机械设计制造及其自动化专业毕业论文设计基于CADCAM技术的电话机键盘上表面的数控加工

三江学院本科生毕业设计（论文）题目基于CAD/CAM技术的电话机键盘上表面的数控加工高职院（系）机械设计制造及其自动化专业学生姓名章立维学号G095152035指导教师季鹏职称实验师指导教师工作单位三江学院起讫日期20121217201345摘要计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）是由多学科和多项技术综合形成的实用技术，是当今世界发展最快的技术之一。该项技术改变了机械行业传统的设计制造方式，推动了机械制造业的迅猛发展，使传统的机械行业有了新的发展空间。目前，CAD/CAM技术已广泛应用于制造业，二者的有机结合不仅仅提供了加工效率，而且还很好的保证了零件的加工质量。通过对HCD6138型电话机键盘上表面进行实际测绘得到数据后使用CAD/CAM软件进行数模构建；然后再对数模文件进行处理用于数控加工。在内容上包括CAD/CAM软件的图形处理、自动编程和加工中心的操作加工。关键词CAD/CAM；数模构建；数控加工ABSTRACTCOMPUTERAIDEDDESIGNANDMANUFACTURINGCAD/CAMISAKINDOFPRACTICALTECHNOLOGYFORMEDBYTHEINTEGRATEDMULTIDISCIPLINARYANDANUMBEROFTECHNICAL,ISONEOFTHETECHNOLOGIESTHATGROWINGFASTESTINTHEWORLDTODAYTHETECHNOLOGYHASCHANGEDTHETRADITIONALMACHINERYINDUSTRYWAYOFDESIGNANDMANUFACTURE,PROMOTINGTHERAPIDDEVELOPMENTOFTHEMACHINERYMANUFACTURINGINDUSTRY,MADETHETRADITIONALMACHINERYINDUSTRYHASANEWDEVELOPMENTSPACEATPRESENT,CAD/CAMTECHNOLOGYHASBEENWIDELYUSEDINMANUFACTURING,THECOMBINATIONOFBOTHNOTONLYPROVIDESAPROCESSINGEFFICIENCY,BUTALSOENSUREAGOODMACHININGQUALITY,WITHVERYHIGHPRACTICALVALUE,ANDPROMOTERAPIDDEVELOPMENTTOMODERNMANUFACTURING,HASHADAHUGEIMPACTONTHEMANUFACTURINGINDUSTRYINMANUFACTURINGMODELSANDMARKETSITUATION,ANDPROMOTSTHEIRHEALTHYDEVELOPMENTTHROUGHACTUALMAPPINGONTHESURFACETHEHCD6138TYPETELEPHONEKEYPADTOGETTHEDATAUSINGCAD/CAMSOFTWAREFORDIGITALANALOGBUILDTHENPROCESSTHEDIGITALTOANALOGFILESFORCNCMACHININGINTERMSOFCONTENT,INCLUDINGPROCESSINGOFCAD/CAMSOFTWAREGRAPHICS,AUTOMATICPROGRAMMINGANDMACHININGCENTEROPERATIONSPROCESSINGKEYWORDSCAD/CAMBUILDDIGITALTOANALOGCNCMACHINING目录第一章绪论111CAD/CAM的介绍112CAXA制造工程师的零件造型功能特点113CAXA制造工程师的数控加工特点1第二章电话机上表面三维建模321电话机上表面测绘及绘制草图322电话机模型的三维建模3第三章电话机CAM部分731生成加工毛坯程序732生成曲面粗加工程序1033生成曲面精加工程序1134生成其他凹槽的加工程序11第四章零件加工1541加工中心VMC850L主要技术参数1542程序传输1643加工17431加工毛坯17432对刀17433加工18结束语19致谢20参考文献21三江学院2013届本科生毕业设计（论文）1第一章绪论11CAD/CAM的介绍CAD即计算机辅助设计COMPUTERAIDEDDESIGN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；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；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。CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。CAM即计算机辅助制造COMPUTERAIDEDMANUFACTURING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。计算机辅助制造的核心是计算机数值控制简称数控，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。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。从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程。软件系统在CAM中占有越来越重要的地位，现在计算机性能越来越好,价格也越来越便宜。目前评估CAM系统主要由软件性能决定。软件系统负责管理和控制计算机各个部分运行,充分发挥各设备功能,提高效率,为用户提供便于操作的程序。为了开发、销售的便利,软件系统与NC系统一样都是模块化的。12CAXA制造工程师的零件造型功能特点主要功能特点有（一）方便的特征实体造型（二）强大的NURBS自由曲面造型（三）灵活的曲面实体复合造型13CAXA制造工程师的数控加工特点1两轴到三轴的数控加工功能，支持45轴加工三江学院2013届本科生毕业设计（论文）2两轴到两轴半加工方式可直接利用零件的轮廓曲线生成加工轨迹指令，而无需建立其三维模型；提供轮廓加工和区域加工功能，加工区域内允许有任意形状和数量的岛。可分别指定加工轮廓和岛的拔模斜度，自动进行分层加工。三轴加工方式多样化的加工方式可以安排从粗加工、半精加工到精加工的加工工艺路线。45轴加工模块提供曲线加工、平切面加工、参数线加工、侧刃铣削加工等多种45轴加工功能。标准模块提供23轴铣削加工。45轴加工为选配模块。2支持高速加工本系统支持高速切削工艺，以提高产品精度，降低代码数量，使加工质量和效率大大提高。可设定斜向切入和螺旋切人等接近和切入方式，拐角处可设定圆角过渡，轮廓与轮廓之间可通过圆弧或S字型方式来过渡形成光滑连接，从而生成光滑刀具轨迹，有效地满足了高速加工对刀具路径形式的要求。3参数化轨迹编辑和轨迹批处理CAXA制造工程师的“轨迹再生成”功能可实现参数化轨迹编辑。用户只需选中已有的数控加工轨迹，修改原定义的加工参数表，即可重新生成加工轨迹。CAXA制造工程师可以先定义加工轨迹参数，而不立即生成轨迹。工艺设计人员可先将大批加工轨迹参数事先定义而在某一集中时间批量生成。这样，合理地优化了工作时间。4独具特色的加工仿真与代码验证可直观、精确地对加工过程进行模拟仿真、对代码进行反读校验。仿真过程中可以随意放大、缩小、旋转，便于观察细节，可以调节仿真速度；能显示多道加工轨迹的加工结果。仿真过程中可以检查刀柄干涉、快速移动过程G00中的干涉、刀具无切削刃部分的干涉情况，可以将切削残余量用不同颜色区分表示，并把切削仿真结果与零件理论形状进行比较等。5加工工艺控制CAXA制造工程师提供了丰富的工艺控制参数，可以方便地控制加工过程，使编程人员的经验得到充分的体现。6通用后置处理全面支持SIEMENS、FANUC等多种主流机床控制系统。CAXA制造工程师提供的后置处理器，无需生成中间文件就可直接输出G代码控制指令。系统不仅可以提供常见的数控系统的后置格式，用户还可以定义专用数控系统的后置处理格式。可生成详细的加工工艺清单，方便G代码文件的应用和管理。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）3第二章电话机上表面三维建模21电话机上表面测绘及绘制草图测绘及绘制草图需要用到钢尺、卡尺、螺丝刀、铅笔、纸等。22电话机模型的三维建模1根据草图，设定模型尺寸选择基准平面，根据草图，选择系统预置的基本坐标平面（XY平面），如图31所示，右击特征树中“XY平面”创建草图。图31创建草图图32绘制草图2绘制草图1单击矩形按钮，在立即菜单中选择“中心_长_宽”。单击“长度”输入框，键入“160”，采用同方法设置宽度值为180。再移动光标至坐标原点，待光标出现后，单击鼠标左键，完成操作。如图32所示。图33绘制曲线图34曲线裁剪2单击三点圆弧“”按钮绘制曲线，单击曲线裁剪“”按钮，裁剪多余曲线，得到如图33、34结果，完成操作。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）4图35拉伸草图轮廓图36轴测图3特征生成1将草图轮廓进行拉伸操作，生成一个增加材料的特征。单击“拉伸增料”按钮，在弹出的“拉伸增料”对话框中，选取拉伸类型，输入参数，拾取草图，单击按钮，完成操作。如图35所示。2按“F8”键，切换至轴测图。如图36所示。4生成曲面1单击“样条线”按钮，在立即菜单中选择“插值”、“缺省切失”、“开曲线”，在模型侧面选取几个点，生成自由曲线。如图37所示。图37生成自由曲线2单击“扫描面”按钮，在立即菜单中设置起始距离、扫描距离、扫描精度和精度等参数，选择扫描方向，拾取曲线生成扫描面。如图38所示。图38生成扫描面图39生成曲面三江学院2013届本科生毕业设计（论文）53单击“曲面裁剪”按钮，在立即菜单中选择曲面和除料方向等参数，单击按钮。4右击曲面及曲线，选择隐藏，生成曲面。如图39所示。5生成曲面上各个凹槽1构建另一基准面。由于各凹槽分布在曲面上，如果直接在曲面上进行造型，比较麻烦，而且加工也比较复杂。单击“构造基准面”按钮，在立即菜单中选择等距平面确定基准面，选择平面XY，输入距离，单击按钮。2生成听筒架部分。在新建的基准面上，创建草图，绘制出听筒架的轮廓。在单击“拉伸除料”按钮，在立即菜单中选择“固定深度”、“实体特征”等，设置深度参数，选择拉伸对象，单击按钮，完成操作。类似方法生成听筒锁凹槽部分。如图310所示。图310生成听筒锁凹槽部分图311生成话筒架部分3生成话筒架部分。根据多次修改后的经验，在距XY平面5处新建1个基准面，创建草图，点击“整圆”按钮，绘制半径为10的圆。在距XY平面45处新建1个基准面，创建草图，点击“椭圆”按钮，绘制长半轴35，短半轴40的椭圆。单击“放样除料”按钮，在立即菜单中选取两草图，单击按钮，完成操作。如图311所示。4生成显示器凹槽、扩音器凹槽、便利纸片凹槽，按键凹槽等。这几步操作步骤相似，都是现在基准准面上绘制草图，再利用拉伸除料功能进行除料。区别仅仅是草图不一样，除料深度不同。如图312所示。图312生成凹槽图313倒圆角处理三江学院2013届本科生毕业设计（论文）65将各面连接部分进行倒圆角处理。单击“过渡”按钮，在弹出的“过渡”对话框中设置各个参数，选择相应的面或线，单击按钮，完成操作。如图313所示。经过以上几个步骤，电话机模型，三维建模部分已经完成。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）7第三章电话机CAM部分在计算机三维建模工作完成之后，就可以进行计算机辅助制造部分了。本次加工所用的机床为四轴加工中兴，由于加工中心带有刀库，所以可以实现毛坯一次装夹即可加工出电话机模型，非常方便。此次加工在进行毛坯加工时需要二次装夹，在实际加工时，有很多步工序，需要用到多把刀具，因此在计算机生成加工程序时，需要将每一工序的程序逐一生成。31生成加工毛坯程序1新建坐标系为了符合加工过程，必须先新建一个坐标系。打开之前已经建好的模型，单击“创建坐标系按钮”，按照状态栏提示，根据毛坯尺寸输入坐标原点（0,0,20）、坐标系名称“NEW”。单击“激活坐标系”按钮，激活刚新建的坐标系。如图41。图中红色坐标系为新建坐标系。图41新建坐标系2设置加工参数及加工图形1在特征树中设置加工中“模型”,“模型”的主要作用是在仿真时检查干涉，检验加工效果或程度等，与刀路计算无关。如图42所示。图42设置加工中“模型”图43定义“毛坯”三江学院2013届本科生毕业设计（论文）82定义“毛坯”，本次加工所用的毛坯为长方体铝块。而且CAXA制造工程师目前只能支持方形坯料。如图43所示。3确定“起始点”，此点为全局刀具起始点。如图44所示。4设置刀具库参数，这一工序，我选择的刀具是8MM的平头铣刀。如图45所示。图44确定“起始点”图45设置刀具库参数3选择加工方式。这一工序的加工方式为等高线粗加工。如图46、图47所示。图46选择等高线粗加工图47等高线粗加工选项1加工参数1加工方向为逆铣，Z切入方向的层高为2MM，XY切入行距为6MM、切削模式为环切，前进角度为0，行间连接方向为直线，加工顺序为Z优先，加工余量002MM。2加工边界利用加工边界可将刀具轨迹限制在一定的区域范围之内。加工边界包括Z向高度范围和XOY平面范围两种。Z设定使用范围020，刀具位置在边界外侧。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）93切削用量主轴速度为1500R/MIN，慢速下刀速度为160MM/MIN，切入切出连接速度为160MM/MIN，切削速度为160MM/MIN，退刀速度为200MM/MIN。4刀具参数刀具为8MM的平头立铣刀。5加工参数2、切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。4生成刀具轨迹参数设定完成之后，单击按钮，选取加工对象及加工边界。软件自动生成刀具走刀轨迹。如图所示。5实体仿真这一步操作可以对刀具走刀轨迹进行验证、对加工效果进行评估。如图48、图49所示。图48验证走刀轨迹图49加工效果评估6后置处理后置处理模块包括后置设置、后置处理设置、生成G代码和生成加工工艺单等功能。图410后置设置图411后置处理设置三江学院2013届本科生毕业设计（论文）101后置设置。后置设置就是针对不同的机床、不同的数控系统，设置特定的数控代码、数控程序格式及参数，并生成配置文件。生成数控程序时，系统根据该配置文件的定义，生成特定代码格式的加工指令。后置设置对话框如图410所示。2后置处理设置。后置处理设置就是针对特定的机床，结合已经设置好的机床配置，对后置输出的数控程序格式，如程序段行号、程序大小、数据格式、编程方式等进行设置。如图411所示。3生成G代码。如图412所示。4生成加工工艺清单。如图413所示。图412生成G代码图413生成加工工艺清单32生成曲面粗加工程序这一工序的加工方式也是等高线粗加工。绘制一个160180的长方形加工边界，避免这一步进行倒圆角操作，同时也可以提高加工效率。参数设置步骤与上一工序步骤类似，参数设置完成后生成刀具走刀轨迹，实体仿真，生成G代码及工艺清单。如图414所示。414曲面粗加工生成G代码图415便利纸片凹槽等G代码生成利用相同的加工方法，类似的程序生成方法，还可以加工便利纸片凹槽、显示器凹槽及免提按键凹槽。如图415所示。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）1133生成曲面精加工程序这一工序的加工方式为扫描线精加工。步骤如下1绘制加工边界绘制一个180200的长方形加工边界，这一步需要进行倒圆角加工操作。如图416所示。这一步在选择加工方式之前进行的设置步骤与上一步相同。设置参数部分不一样。2设置参数（如图417）1加工参数加工方向往复，加工方法通常，XY向行距1MM、角度0，加工顺序为截面优先，不加工未精加工区域加工余量0MM，其他参数系统默认。2加工边界Z设定使用范围019，刀具位置在边界内侧。3切削用量主轴速度为2000R/MIN，慢速下刀速度为160MM/MIN，切入切出连接速度为160MM/MIN，切削速度为160MM/MIN，退刀速度为200MM/MIN。4刀具参数刀具为12MM的球头立铣刀。5切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。生成刀具轨迹、实体仿真、后置处理等步骤的操作方法与上一工序的操作方法一样。图416绘制加工边界图417设置参数34生成其他凹槽的加工程序1绘制需加工凹槽的轮廓曲面上各个凹槽的深度参数都不一样，而且数量比较多。如果按照之前的加工方法，刀具在加工时会切到已加工的表面，影响已加工表面的表面质量，而且生成程序时比较麻烦。为了解决这一问题，可以将这些凹槽的轮廓，绘制在一张平面内，生成程序时，逐个选择凹槽。这样比较方便，而且加工时还不会干涉到已加工的表面。如图418所示。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）12图418绘制需加工凹槽的轮廓2生成扩音器凹槽和复位按键凹槽加工程序1扩音器凹槽和复位按键凹槽区域比较窄，用小直径刀具切削时，只需切削一刀，采用轮廓线精加工的加工方式比较合适。2加工参数加工类型偏移，偏移方向左，XY切入行距15、刀次1，加工顺序Z优先，Z切入层高05，加工精度001，加工余量均为0，偏移插补方法为圆弧插补。3加工边界扩音器凹槽Z设定使用范围04。复位按键凹槽Z设定使用范围457。4切削用量主轴速度为2500R/MIN，慢速下刀速度为100MM/MIN，切入切出连接速度为100MM/MIN，切削速度为80MM/MIN，退刀速度为200MM/MIN。5刀具参数刀具为2MM的平头立铣刀。6切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。7参数设置结束后，单击按钮，拾取轮廓线，确定链搜索方向，生成刀具轨迹，生成G代码。3生成其他凹槽的程序剩下的凹槽区域相对宽阔一点，加工方式可以选择区域式粗加工。1加工参数加工方向顺铣,XY切入行距3，切削模式环切，Z切入层高05，加工精度01，加工余量均为0，行间连接方式圆弧插补。2加工边界各区域加工边界参数见表1。3切削用量主轴速度为2500R/MIN，慢速下刀速度为160MM/MIN，切入切出连接速度为160MM/MIN，切削速度为160MM/MIN，退刀速度为200MM/MIN。4刀具参数刀具为4MM的平头立铣刀。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）135切入切出、下刀方式、公共参数等参数采用系统默认。6参数设置结束后，单击按钮，拾取轮廓线，确定链搜索方向，生成刀具轨迹（如图419），生成G代码。图419生成刀具轨迹等高线粗加工部分G代码（详见附件二）N10G90G54G00Z50000N12S1500M03N14X117501Y105131Z50000N6268G00Z50000N6270M05N6272M30等高线精加工部分G代码（详见附件二）N10G90G54G00Z50000N12S2000M03N14X84737Y0179Z50000加工边界按键1凹槽03按键2凹槽14按键3凹槽25按键4凹槽256按键5凹槽457听筒锁凹槽1217便利纸片凹槽25三江学院2013届本科生毕业设计（论文）14N618G00Z50000N620M05N622M30三江学院2013届本科生毕业设计（论文）15第四章零件加工41加工中心VMC850L主要技术参数项目主要参数加工范围X轴行程MM850Y轴行程MM600Z轴行程MM600主轴端面至工作台距离MM100700工作台工作台面积（AB）MM1000600最大承重KG500T型槽（槽数宽度间距）MM518100进给驱动X、Y、Z轴快移速度M/MIN36/36/30X、Y、Z轴伺服电机功率KW3/3/3X、Y、Z轴伺服电机扭矩NM12/12/12X、Y、Z轴伺服电机转速RPM3000/3000/2500X、Y、Z轴丝杠直径MM40/40/40进给速度MM/MIN110000（手动15000）精度定位精度MM0005/300重复定位精度MM0003刀库可选配）刀库容量把24刀库形式圆盘式机械手刀库刀柄形式BT40刀具最大直径（满刀/相邻空位）MM80/125最大刀具长度MM300刀具最大重量KG/把7换刀时间S3数控系统FANUC0IMD气源压力MPA06机床电源V/HZ380V/50HZ三江学院2013届本科生毕业设计（论文）1642程序传输程序生成之后，可以通过软件传输到加工中心中，加工中心才能按照程序加工。在程序传输之前，应根据机床的参数设定传输软件的传输参数，这样传输的程序才能被机床识别。此次，我选择的传输软件为WINPICN。如图所示。1单击“RS232接口设置”，选择“文本格式”。2设定数据接口COM1，波特率19200。图61传输软件的界面在使用此软件进行程序传输的过程中最大问题就在于接口数据的设定，具体内容如图2所示图62参数设定界面三江学院2013届本科生毕业设计（论文）1743加工此次加工所用的机床为皖南机床厂生产的4轴加工中心，系统为西门子802DSL。加工所用的材料为铝块。431加工毛坯此次加工中的坯料是从市场上购买的，尺寸为20018035MM。加工时，尽量在一次装夹加工后，加工更多的面，这样不仅提高了加工精度，而且加工表面质量也会提高。加工步骤首为先去除坯料的毛刺，清理坯料表面。用2对压块将坯料固定在工作台上，坯料下面放置垫铁，用百分表对坯料进行对正，确定一个粗基准，压紧压块。用50MM盘铣刀铣平除压块固定区域以外的平面。换8MM平头立铣刀铣平无压块放置的两侧面。两侧面铣平后，调整两压块的压紧位置，铣平第三个侧面及表面原先被压快压紧的面，利用同样的方法，铣平剩下的一个侧面和表面，这样就已铣平5个面。再把工件翻转，铣平第六个面。为了加工时，刀具不会碰到夹具，因此我需要在工件上铣两个槽，用来供压块夹紧工件。这一步用50MM盘铣刀加工，比较方便。432对刀对刀的目的是确定工件坐标系原点（程序原点）在机床坐标系中的位置，并将对刀数据输入到相应的存储位置。实际上，对刀的过程就是在机床坐标系中建立工件坐标系的过程。根据使用的对刀工具的不同，常用的对刀方法分为以下几种1试切对刀法；2塞尺、标准芯棒和块规对刀法；3采用寻边器、偏心棒和Z轴设定器等工具对刀法；4顶尖对刀法；5百分表或千分表对刀法；6专用对刀器对刀法。此次加工我用的对刀方法为第3种，采用偏心棒和Z轴设定器对刀。对刀方法如下AX轴对刀方法为将偏心棒拨至偏心位置，主轴转速500MM/MIN,将主轴移至工件外，向下移动，直至对刀棒端部位于工件上表面下，慢慢靠近工件，在碰到工件时，手轮倍率调至001MM，继续向工件移动，直至偏心棒上下两部分处于同心位置，记下坐标。再用同样方法碰工件另一边，记下坐标。把两坐标相加之和除以2，得到X轴中心点。同理，找出Y轴中心点。BZ轴对刀方法为手动对刀。C将所有加工用刀具Z轴全部对好。DX、Y中心点输入G54中，Z轴坐标输入至刀具长度参数中，这样加工时比较方便。E检验对刀是否正确。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）18433加工当以上所有前期工作都完成后，关上防护门，在自动方式下，按循环启动按钮，开始加工。三江学院2013届本科生毕业设计（论文）19结束语整个毕设结束了，虽然也算是大学的一项课程，但是没有一次像这样的课程设计能与此次相比，限定了时间长，而且是一人一个课题要求更为严格，任务更加繁多、细致、要求更加严格、独立性要求更加高。加工HCD6138型电话机上表面是本次毕业设计的主要成果内容，首先通过对HCD6138型电话机键盘上表面进行实际测绘得到数据后使用CAD/CAM软件进行数模构建，然后对数模文件进行处理，在内容上包括CAD/CAM软件的图形处理、自动编程等，最后到车间利用导出的G代码进行数控加工，加工了6个多小时，得出实物。通过毕设整个过程，使我加深了对CAD/CAM软件、数控加工的理解认识。这次毕业设计需要我们充分利用在校期间所学的课程的专业知识理解、掌握和实际运用的灵活度。本次毕业设计给我最