功于CAD/CAM设计制造一体化。1-2 CAD/CAM软件介绍CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。现在，工作站和微机平台CAD/CAM软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。1、高档CAD/CAM软件高档CAM软件的代表有Unigraphics、I-DEAS /
6、Pro/Engineer、CATIA等。这类软件的特点是优越的参数化设计、变量化设计及特征造型技术与传统的实体和曲面造型功能结合在一起，加工方式完备，计算准确，实用性强，可以从简单的2轴加工到以5轴联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化，同时提供了二次开发工具允许用户扩展功能。是航空、汽车、造船行业的首选CAD/CAM软件。2、中档CAD/CAM软件CIMATRON是中档CAD/CAM软件的代表。这类软件实用性强，提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。3、相对独立的CAM软件相对独立
7、的CAM系统有Mastercam、Surfcam等。这类软件主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。系统主要有交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。主要应用在中小企业的模具行业。 4、国内CAD/CAM软件国内CAD/CAM软件的代表有CAXA-ME、金银花系统等。这类软件是面向机械制造业自主开发的中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件，具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能。这些软件价格便宜，主要面向中小企业，符合我国国情和标准，所以受到了广泛的欢迎，赢得了越来越大的市场份额。本论文使用高端CAD/CAM
8、软件UG完成一摩擦圆盘压铸模腔的造型设计与数控模拟加工。UG是美国Mc Donnell公司开发的集CAD/CAM/CAE于一体的计算机辅助设计与制造软件。其特点是模具设计和数控加工能力强，具有良好的二次开发接口。UG适用于机械、汽车、造船、航空和模具行业的设计和制造。UG CAD计算机辅助设计模块能实现实体造型、高级装配（逼真的动态装配仿真）、标准零件库调用、几何公差分析与检查等。UG CAM计算机辅助制造模块能实现图形化刀具路径编辑、动态地观察刀具切削路径、更改刀具切削路径（如延伸、修剪及边界的设定）、修改切削速度和方向、校验刀具路径、后置处理模块能适应各类数控机床（如2-5轴铣床，2-4轴
9、车床）、线切割和电火化机床等。1-3 CAD/CAM系统的功能使用方法及应用过程一、熟悉系统的功能与使用方法在使用一个CAD/CAM数控编程系统编制零件数控加工程序之前，应对该系统的功能及使用方法有一个比较全面的了解。1、了解系统的功能框架 对于CAD/CAM数控系统首先应了解其总体功能框架，包括造型设计、二维工程绘图、装配、模具设计、制造，等能模块，以及每一个功能模块所包含的内容，特别应关注造型设计中的草图设计、曲面设计、实体造型以及特征造型的功能，因为这些是数控加工编程的基础。2、了解系统的编程能力 对于一个数控编程系统，应了解其编程能力的编程能力主要体现在以下几方面：（1）适用范围 车削
10、、铣削、钻孔、线切割（EDM）等。（2）可编程的坐标数 点位、二坐标、三坐标、四坐标以及五坐标。（3）可编程的对象 多坐标点位加工编程、表面区域加工编程(是否具备多曲面区域的加工编程)、轮廓加工编程、曲面交线及过渡区域加工编程、腔槽加工编程、曲面通道加工编程等。（4）是否具备刀具轨迹的编辑功能 有哪些编辑手段，如刀具轨迹变换、裁剪、修正、删除、转置、匀化(刀位点加密、浓缩和筛选)、分割及连接等。（5）是否具备刀位验证的能力 有哪些验证手段，如刀具轨迹仿真、刀具运动过程仿真、加工过程模拟、截面法验证等。（6）熟悉系统的用户界面及输入方式 系统是在图形交互方式下工作，还是在命令交互方式下工作；系统
11、是否具备批处理能力等。（7）了解系统的文件管理方式 对于一个零件的编程，最终要得到的是能在指定的数控机床上完成该零件加工的正确的数控程序，该程序是以文件形式存在的。在实际编程时，往往还要构造一些中间文件，如零件模型(或加工单元)文件、工作过程文件(日志文件)、几何元素(曲线、曲面)文件、刀具文件、刀位文件、数控机床数据文件等，应该熟悉系统对这些文件的管理方式它及它们之间的关系。二、分析加工零件 当拿到持加工零件的零件图纸或工艺图纸(特别是复杂的曲面零件和模具图纸)时，首先应当对零件图纸进行仔细的分析，内容包括：1、分析待加工表面 一般来说，在一次加工中，只需对加工零件的部分表面进行加工。这一步
12、骤的内容是：确定待加工表面及其约束面，并对其几何定义进行分析，必要的时候需对原始数据进行一定的预处理，要求所有几何元素的定义具有唯一性。2、确定加工方法 根据零件毛坯形状以及待加工表面及其约束面的几何形态，并根据现有机床设备条件，确定零件的加工方法及所需的机床设备和工夹量具。3、确定编程原点及编程坐标系 一般根据零件的基准面(或孔)的位置以及待加工表面及毛坯上选择一个合适的编程原点及编程坐标系(也称为工件坐标系）三、对待加工表面及其约束面进行几何造型这是上机编程的第一步。对于CAD/CAM数控编程系统来说，一般可根据几何元素的定义方式，在前面零件分析的基础上，对加工表面及其约束面进行几何造型。
13、四、选择合理的刀具一般来说，可根据加工方法和加工表面及其约束面的几何形态选择合适的刀具类型及刀具尺寸。但对于有的复杂曲面零件，则需要对加工表面及其约束面的几何形态进行数值计算，根据计算结果才能确定刀具类型和刀具尺寸。这是因为，对于一些复杂曲面零件的加工，希望所选择的刀具加工效率高，同时又希望所选择的刀具符合加工表面的要求，且不与非加工表面发生干涉或碰撞。由于在某些情况下，加工表面及其约束面的几何形态数值计算很困难，只能根据经验和直觉选择刀具，这时，便不能保证所选择的刀具一定是合理的，在刀具轨迹生成之后，需要进行一定的刀位验证。五、刀具轨迹生成及刀具轨迹编辑对于CAD/CAM数控编程系统来说一般
14、可在所定义加工表面及其约束面(或加工单元)上确定其外法向矢量方向，并选择一种走刀方式，根据所选择的刀具(或定义的刀具)和加工参数，系统将自动生成所需的刀具轨迹。所要求的加工参数包括：安全平面、主轴转速、进给速度、线性逼近误差、刀具轨迹间的残留高度、切削深度、加工余量、进刀段长度及迟刀段长度等。当然，对于某一加工方式来说，只要求其个的部分加工参数。一般来说，数控编程系统对所要求的加工参数都有一个缺省值。刀具轨迹生成以后，如果系统具备刀具轨迹显示及交互编辑功能，则可以将刀具轨迹显示出来加果有不太合适的地方，可以在人工交互方式下对刀具轨迹进行适当的编辑与修改。六、刀位验证 如果系统具有刀位验证的能力
15、，对可能过切、干涉与碰撞的刀位点，采用系统提供的刀位验证手段进行检验。值得说明的是，刀位验证大量用到曲面求交算法，计算时间比较长，最好是在批处理方式下进行，检验结果存放在刀位验证文件之中，供分析和图形显示用。七、后置处理 根据所选用的数控系统，调用其数控系统特性文件，运行数控编程系统提供的后置处理系统，将刀位文件转换成数控加工程序。1-4 本论文研究问题的提出与主要研究内容随着计算机辅助设计和辅助制造技术的飞速发展，工程设计业和制造业的内涵及其相关技术已经发生了深刻变化，这一点在机械工程领域里的结构设计和功能设计方面表现尤为显著。虚拟现实技术、三维造型技术、参数设计技术等新概念已渗透到传统的结
16、构设计中来，相应的计算机程控刀具轨迹设定和计算机自择加工工艺参数等新方法正发挥着前所未有的作用，推动着工程设计技术和制造技术的发展。目前，机械工程领域使用的CAD/CAM软件比较多，而UG软件能够在其中脱颖而出主要是因为它具有卓越的CAD/CAM功能。在造型功能方面，除却其他软件所具有的通用功能外，它还拥有灵活的复合建模、齐备的仿真照相、细腻的动画渲染和快速的原型工具，仅复合建模就可让用户在实体建模（Solid）、曲面建模(Surface)、线框建模 (Wireframe)和基于特征的参数建模中任意选择，使设计者可根据工程设计实际情况确定最佳建模方式，从而得到最佳设计效果。在加工功能方面，UG
17、软件针对计算机辅助制造的实用性、适应性和效能性，通过覆盖制造过程，实现制造的自动化、集成化和用户化，从而在产品制造周期、产品制造成本和产品制造质量诸方面都给用户提供了极大的收益。UG软件的强大功能为人们进行各种复杂零件的虚拟现实造型和虚拟现实制造提供了帮助。本论文利用UG软件完成产品造型设计以及数控模拟加工，详细介绍使用UG软件进行产品设计与加工的方法与步骤，为使用UG软件进行同类产品设计与加工提供有益的参考。第二章 基于UG的三维造型设计2-1 几何造型技术几何造型是指将点、线、面、体等几何元素，经过平移、旋转等几何变换和并、交、差等集合运算，产生实体造型。几何造型技术作为CAD/CAM技术
18、的基础，在机械工程领域应用极为广泛。各种机械设计均可采用几何造型技术建立计算机模型，在汽车车身、轮船船体及飞机机身等设计中不仅可以代替实物模型的制作，而且可以大大缩短设计周期，节省人力、物力。下面介绍实体造型的参数化技术、变量化造型技术和特征造型技术。一、参数化造型技术早期的CAD系统是利用固定的尺寸值来定义几何元素，输入的每一条线都是确定的位置，但不包括产品图形内在的尺寸约束、拓扑约束及工程约束（如应力、性能约束等）。因此，当要想修改实体的结构形状时，只有重新造型。这不仅使设计人员投入相当的精力用于重复劳动，而且这种重复劳动的结果并不能反映设计人员对产品的本质构思和意图。而新产品的设计，不可
19、避免地要经历多次反复的修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化。对于定型产品的设计，需要形成系列，以便针对生产特点和应用需求提供不同型号规格的产品。这些都需要产品的设计图可以随着某些结构尺寸的修改或规格系列的变化而自动修改图形。参数化造型是先建立图形与尺寸参数之间的约束关系，然后使用约束来定义和修改几何模型。这些尺寸约束及拓扑约束反映了设计时要考虑的因素。实现参数化的一组参数与这些约束保持一定的关系，初始设计的实体自然要满足这些约束，而当输入新的参数值时，也将保持这些约束关系并获得一个新的造型。参数化造型系统也称为尺寸驱动系统，它只考虑物体的几何约束（尺寸约束和拓扑约束），而不考虑工程约束。设
20、计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系。参数与设计对象的控制尺寸有明显的对应，参数的求解较简单，设计结果的修改受到尺寸驱动。尺寸驱动的几何模型由几何元素、尺寸约束和拓扑约束三部分组成。当修改某一尺寸时，系统自动检索该尺寸在尺寸链中的位置，找到它的起始几何元素和终止几何元素，使它们按新尺寸值进行调整，得到新模型；接着检查所有几何元素是否满足约束，如不满足，则保持拓扑约束不变，按尺寸约束修改几何模型，直至全部满足约束条件为止。二、变量化造型技术参数化造型技术具有基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动几何形状修改、全数据相关的特点，全尺寸约束既不能漏注尺寸（欠约束）又不能多注尺寸（过约束），
21、全数据相关指一个参数的修改导致其它相关尺寸全部更新。变量化造型技术是在参数化造型技术的基础上又做了进一步修改后提出的设计思想，变量化造型既保留了参数化造型基于特征、尺寸驱动几何形状修改、全数据相关的优点，又在约束定义方面做了根本性的改变。变量化造型将几何约束中的尺寸约束和拓扑约束分开处理，不苛求全约束，并增加了工程约束。参数化造型过程类似于工程师读图的过程，由关键尺寸、形状尺寸、定位尺寸直至参考尺寸，无一遗漏全部看懂（输入计算机）后，形状自然在脑海中（屏幕上）形成。这种对思维的苛刻束缚带来了相当的副作用：决不允许欠尺寸约束；零件截面形状复杂时，满屏幕的尺寸让人无从下手；只有尺寸驱动一种修改手段
22、，不知哪个尺寸会朝着令设计者满意的方向发展；若给出一个极不合理的尺寸参数，发生特征之间的干涉，会引起拓扑关系的改变。在新产品开发初期，设计者对各几何形状的准确尺寸和各几何形状之间严格的尺寸定位关系还很难完全确定，自然希望欠约束的存在。此外，也很难决定整个零件的尺寸基准及参数控制方式。变量化造型技术的指导思想就是：设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，允许采用不完全尺寸约束，只给出必要的设计条件。变量化造型过程类似于工程师在脑海里思考设计方案的过程，满足设计要求的几何形状是第一位的，尺寸细节是后来才逐步精确、完善的。设计过程相对自由宽松，设计者有更多的时间和精力去考虑设计方案，这符合创造性思维规
23、律。变量化造型技术可进行任意约束情况下的产品设计，不仅可以实现尺寸驱动，还可以实现约束驱动，即由工程关系驱动几何形状的改变，比较适合产品创新设计。变量化造型的原理如图2-1所示。图中：几何元素指构成实体的直线、圆等几何图形要素；几何约束包括尺寸约束及拓扑约束；尺寸值指每次赋给的一组具体值；工程约束表达设计对象的原理、性能等；约束管理用来确定约束状态，识别欠约束和过约束等问题；约束网络分解是将约束划分为较小的方程组，通过采用代数联立方程求解或推理方法逐步求解得到每个几何元素特定点的坐标，从而得到一个具体的几何模型。图2-1 变量化造型的原理三、特征造型技术现实世界的物体具有三维形状和质量，因而三
24、维实体造型可以更加真实、完整、清楚地描述物体，其利用计算机技术存储物体的几何信息和拓扑信息，代表了CAD/CAM技术的主流。实体造型技术是20世纪70年代后期、80年代初期逐步发展完善并推向市场的。实体造型是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及平面轮廓扫掠体等通过布尔运算生成复杂形体的一种造型技术。实体造型主要包括两部分内容，即体素的定义和描述、体素之间的布尔运算（交、并、差）。体素是一种简单的几何形体，它们可以通过少量参数进行描述，例如长方体可以通过长、宽、高定义形状。目前的许多CAD/CAM软件都是一种基于特征的实体造型工具。它可以按照直观的过程创建机械零件的三维实体
25、模型，且能自动生成与该模型相关联的二维工程图。构造三维实体模型的过程称为特征造型，造型的结果称为几何造型。基于特征的实体造型过程除了要用到参数化造型技术、变量化造型技术之外，还要用到特征造型技术和数据库联动技术。特征的概念很广，在此仅限于讨论几何特征，特征指可以用参数驱动的实体模型，其满足下列条件：（1）是一个实体或零件中的具体构成之一。（2）能对应于某一形状。（3）具有工程上的意义（即与加工方法的一定对应关系）。（4）性质是可以预料的。零件的几何模型可以看成是由一系列的特征堆积而成，改变特征的形状和位置，就可以改变零件的几何模型。2-2 结构形状分析与造型思路一、零件结构形状分析图2-2所示
26、为一零件的工程图，该零件。图2-2 零件的结构图二、造型思路首先创建一个文件夹，在文件名里输入ygh.prt ，单位选择毫米，点击确定键即可建立以 ygh.prt 为名的新文件。2-3 三维造型设计点击图标进入草图绘制环境,在出现的工具条中选择图标,再选择图标.按工程图纸要求绘制高为25凸台的地面封闭曲线,如图2-2所示.绘制完成后按图标,完成草图绘制操作.图2-2在接下来的操作中对绘制好的草图封闭曲线进行拉伸,得到工程图纸中要求的高为12的凸台上的部分.具体操作为点击拉伸图标,选择如图2-2所示的封闭曲线,在中输入拉伸高度12,点击拔模角，在角度里输入20，点击图标,完成拉伸操作,得到如图2
27、-3所示的图形. 图2-3再在草图里面的那条封闭的曲线进行拉伸，具体操作为点击拉伸图标,选择如图2-2所示的封闭曲线,在中输入拉伸高度12,，点击图标,完成拉伸操作,得到如图2-4所示的图形.图2-4接下来对高10凸台上键的多余部分进行差操作.用完成差操作.具体操作为在高10凸台的上表面绘制如图2-4所示的草图,点击图标,选择图23里的拉伸体为目标体,刚才的拉伸体为工具体,点击图标完成差操作.所图2-5所示.图2-5接下来再对草图里的内封闭曲线进行边倒圆，得到图26。图2-6根据工程图里的要求现在进行打孔的操作，如图27所示。图2-7第三章 基于UG的数控模拟加工3-1 CAM编程的一般步骤3
28、-1 工艺方案分析点击应用里的加工，出现初始化，点击初始化。3-2 建立毛坯点击操作导航器几何体，在空白处右击选择几何视图，右击WORKPIECE出现如图28。图2-8 点击几何体里的隐藏选择出现如图29所示。图2-9 点击自动块在YM和YM里都输入5在ZM里输入3。3-3 创建刀具 点击创建刀具组创建刀具。创建直径分别为10，8，6的刀具，再创建直径为8的圆头刀。3-4 加工的过程 选择创建操作里面洗操作，得到如图210所示。图2-10再进行轮廓洗得到如图211所示。图2-11下面的加工依次如下面所示。最后进行打孔第四章 实训体会6-1 体会6-2 致谢参考文献1 孙祖和等编著.UG NX CAD/CAM与数控加工应用实践教程,机械工业出版社,1991
