1、沈阳航空航天大学毕业设计(论文)I摘 要现今，机械行业广泛采用 CAD/CAM 技术，并通过数控机床进行加工，大大缩短了产品的开发和制造周期，提高了产品的技术含量，降低了成本。本论文中详细的阐述了变速箱的三维建模和数控编程过程，应用 UG 实现了零件的三维建模，在 UG 环境中进行了数控仿真加工，并生成了 NC 仿真加工程序。论文共分四个部分，在第一部分简单的介绍了 CAD/CAM 技术；第二部详细介绍了基于 UG 的三维实体建模；第三部分详细介绍了基于 UG 的数控加工技术；第四部分讲述了经济性分析。本课题通过对变速箱箱体零件设计加工过程的分析，以 UG 软件为基础，对变速箱箱体进行了设计，
2、并对其进行了加工工艺分析，同时运用 UG 软件对其进行了数控加工，实现了从设计到生产的一体化，对实际生产有一定的指导意义。关键词：CAD/CAM ；变速箱；三维建模；数控加工；仿真模拟；NC 代码基于 UG 的变速箱设计及 CAM 技术研究IIGearbox design based on UG and CAM technologyAbstractAt present， the machinery industry widely used CAD / CAM technology and the numerical control machine tool for machining thro
3、ugh the process, greatly reducing the product development and manufacturing cycle,improving the technology of products, and to reduce the cost. Paper describes in detail the transmission of three-dimensional modeling and numerical control programming. The application of UG realizes three-dimensional
4、 modeling of parts in UG CNC simulation environment for the conduct of the process, and generates the NC machining simulation program. Thesis is divided into five parts. In the first part introduces CAD/CAM briefly; The second section details the three-dimensional solid modeling; The third section d
5、etails based on UG CNC machining technology; The fourth section describes the economic analysis.This topic through parts of gearbox design process analysis to UG software based on the transmission box was designed, and its analysis of the machining process, while the use of UG software from CNC proc
6、essing to achieve the integration from design to production, actual production has some significance. Keywords : CAD/CAM ; gearbox ; three-dimensional modeling ; CNC Machining ;Processing simulation ; NC code ;沈阳航空航天大学毕业设计(论文)III目录1 CAD/CAM 技术在产品制造中的应用 .11.1 CAD/CAM 技术概述 .11.1.1 CAD/CAM 技术的基本概念 .11.
7、1.2 CAD/CAM 技术的发展历程 .21.1.3 CAD/CAM 技术的发展趋势 .41.1.4 CAD/CAM 技术开发热点 .51.2 CAD/CAM 技术的应用 .51.3 UG 软件介绍 .71.3.1 UG NX 系统简介 .71.3.2 UG 的发展现状、应用及其发展前景 .91.4 本课题研究的主要内容 .102 基于 UG 的变速箱实体模型设计 .112.1 NX 建模的基本概念 .112.2 NX 建模流程 .112.2.1 原创产品设计 .112.2.2 图纸造型 .122.2.3 逆向工程 .132.3 设计思想 .132.3.1 草图的优化设计 .142.3.2
8、合理应用特征建立零件实体模型 .142.4 基于 UG 对变速箱进行实体建模 .142.5 二维工程图纸 .292.5.1 创建新图纸 .292.5.2 导入模型视图 .302.5.3 添加图纸格式 .322.5.4 添加尺寸 .343 基于 UG 的零件数控加工技术 .343.1 数控加工技术的主要内容 .343.1.1 数控铣削加工技术的工艺适应性 .353.2 数控加工工艺分析 .36基于 UG 的变速箱设计及 CAM 技术研究IV3.2.1 数控加工工艺概念 .363.2.2 数控机床的选用 .363.2.3 被加工零件的结构材料分析 .363.2.4 零件的加工工序方案制定 .373
9、.2.5 数控加工中心的工艺适应性 .393.2.6 零件的加工方案 .403.2.7 刀具材料的选择及参数确定 .413.2.8 切削液的选择 .423.2.9 切削液的选取 .433.2.10 工件的定位与加紧 .443.2.11 切削用量的确定 .463.2.12 数控加工工艺与安排 .473.3 UG 数控加工 .493.3.1 进入 UG CAM 加工模块 .493.3.2 毛坯的导入 .503.3.3 对变速箱进行数控程序编制 .513.3.4 数控加工演示 .633.3.5 后处理 .654 经济性分析 .674.1 概述 .674.2 变速箱箱体设计制造的经济性分析 .67参考
10、文献 .68致谢 .69沈阳航空航天大学毕业设计(论文)11 CAD/CAM 技术在产品制造中的应用1.1 CAD/CAM 技术概述CAD/CAM（计算机辅助设计及计算机辅助制造）技术产生于 20 世纪 50 年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。1989 年美国国家工程科学院将 CAD/CAM 技术评为当代（19641989 ）十项杰出的工程技术成就之一。CAD/CAM 技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM 技术是先进制造技术
11、的重要组成部分它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。CAD/CAM 技术已经成为衡量一个国家科技现代化水平的重要标志之一。50 多年来 CAD/CAM 技术有了飞速的发展， CAD/CAM 的应用迅速普及。CAD/CAM 技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小企业推广，由高技术领域的应用向日用家电，轻工产品的设计和制造中普及。1.1.1 CAD/CAM 技术的基本概念CAD 即计算机辅助设计(Computer Aided Design) 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
12、计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。C AM(Computer Aided Manufacturing， 计 算 机 辅 助 制 造 )： 利 用 计 算 机 来 进 行 生 产 设 备 管 理 控 制 和 操 作的 过 程 。 它 输 入 信 息 是 零 件 的 工 艺 路 线 和 工 序 内 容 ， 输 出 信 息 是 刀 具 加 工 时 的运 动 轨 迹 （ 刀 位 文 件 ） 和 数 控 程 序 。 CAM (Computer Aided Manufacturing， 计算 机 辅 助 制 造 )的 核 心 是 计 算 机 数 值 控 制 是 将 计 算 机 应 用 于 制 造 生
13、 产 过 程 的 过 程或 系 统 。 1952 年 美 国 麻 省 理 工 学 院 首 先 研 制 成 数 控 铣 床 。 数 控 的 特 征 是 由 编 码在 穿 孔 纸 带 上 的 程 序 指 令 来 控 制 机 床 。 此 后 发 展 了 一 系 列 的 数 控 机 床 ， 包 括 称为 “加 工 中 心 ”的 多 功 能 机 床 ， 能 从 刀 库 中 自 动 换 刀 和 自 动 转 换 工 作 位 置 ， 能 连续 完 成 铣 、 钻 、 铰 、 攻 丝 等 多 道 工 序 ， 这 些 都 是 通 过 程 序 指 令 控 制 运 作 的 ， 只 要改 变 程 序 指 令 就 可 改
14、 变 加 工 过 程 ， 数 控 的 这 种 加 工 灵 活 性 称 之 为 “柔 性 ”。 加基于 UG 的变速箱设计及 CAM 技术研究2工 程 序 的 编 制 不 但 需 要 相 当 多 的 人 工 ， 而 且 容 易 出 错 ， 最 早 的 CAM 便 是 计 算机 辅 助 加 工 零 件 编 程 工 作 。CAM 系 统 一 般 具 有 数 据 转 换 和 过 程 自 动 化 两 方 面 的 功 能 。 CAM 所 涉 及 的范 围 ， 包 括 计 算 机 数 控 ， 计 算 机 辅 助 过 程 设 计 。1.1.2 CAD/CAM 技术的发展历程CAD/CAM 技术的发展与计算机图
15、形学的发展密切相关，并伴随着计算机及其外围设备的发展而发展。计算机图形学中有关图形处理的理论和方法构成了CAD/CAM 技术的重要基础。纵观 CAD/CAM 技术的发展历程，主要经历了以下发展阶段：（1）20 世纪 50 年代，计算机主要主要用于科学计算，使用机器语言编程，图形设备仅具有输出功能。美国麻省理工学院（MIT）在其研制的旋风 I 号计算机上采用了阴极射线管（CRT）作为图形终端，并能被动显示图形。其后出现了光笔，开始了交互式计算机图形学的研究，也为 CAD/CAM 技术的出现和发展铺平了道路。1952 年 MIT 首次试制成功了数控铣床，通过数控程序对零件进行加工，随后 MIT研制
16、开发了自动编程语言（APT） ，通过描述走刀轨迹的方法来实现计算机辅助编程，标志着 CAM 技术的开端。1956 年首次尝试将现代有限元法用于分析飞机结构。20世纪 50 年代末，出现了平板式绘图仪和滚筒式绘图仪，开始了计算机绘图的历史。此间 CAD 技术处于酝酿、准备阶段。（2）20 世纪 60 年代，这是交互式计算机图形学发展的最重要时期。1963 年MIT 学者 I.E.Sutherland 发表了题为“人机对话图形通讯系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学等术语。由他推出的二维 SKETCHPAD 系统，允许设计者操作光笔和键盘，在图形显示器上进行图形的选择、定位等交互作业，对符号和
17、图形的存储采用分层的数据结构。这项研究为交互式计算机图形学及 CAD 技术奠定了基础，也标志着 CAD 技术的诞生。此后，出现了交互式图形显示器、鼠标器、磁盘等硬件设备及文件系统和高级语言等软件。并陆续出现了许多商品化的 CAD 系统和设备。例如 1964 年美国通用汽车公司研制了用于汽车设计的 DAC-1 系统，1965 年美国洛克希德飞机公司开发了 CADAM 系统，贝尔电话公司也推出了 GRAPHIC-1 系统等。此间 CAD 技术的应用以二维绘图为主。再制造领域中，1962 研制成功了世界上第一台机器人，实现物料搬运自动化，1965 年产生了计算机数控机床 CNC 系统，沈阳航空航天大
18、学毕业设计(论文)31966 年以后出现了采用通用计算机直接控制多台数控机床 DNC 系统以及英国莫林公司研制的由计算机集中控制的自动化制造系统。20 世纪 60 年代末，挪威开始了CAPP 技术的研究，并于 1969 年正式推出第一个 CAPP 系统 AutoPros。（3）20 世纪 70 年代计算机图形学理论及计算机绘图技术日趋成熟，并得到了广泛应用。这期间，硬件的性能价格比不断提高；图形输入板、大容量的磁盘存储器等相应出现；数据库管理系统等软件得以应用；以小型、超小型计算机为主机的CAD/CAM 系统进入市场并形成主流，这些系统的特点是硬件和软件配套齐全、价格便宜、使用方便，形成所谓的
19、交钥匙系统（Turnkey System） 。同时，三维几何建模软件也相继发展起来，出现了一些面向中小型企业的 CAD/CAM 商品化系统，法国达索公司率先开发出以表面模型为特点的三维曲面建模系统 CATIA。20 世纪 70年代中期开始创立 CAPP 系统的研究与开发。1976 年由 CAM-I 公司开发了 CAPP系统 CAM-I Automated Process Planning。在制造方面，美国辛辛那提公司研制出了一条柔性制造系统（FMS ）,将 CAD/CAM 技术推向了新的阶段。这一时期各种计算机辅助技术的功能模块已经基本形成，但数据结构尚不统一，集成性差，应用主要集中在二维绘图
20、、三维线框建模及有限元分析方面。（4）20 世纪 80 年代，CAD/CAM 技术及其应用系统得到迅速发展。这期间，出现了微型计算机和 32 位字长工作站，同时，计算机硬件成本大幅下降，计算机外围设备已逐渐形成系列产品，网络技术也得到应用；CAD 与 CAM 相结合，形成了CAD/CAM 集成技术，导致了新理论、新算法的大量涌现。在软件方面，不仅实现了工程和产品的设计计算和绘图，而且还实现了工程造型、自由曲面设计、机构分析与仿真等工程应用，特别是实体建模、特征建模、参数化设计等理论的发展和应用，推动 CAD 技术由表面模型到实体建模，再到参数化建模发展，并出现了许多成熟的 CAD 软件。在此期
21、间，为满足数据交换要求，相继推出了有关标准（如 CGI、GKS、 IGES 及 STEP 等） 。20 世纪 80 年代后期，人们认识到计算机集成制造（CIM ）的重要性，开始强调信息集成，出现了 CIMS，将 CAD/CAM 技术推向了更高的层次。（5）20 世纪 90 年代以来，CAD/CAM 技术更加强调信息集成和资源共享出现了产品数据管理技术，CAD 建模技术日益完善，出现了许多成熟的 CAD/CAE/CAM集成化的商业软件，如采用变量化技术的 I-DEAS，应用复合建模技术的 UG 等。随着世界市场的多变与激烈竞争，随着各种先进设计理论和先进制造模式的发展，随着高档微机、操作系统和编
22、程软件的发展，随着网络技术的迅速发展，CAD/CAM基于 UG 的变速箱设计及 CAM 技术研究4技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战，正在向集成化、网络化、智能化和标准化发展。1.1.3 CAD/CAM 技术的发展趋势（1）集成化随着计算机技术的快速发展，CAD/CAM 系统已经从单一简单的功能发展模式转变成为复杂综合的功能集成系统。80 年代以来，计算机集成制造(CIM：C omputer Integrated Manufacturing)技术已成为制造工业应用计算机技术的主要发展方向。利用 CIM 技术建立的计算机集成制造系统 (CIMS)，将制造工厂的产品设计、加工制造和经营管理等项
23、活动集成起来，其目的是在计算机辅助下，利用最小的制造和管理资源，最优地实现企业的发展目标，获得最大的总体效益。 （2）微型化CAD/CAM 正转向采用超级微型计算机。32 位超级微型计算机在单机功能上将达到小型机和中型机的水平，多 CPU 并行处理时的功能将达到大型机的水平。以超级微机为基础的 CAD/CAM 系统不断增多，功能也在不断扩大。（3）网络化伴随着网络技术的飞速发展和广泛应用，微型计算机 CAD/CAM 系统发展的一条主要途径是网络化。由于微型机价格低廉，功能较强，可将多台微机工作站连成分布式 CAD/CAM 系统。目前，基于网络化的 CAD/CAM 技术，需要在能够提供基于网络完
24、善的协同设计环境和提供网上多种 CAD 应用服务等方面提高水平。（4）智能化设汁制造中全盘自动化固然理想，但在今天还只能是一个追求的目标，近期难以实现。人工智能技术是通向设计制造自动化的重要途径。近年来，人工智能的应用主要集中在引入知识工程，发展专家系统。专家系统的发展可扩大 CAD/CAM 的功能有利于创造更高级的 CAD/CAM 系统。专家系统具有逻辑推理和决策判断能力，它将许多事实和有关专业的经验、准则结合在一起，应用这些事实和启发规则，根据设计目标不断缩小搜索的范围，使问题得到解决，专家系统是当前研究相当活跃的一个课题。（5）并行工程并行工程（Concurrent Engineerin
25、g）是随着 CAD /CIMS 技术发展提出的一种新哲理，新的系统工程方法。这种方法的思路，就是并行的集成的设计产品及其开发沈阳航空航天大学毕业设计(论文)5的过程。他要求产品开发人员在产品设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括成本，质量，进度用户要求等，以便更大限度的提高产品开发效率及一次成功率。并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法，把串行方法中信息流向的单向性变成双向的。随着市场竞争的日益激烈，并行工程势必引起越来越多的重视，但其实施也绝非一朝一夕的事情，目前应为并行工程的实施创造条件和环境。（6）标准化随着 CAD/CAM 技术的发展和应用，工业标准化问题日益越来越显得
26、重要。目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的标准计算机图形接口（CGI ） 、面向图形应用软件的标准 GKS 和 PHIGS、面向不同 CAD/CAM 系统的产品数据交换标准 IGES 和 STEP，此外还有窗口标准以及最新颁布的CAD 文件管理 、 CAD电子文件应用光盘存储与档案管理要求等标准。这些标准规范了 CAD/CAM 技术的应用与发展。CAD/CAM 系统的集成一般建立在异构的工作台之上，为了支持异构跨平台的环境，要求 CAD/CAM 系统必须是开放的系统，必须采用标准化技术。完善的标准化体系是我国 CAD/CAM 软件开发几技术应用与世界接轨的必由之路。1.1.4 CAD/
27、CAM 技术开发热点（1）基于知识工程的 CAD 技术知识工程 (Knowledge Based Engineering 简称 KBE) 的实质是知识捕捉和知识重用。知识工程的最终表现形式是过程引导，在使用 KBE 时首先进行工程配置再定义工程规则，最后实现产品建模。以最快的速度开发出高知识含量的优质的新产品，这正是知识工程要解决的问题。知识工程的应用是制造业的 CAD 技术的一个质的飞跃。（2）三维超变量化技术超变量化几何技术是 CAD 建模技术发展的里程碑，他在变量化技术基础上充分利用了形状约束和尺寸约束分开处理以及全约束的灵活性，让设计者针对一个完整的三维产品数字模型，从建模到约束都可以
28、直接以拖动方式实时的进行图形化的编辑操作。因此，VGX 技术被业界称为 21 世纪 CAD 领域具有革命性突破的新技术。1.2 CAD/CAM 技术的应用（1）我国的 CAD/CAM 技术基于 UG 的变速箱设计及 CAM 技术研究6我国 CAD/CAM 技术的研发始于 20 世纪 70 年代，当时主要集中在少数高校及航空领域等极小范围。80 年代初，开始成套引进 CAD/CAM 系统，并在此基础上进行开发和应用；同时国家在 CAD/CAM 技术应用开发方面实施重点投资，支持对国民经济有影响的重点机械产品 CAD 进行开发和研制，取得了一些成果，为我国CAD/CAM 技术的发展奠定了基础。通过
29、近 30 多年坚持不懈的努力，我国 CAD/CAM 技术在理论与算法研究、硬件设备生产、支撑软件的开发与商品化、专业应用软件的研制与应用，以及在人才培养与技术普及等方面均取得了丰硕的成果。近年来，我国 CAD/CAM 技术发展迅速，应用日趋成熟，范围不断拓宽，水平不断提高，应用领域几乎渗透到所有制造工程领域，尤其机械、电子、建筑、造船、轻工业等行业在 CAD/CAM 技术开发应用上有了一定规模，取得了显著成效。我国已自行开发了大量实用的 CAD/CAM 软件，国内计算机生产厂家已能够为 CAD/CAM 系统提供良好的计算机和工程工作站。少数大型企业已经建立起较完善的 CAD/CAM 系统并取得
30、较好的效益，中小企业也开始使用 CAD/CAM 技术并初见成效；一些企业已着手建立以实现制造过程信息集成为目标的企业级 CIMS 系统，以实现系统集成、信息共享。尽管我国 CAD/CAM 技术的应用已取得了巨大成就，但与发达国家相比仍有巨大差距。随着 CAD/CAM 技术应用的日益深入，我国制造企业在今后一段时间将面临的问题是：如何将 CAD 技术由二维绘图向三维建模发展，进一步提高设计效率；怎样充分发挥 CAE 技术的作用，提升产品的竞争力；如何尽快将 CAM/CAPP 技术应用于数控编程及工艺设计上，提高数控设备的应用水平，提高工艺设计及工艺管理的计算机应用水平；如何在现有计算机辅助单元技
31、术应用的基础上，提高CAD/CAM 应用的集成化程度；如何在将来把 CAD/CAM 系统与产品数据管理系统有机地结合起来，形成企业级信息集成管理系统；面对先进设计理论和先进制造模式的发展，怎样抓紧时机迎接新的机遇与挑战等。这些都需要在今后的工作中不断的探索和研究 CAD/CAM 领域先进技术、不断地吸收及应用 CAD/CAM 领域的最新成果。综观先进制造技术的发展，可以看到，未来的制造是基于集成化和智能化的敏捷制造和“全球化” 、 “网络化”制造，未来的产品是基于信息和知识的产品。CAD/CAM 技术是当前科技领域的前沿课题，它的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，从而带动制造业技术的快速发展，已经产生并将继续产生巨大的社会效益。
