模型飞机设计及其数控加工

CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY毕业设计〔论文〕题目：模型飞机设计及其数控加工学生姓名：学号：班级:专业：指导教师：2012年3月题目模型飞机设计及其数控加工学生姓名：学号：班级：:指导教师：完成日期:模型飞机设计及其数控加工摘要飞机外形设计是飞机设计过程中不可缺少局部，在提高飞机速度方面起着不可替代的作用，随着空气动力学的开展和各种高端技术的介入，飞机的外形逐渐向流线型和多层机翼等方向演变，大大降低了空气阻力、加大了推力及升力，并提高了飞机的灵活度，数控技术在飞机加工制造方面的应用和开展，使得飞机制造走向高精度化、高效率化和自动化。本课题通过Pro/E的三维建模和曲面造型等方法设计飞机外形，使得飞机外形设计面向可视化，然后通过Pro/E的NC模块，自动生成NC序列后转化成数控加工G代码，再经过后续处理便可模拟机床加工，实现在虚拟的环境中进行飞机外形的设计和加工。关键词：飞机外形；三维建模；曲面造型；数控加工；NC序列目录1.绪论 11.1设计、研究的背景及目的 1设计及研究的背景 1设计及研究的目的 11.2国内外研究状况和开展趋势 21.2.1飞机外形设计开展趋势 21.2.2国内外数控技术开展趋势 31.3设计、研究采用的方法 41.4设计的重点与难点 41.4.1设计的重点 51.4.2设计的难点 52.Pro/E与模型飞机外形设计 62.1Pro/E软件概述与特点 62.1.1Pro/E软件的概述 62.1.2Pre/E软件的特点 62.2模型飞机整体设计思路 72.3模型飞机机身设计 92.3.1新建零件文件 92.3.2建立草绘 92.3.3创立曲面组 102.3.4镜像操作 132.3.5合并与实体化操作 132.3.6创立旋转特征 142.3.7创立拉伸特征 152.3.8创立机尾的边界混合特征 182.3.9驾驶舱及其它部位设计 192.4模型飞机机翼设计 212.4.1新建零件文件 212.4.2草绘 212.4.3创立拉伸特征1 212.4.4创立边界混合特征 222.4.5创立拉伸特征2 242.4.6鸭翼与尾翼的创立 242.5模型飞机各组件的组装 253.模型飞机数控编程及模拟加工 273.1数控加工的原理及特点 27数控加工的原理 273.1.2数控加工的特点 273.2基于Pro/E的NC加工操作流程和模拟仿真 283.2.1创立工艺文件 293.2.2制造设置 303.2.3模型飞机毛胚的粗加工 323.2.4模型飞机毛胚的精加工 343.2.5后置处理与NC序列的生成 383.2.4仿真加工 464.结论 48参考文献 491.绪论1.1设计、研究的背景及目的设计及研究的背景随着社会的开展和人类科技文明的进步，飞机已越来越成为人们生活中不可或缺的一局部，不管是在航空运输还是用于军事战争，航空领域已越来越受到人们的重视，因此，飞机的研究和设计应运而生，并迅速开展，成为继汽车、航海后的又一重要领域。其中，飞机外形的设计不仅影响飞机整体的审美观，更对飞机的高速性、灵敏性起着至关重要的作用。近年来，随着数控行业的不断兴起和开展，数控技术的不断完善，其高效性、高精度性和高自动化性，吸引越来越多的飞机制造企业走进数控加工时代。同时，飞机业的开展也推动了数控技术的前进，从以前的3轴数控加工到现在的5轴联动数控技术，实现了数控技术向通用性、柔性、适用性、可扩展性开展，并可以轻易的实现智能化和网络化。目前,数控加工技术已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。数控加工的最大特征有两点:一是可以极大地提高精度,包括加工质量精度及加工时间误差精度;二是加工质量的重复性,可以稳定加工质量,保持加工零件质量的一致。数控加工具有如下优点:提高生产效率;不需熟练的机床操作人员;提高加工精度并且保持加工质量;可以减少工装卡具;可以减少各工序间的周转,原来需要用多道工序完成的工件,用数控加工可以一次装卡完成,缩短加工周期,提高生产效率;容易进行加工过程管理;可以减少检查工作量;可以降低废、次品率;便于设计变更,加工设定柔性;容易实现操作过程的自动化,一个人可以操作多台机床;操作容易,极大减轻体力劳动强度。设计及研究的目的(1).通过三维绘图软件进行模型飞机的设计和优化，并模拟其数控加工；(2).通过此次设计，使自己掌握飞机外形设计和数控加工的相关知识，并提高自己分析和解决问题的能力；(3).熟悉数控加工技术在模型飞机方面的应用；(4).熟悉Pro/Engineer数控加工，设计零件模型，绘制零件三维图和工程图，进行零件数控加工工艺分析。1.2国内外研究状况和开展趋势随着计算机技术的不断开展,使得飞机外形设计处于不断变革之中,传统技术不断精化,新材料、新结构加工、成形技术不断创新,集成的整体结构和数字化制造技术构筑了新一代飞机外形设计的主体框架。目前的飞机制造业的数控技术应用水平高,不仅数控设备利用率高,而且加工效率极高,加工周期短,劳动生产率也不断提高。飞机制造业中数控技术开展现状和应用水平主要表达在:广泛采用CAD/CAM系统和DNC技术,到达数控加工高效率,建立了柔性生产线和开展了高速切削加工技术。1.2.1飞机外形设计开展趋势近年来，飞机的开展方向进入了超音速时代，飞机速度的提高，除了归功于喷气式发动机技术的进展外，更重要的应归功于超音速空气动力学的突破，飞机外形随着空气动力学的开展而不断变化，由于飞机是在大气层内飞行，主要依靠空气产生的升力来平衡飞机的自身重力、利用各种气动力来操纵飞机的飞行，因此空气动力学的开展对飞机的诞生和飞机外形的演变起着决定性的作用。首先是机翼外形，在以前低速飞机的时代，机翼外形一般为矩形的直机翼，而现代超音速飞机的机翼除了采用薄翼外，还采用向后斜的后掠机翼，以减少阻力，可直接使飞机速度提得更高，后来由后掠机翼演变而来的三角机翼已在战斗机中广泛采用。其次在机身外形方面也有很大变化，典型的超音速飞机机身是“蜂腰”行的，这种机身外形可以大大减小阻力，尖的机头、蜂腰机身和三角机翼已成为飞机开展的典型布局。空气动力学业越来越着眼于飞机机体的设计方面，提高飞机的巡航组比，最有潜力的是机翼翼面流动的层流化，如能将飞机上翼保持全弦长层流，那么可提高巡航组比10%.20%。要得到实用的层流机翼的设计方法，须弄清楚附面层转动的机理，以便建立模型，用CFD〔计算流体力学〕方法进行精确的实验验证，对于机身等不易获得层流的气动部件，要研究实用的紊流减阻措施，因此随着空气动力学的开展，飞机机翼的开展经过了直机翼、后掠翼与变后掠翼，S形机翼与边条翼，正常式布局与鸭式布局，单垂尾与外倾双垂尾的开展变化。随着现代计算机技术的不断开展完善，计算机辅助设计〔CAD〕技术、CAE技术以及可用于飞机外形设计和结构布局研究计算的流体力学〔CFD〕、CFX设计技术使飞机外形和结构设计手段更加先进、完善。目前，通过高性能计算机可以完成飞机结构和外形设计、强度计算和性能分析一体化设计，通过计算机网络技术能够实现结构设计、计算、生产工艺控制和产品加工一体化。1.2.2国内外数控技术开展趋势1949年美国的Parson公司和美国麻省理工学院合作，用时三年研制出能进行三轴控制的数控加工铣床样机，取名为“NumericalControl”。1953年美国麻省理工学院研发出了只要确定零件轮廓，并指定切削路线，便可生成NC程序的自动编程语言。1959年美国的Keaney&Trecker公司开发了能进行自动换刀的刀库，一次装夹中就能进行钻、铣、镗、攻丝等多种功能集于一身的数控机床，这就是加工中心。1968年英国首次将无人化搬运小车、自动仓库和多台数控机床，在计算机的控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统〔FMS〕。1974年，机床的数控系统中开始使用微处理器，从此CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的开展得以快速开展。1976年美国的Lockhead公司开始使用图像编程技术，利用CAD绘制出加工零件的模型，在显示器上“指定”被加工的部位，同时输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径并进行模拟加工状态，获得NC程序。DNC(直接数控)技术开始于20世纪60年代末期，它是利用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。DNC群控技术是柔性制造技术的根底，如今数控机床上的DNC接口就是用来给机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。当今，随着DNC数控技术的开展，数控机床已成为了无人控制工厂的根本组成单元。20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均是由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。其中，数控是其根本控制单元。20世纪90年代，基于PC.NC的智能数控系统开始得到开展，它打破了原数控厂家封闭式专用系统结构模式，提供了开放式根底，使升级换代变得较为容易。充分利用了现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得到实现。我国虽早在1958年就开始研制数控机床，但是由于种种原因，研究一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，我国曾掀起研制数控机床的热潮，但那时是采用分立元件，性能不稳定及可靠性差。1980年北京机床研究所引进了日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进了美国GE公司的MTC－1数控系统，辽宁精密仪器厂引进了美国Bendix公司的DynapthLTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的根底上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统系统，我国航天部706所研制出了MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织了近百个单位进行以开展自主版权为目标的“数控技术攻关”，为数控技术产业化建立了根底。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC.NC的HNC数控系统，这到达了国际先进水平，增加了我国数控机床在国际上的知名度。据1997年不完全统计，全国拥有了数控机床12万台。目前，我国数控机床的生产企业有100多家，数控机床的年产量增加到1万多台，品种满足率到达了80%，同时在有些企业实施了FMS和CIMS工程，我国数控机床及其加工技术进入了实用阶段。1.3设计、研究采用的方法本设计主要采用Pro/Engineer进行复杂曲面类零件的设计,绘出模型飞机的三维外形图，并采用Pro/Engineer提供的体积块加工、局部铣削、曲面铣削、轮廓加工、刻模加工、孔加工等方法进行加工编程以及实现整个加工过程的过切检测和切削仿真过程。1.4设计的重点与难点毕业设计作为大学本科教育的最后实践教学环节，所以难度必定胜于以往的一些设计，因为这个设计的选题涉到的知识面相当的广阔，从理论学习到实践，还包括一些辅助软件的学习。其次，设计对可行性要求很高，有的甚至需要做出实际产品，这个过程困难重重。所以，我认为毕业设计是我们从理论校园到社会运用的一个过渡阶段，是对我们四年来所学知识的一次综合性检验，是对我们所学知识的掌握与应用程度的考验。1.4.1设计的重点本设计主要采用Pro/E进行三维建模和模拟数控加工，而且飞机外形的各个面都是曲面，因此要求用Pro/E进行曲面建模与设计，并且在模拟数控加工时须采用5轴数控机床，采用曲面铣削功能，所以对Pro/E的熟悉与掌握程度要求较高，尤其是Pro/E的三维建模与曲面铣削模块。因本设计是面向社会化的，因此可行性也是本设计的重点，在实际数控加工过程中，我们必须考虑过切性，因此，在Pro/E的数控模拟中，我们必须进行过切检查，以保证实际加工过程中不会出现损坏刀具或机床的故障。在模拟数控加工时，要求我们对5轴数控加工机床有一定的了解，以便我们如何选择机床和数控加工程序的后处理1.4.2设计的难点首先，本次设计的主要内容是模型飞机，此前我们很少接触这方便的内容，所以须得参考大量资料和书籍，整理绘出有关飞机的尺寸与结构图，再通过Pro/E绘出各个部件，再加以装配，我想这是此次设计的最大难点。其次，本设计主要采用Pro/E绘图的方法分别绘出飞机给个部件的结构尺寸图和三维图，然后通过Pro/E的模拟加工模块，生成飞机各个部件的数控加工程序代码，并进行模拟数控加工。最后，我们之前接触的机床大多是3轴加工的，对5轴机床的了解存在盲区，因此在最后的模拟数控加工时难免遇到各种问题，比方：机床型号的选择、刀具的选择、Pro/E中NC序列的后处理和G代码的后续处理等。2.Pro/E与模型飞机外形设计2.1Pro/E软件概述与特点Pro/E软件的概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司〔PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块，以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。2.1.2Pre/E软件的特点 (1)单一数据库 Pro/E是建立在统一基层的数据库上，而一些传统的CAD/CAM系统是建立在多个数据库上，用Pro/E进行设计时，在整个过程中任何一处发生任何变动，都可反映到整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使得产品的设计更方便、更优化、更高质、本钱更低。 (2)基于特征的参数化建模参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。参数化建模通过调整几何参数来修改和控制几何图形，从而自动实现产品的精确造型，这些几何参数包括模型定型、定位尺寸等。不同于CAD设计以图形线条为设计元素，Pro/E以参数为设计元素，从构建特征入手，建立零件数字化模块，参数化技术以约束为核心，优点主要有：对设计人员的初始设计要求低，提高了设计的柔性；便于系列化设计，同种规格的零件，不同尺寸系列可在一次设计成型后通过修改尺寸得到，节省了大量的重复设计时间，简便快捷，为数字化制造建立了根底；便于随时编辑、修改，满足反复设计要求。(3)完全相关行相关性是指所有的Pro/E功能都相互关联，用户在产品开发和设计过程中的任一环节进行的修改都将影响到整个设计，同时自动的将模型装配、平面工程图、模型加工数据等工程文档进行更新。(4)工程数据在利用三维实体造型将三维实体模型用于机械产品的CAD/CAE/CAM过程，用户可随时计算出产品的质量、体积、惯性矩等相关的物理量、几何量，可迅速了解产品的结构，掌握产品的信息，减少人为计算时间。2.2模型飞机整体设计思路本设计要完成的模型飞机外形如图2.2.1、2.2.2所示，在该模型飞机设计中，只要求设计飞机的根本整体外观效果，而不用涉及机体发动机部件和内部一些配件的设计。图2.2.1模型飞机整体外观本设计主要用Pro/E分别构建模型飞机的机翼、机身等，然后利用Pro/E的组装功能，组装成一个完整的模型飞机，再把飞机上的一些部位细化，如：圆角、倒角等。在该设计中，将综合应用到拉伸工具、旋转工具、边界混合工具、倒圆角工具、实体化工具、基准平面工具、基准点工具、偏移工具和镜像工具等。图2.2.2模型飞机整体外观2.3模型飞机机身设计2.3.1新建零件文件在工具栏中单击〔创立新对象〕按钮，或者在菜单栏中选择【文件】→【新建】命令，翻开“新建对话框”；在“类型”选项组中选择“零件”按钮，在“子类型”选项组中选择“实体”按钮；在“名称”文本框中输入“plane.jishen.PRT”,将“使用缺省模板”复选框取消选择，然后点击【确定】按钮；在弹出的“新文件选项”对话框中，选择mmns_part_solid模板，点击【确定】按钮，进入零件设计界面。2.3.2建立草绘选择要作为草绘平面的TOP基准面，接着在右工具箱中点击〔草绘工具〕按钮，弹出“草绘”对话框；接受以RIGHT基准平面作为“右”方向参考，点击【草绘】按钮或者单击鼠标中键，进入草绘；绘制如图2.3.1所示的草图，单击〔完成〕按钮完成草绘，并继续完成图2.3.2所示的草图；点击右工具箱的(基准平面工具)，或者选择【插入】→【模型基准】→【平面】命令，以RIGHT面为基准面，向右偏移350插入平面“DTM1”；以DTM1为草绘平面，以TOP基准平面作为“左”方向参考，完成如图2.3.3的草图。并继续完成图2.3.4、2.3.5、2.3.6、2.3.7所示的草图。图2.3.1图2.3.2图2.3.3图2.3.4图2.3.5图2.3.6图.3创立曲面组点击右工具箱的(边界混合工具)按钮，或选择菜单栏中的【插入】→【边界混合】命令，翻开边界混合工具操控板；结合【Ctrl】键，选择要进行混合的边界〔如图2.3.8〕；在边界混合工具操控板中点击按钮，完成如图2.3.9所示的曲面，并继续完成图2.3.10、2.3.11、2.3.12、2.3.13所示的曲面；最终完成的曲面组如图2.3.14所示。图2.3.8图2.3.9图2.3.10图2.3.11图2.3.12图2.3.13图.4镜像操作图2.3.15结合【Ctrl】键，在模型树中选择要镜像零件的名称〔如图2.3.15〕，从而选中该模型的所有特征，单击右工具箱的〔镜像工具〕按钮，或选择菜单栏中的【编辑】→图2.3.15选择TOP基准平面作为镜像参考平面；在镜像平面工具操控板中单击〔完成〕按钮，镜像结果如图2.3.16所示。图.5合并与实体化操作结合【Ctrl】键，在模型树中选择要合并的边界混合曲面〔如图2.2.17〕；点击右工具箱的〔合并工具〕按钮，或选择菜单栏中的【编辑】→【合并】命令，翻开合并工具操控板；图2.3.17在合并工具操控板中单击〔完成〕按钮，完成曲面合并，合并结果如图2.3图2.3.17在模型树中选择合并特征，再在菜单栏中选择【编辑】→【实体化】命令，翻开实体化工具操控板；在实体化工具操作板中点击〔完成〕按钮，完成实体化操作，其结果如图2.3.19所示。图2.3.18图.6创立旋转特征点击右工具箱中的〔旋转工具〕按钮，翻开旋转工具操控板；在旋转工具操控板中点击“放置”选项标签，翻开“放置”面板，再点击【定义】按钮，翻开“草绘”对话框；选择TOP平面为草绘平面，点击【草绘】按钮，进入草绘模式；绘制出如图2.3.20所示旋转剖面，并绘制一根中心线，用以定义旋转轴，点击〔完成〕按钮；图2.2.20因系统默认的旋转角度为360°，直接点击操控板中的〔完成〕按钮，之后再选择实体化，完成创立的旋转实体如图2.3.图2.2.20以同样的方法完成机尾〔图2.3.22〕的旋转实体特征的创立。图2.3图2.3.22图.7创立拉伸特征创立拉伸特征1点击右工具箱的〔拉伸工具〕按钮，翻开拉伸工具操控板；图2.3.23在拉伸工具操控板中点击“放置”选项标签，翻开【放置】面板，接着点击“放置”面板中的【定义】按钮，在弹出的“草绘”对话框中选定TOP图2.3.23绘制如图2.3.23所示的截面，单击〔完成〕按钮；在拉伸工具操控板中的拉伸方向上选择〔两侧拉伸〕，深度框中输入深度值为80，其它选项系统默认；在拉伸工具操控板中点击〔完成〕按钮，创立的拉伸实体特征如图2.3.24所示。图2.3.24创立拉伸特征2点击右工具箱的〔拉伸工具〕按钮，翻开拉伸工具操控板；图2.3.25在拉伸工具操控板中点击“放置”选项标签，翻开【放置】面板，接图2.3.25绘制如图2.3.25所示的截面，单击〔完成〕按钮；在拉伸工具操控板中的拉伸方向上选择〔两侧拉伸〕，深度框中输入深度值为80，其它选项系统默认；在拉伸工具操控板中点击〔完成〕按钮，创立的拉伸实体特征如图2.3.26所示。图2.3.26创立拉伸特征3点击右工具箱的〔拉伸工具〕按钮，翻开拉伸工具操控板；图2.3.27在拉伸工具操控板中点击“放置”选项标签，翻开【放置】面板，接着点击“放置”面板中的【定义】按钮，弹出“草绘”对话框，“放置”选项卡中的选项如图2.3图2.3.27绘制如图2.3.28所示的截面，单击〔完成〕按钮；图2.3.28在拉伸工具操控板中的拉伸方式上选择〔移除材料〕图2.3.28在拉伸工具操控板中点击〔完成〕按钮，创立的拉伸实体特征如图2.3.29所示。图2.3.29创立机尾的边界混合特征点击右工具箱的(边界混合工具)，或选择菜单栏中的【插入】→【边界混合】命令，翻开边界混合工具操控板；结合【Ctrl】键，选择要进行混合的边界〔如图2.3.30〕；图2.3.30在边界混合工具操控板中点击按钮，完成如图2.3.31所示的曲面，并继续完成图2.3.32、2.3图2.3.30选定刚创立的三个边界混合特征，进行合并后实体化，最终完成的机尾实体特征如图2.3.34所示。图2.3图2.3.32图2.3.31图2.3图2.3.34图2.3.33驾驶舱及其它部位设计点击右工具箱的〔拉伸工具〕按钮，翻开拉伸工具操控板；在拉伸工具操控板中点击“放置”选项标签，翻开【放置】面板，接着点击“放置”面板中的【定义】按钮，在弹出的“草绘”对话框中选定FRONT平面作为草绘平面，RIGHT平面作为“右”方向参考，点击【草绘】按钮，进入草绘模式；绘制如图2.3.35所示的截面，单击〔完成〕按钮；图2.3.35图2.3.36在拉伸工具操控板中的拉伸方式上选择〔移除材料〕，深度框中输入深度值大于50，其它选项系统默认，在拉伸工具操控板中点击〔完成图2.3.36绘制如图2.3.36所示草图，并进行边界混合特征，完成后的特征如图2.3.37所示；继续完成如图2.3.38、2.3.39、2.3.40的边界混合特征。结合【Ctrl】键，在模型树中选定刚创立的边界混合特征，进行合并与实体化操作。图2.3图2.3.38图2.3.37图2.3图2.3.40图2.3.39完成以上建模特征后，飞机机身的整体图如图2.3.41图2.3.41飞机整体特征2.4模型飞机机翼设计2.4.1新建零件文件在工具栏中单击〔创立新对象〕按钮，或在菜单栏中选择【文件】→【新建】命令，翻开“新建对话框”；在“类型”选项组中选择“零件”按钮，在“子类型”选项组中选择“实体”按钮；在“名称”文本框中输入“plane.jiyi.PRT”,将“使用缺省模板”复选框取消选择，然后点击【确定】按钮；在弹出的“新文件选项”对话框中，选择mmns_part_solid模板，点击【确定】按钮，进入零件设计界面。2.4.2草绘选择要作为草绘平面的FRONT基准面，接着在右工具箱中点击〔草绘工具〕按钮，弹出“草绘”对话框；接受以RIGHT基准平面作为“右”方向参考，点击【草绘】按钮或者单击鼠标中键，进入草绘；图2-4-1绘制如图2.4.1所示的草图，点击〔完成〕按钮完成草绘。图2-4-12.4.3创立拉伸特征1点击右工具箱的〔拉伸工具〕按钮，翻开拉伸工具操控板；在拉伸工具操控板中点击“放置”选项标签，翻开【放置】面板，接着点击“放置”面板中的【定义】按钮，在弹出的“草绘”对话框中选定TOP平面作为草绘平面，RIGHT平面作为“右”方向参考，选定之后点击【草绘】按钮，进入草绘模式；图2-4-2绘制如图2.4.2所示的截面，单击〔完成〕按钮；图2-4-2在拉伸工具操控板中的拉伸深度框中输入深度值为2，其它选项系统默认；在拉伸工具操控板中点击〔完成〕按钮，创立的拉伸实体特征如图2.4.3所示。图.4创立边界混合特征点击右工具箱的(边界混合工具)，或选择菜单栏中的【插入】→【边界混合】命令，翻开边界混合工具操控板；结合【Ctrl】键，选择要进行混合的边界〔如图2.4.4〕；在边界混合工具操控板中点击按钮，并继续完成图2.4.5所示的曲面.结合【Ctrl】键，在模型树中选定刚创立的曲面，进行合并与实体化操作，完成后的实体特征如图2.4.6.图2.4.4图2.4.5图.5创立拉伸特征2点击右工具箱的〔拉伸工具〕按钮，翻开拉伸工具操控板；在拉伸工具操控板中点击“放置”选项标签，翻开【放置】面板，接着点击“放置”面板中的【定义】按钮，在弹出的“草绘”对话框中选定FRONT平面作为草绘平面，RIGHT平面作为“右”方向参考，点击【草绘】按钮，进入草绘模式；绘制如图2.4.7所示的截面，单击〔完成〕按钮；在拉伸工具操控板中的拉伸方式上选择〔移除材料〕，深度框中输入深度值大于50，其它选项系统默认，在拉伸工具操控板中点击〔完成〕按钮；完成的机翼外形如图2.4.8所示。图2-4-8图2-4-7图2-4-8图2-4-72.4.6鸭翼与尾翼的创立图2-4-10图2-4-9利用拉伸特征与圆角特征创立创立鸭翼〔图2.4.9〕与尾翼〔图2.4.图2-4-10图2-4-92.5模型飞机各组件的组装在工具栏中单击〔创立新对象〕按钮，或者在菜单栏中选择【文件】→【新建】命令，翻开“新建对话框”；在“类型”选项组中选择“组件”按钮，在“子类型”选项组中选择“设计”按钮；在“名称”文本框中输入“plane.ASM”,将“使用缺省模板”复选框取消选择，然后点击【确定】按钮；在弹出的“新文件选项”对话框中，选择mmns_part_solid模板，点击【确定】按钮，进入组件设计界面；点击〔添加元件〕按钮，翻开文件对话框，选择“plane.jishen.PRT”，接着点击【翻开】按钮，进入组件工具操控板，在“位置”选项中选择“缺省”放置，接着点击〔完成〕按钮；点击〔添加元件〕按钮，翻开文件对话框，选择“plane.jiyi.PRT”，接着点击【翻开】按钮，进入组件工具操控板，在“放置”选项卡中，其与上机身的约束关系如图2.5.1和图2.5.2所示；继续步骤五的操作，直至把所有组件都组装好，最终组装好的模型飞机如图2.5.3和图2.5.4所示。图2.5.1图2.5.2图2.5.3图2.5.43.模型飞机数控编程及模拟加工3.1数控加工的原理及特点数控加工的原理采用数控机床进行加工零件，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等信息通过数字信息的形式，编写程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转为驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件的协调动作，自动地加工出零件来。需要更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入机床，即可让数控装置代替人的大脑和双手的大局部功能来控制加工，从而制造出任意复杂的零件。其数控加工的原理如图3.1.1所示。零件图纸工艺分析数值计算程序清单控制介质程序零件图纸工艺分析数值计算程序清单控制介质程序校核数控装置输入装置输出装置伺服机构工作台毛胚工件数控机床的控制系统一般都能按照数字程序指令来控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，也能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，可以完成加工中所需要的各种辅助动作。3.1.2数控加工的特点数控机床一开始就定位于具有复杂型面的飞机零件作为加工对象，立足于解决普通加工方法难以加工的问题。数控加工的最大特点是用穿孔带(或磁带)控制机床进行自动加工。由于飞机和发动机零件具有不同的特点：飞机的零构件尺寸大、曲面形状复杂；发动机零构件尺寸小、要求精度高。因此数控机床多用于飞机和发动机制造部门，但所用数控机床又有所区别，在飞机制造中以采用连续控制的大型数控铣床为主，而在发动机制造中既采用连续控制的数控机床，也采用点位控制的数控机床，总的来说，数控加工具有以下特点：(1)自动化程度高，且具有很高的生产效率整个加工过程除手工装夹毛坯和卸下工件外，其余的全部加工过程都可由数控机床自动完成。假设配合自动装卸的装置，那么是组成无人工厂的根本单元。并且数控机床一般带有可以进行自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序进行自动控制，因此，工序比拟集中，减轻了工人的劳动强度，改善了劳动条件，有效地提高了生产效率。(2)加工精度高，质量稳定数控加工尺寸精度控制在0.005～0.01mm之间，并且不受零件复杂程度的影响。数控加工自动化，防止普通机床上因工人的疲劳、粗心、估计等人为因素带来的误差，提高了产品的一致性，而且精密控制的机床上还安装了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。(3)柔性化高，加工能力强传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专用机床，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，加工能力弱。而数控机床只需改变程序，就可以加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，具有高强的加工能力。易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控由于数控机床采用数字化控制信息，方便与计算机辅助设计系统进行连接，形成了CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。3.2基于Pro/E的NC加工操作流程和模拟仿真利用Pro/ENC加工模块来实现模型的数控加工的根本过程与实际加工过程根本相似。首先，利用Pro/E的零件设计模块将工件的几何图形绘制到计算机中形成图形文件，然后调用Pro/ENC加工模块进行刀具路径处理，由计算机自动对零件加工轨迹进行计算和数学处理，从而生成刀具路径文件，然后经过相应的后置处理自动生成数控加工对应的G代码，并在计算机上动态模拟刀具的加工轨迹，其流程图如图3.2.1。参照模型参照模型工件模型制造模型加工工艺设计刀具选择机床选择设置加工操作环境定义机床类型、参数定义夹具类型、参数设置设计NC加工序列生成刀具路径模拟、检验刀具路径后置处理NC代码定义后置处理定义退刀面定义加工几何体设置加工刀具参数设置加工工艺参数驱动数控机床加工图3.2.1Pro/E数控加工流程图本课题加工的工件为模型飞机，因飞机存在外部结构〔机翼、尾翼、鸭翼〕的影响，故不能通过一次加工完成，所以，我将模型飞机的加工分为机身、机翼两局部的加工，因机翼结构简单，以下数控加工不作说明，重点讲模型飞机机身的数控加工及仿真。3.2.1创立工艺文件(1)新建NC文件在工具栏中单击〔创立新对象〕按钮，或者在菜单栏中选择【文件】→【新建】命令，翻开“新建对话框”。在“类型”选项组中选择“制造”按钮，在“子类型”选项组中选择“NC组件”按钮；在“名称”文本框中输入“nc-plane.ASM”,将“使用缺省模板”复选框取消选择，然后点击【确定】按钮。在弹出的“新文件选项”对话框中，选择mmns_mfg_nc模板，点击【确定】按钮，进入Pro/ENC模块。(2)创立工件与工件毛胚在工具栏中单击〔装配参照模型〕按钮，在系统弹出的对话框中选择“plane.jishen.jiagong.prt”飞机机身，单击【翻开】，进入装配参照模型操控板界面。在装配参照模型操控板中单击“放置”，翻开“放置”选项卡，接着在“约束类型”中选择“缺省”，其它选项系统默认，之后单击〔完成〕按钮，创立后的工件如图3.2.2所示。图3.2.2工件模型在工具栏中单击〔创立自开工件〕按钮，在系统自动创立飞机机身毛胚，在经过适当修整后，单击按钮，创立如下图的工件毛胚。图3.2.3工件毛胚模型3.2.2制造设置(1)机床设置选择【步骤】→【操作】命令，翻开操作设置对话框。在操作设置对话框中单击，翻开机床设置对话框，选择机床类型为铣削，选择机床联动的轴数为5轴，其它选项系统默认，单击【确定】完成设置，完成的机床设置对话框如图3.2.4所示图3.2.4机床设置(2)工件坐标系的设置在操作设置对话框一般选项卡参照栏中机床零点后单击按钮，系统弹出制造坐标系对话框，在工作区中单击选取“NC_CSO”坐标系，作为工件坐标系。(3)退刀面的设置在操作设置对话框一般选项卡退刀栏中曲面后点击按钮，系统弹出退刀设置对话框，“类型”选择圆柱，“参照”选择NC_CSO:F9(坐标系)，“方向”选择X方向，“值”输入150，完成后的退刀设置如图3.2.5所示。图3.2.5退刀设置完成以上操作后的制造设置如图3.2.6所示图3.2.6制造设置3.2.3模型飞机毛胚的粗加工本设计的模型飞机的粗加工采用体积块铣削加工，因为是粗加工，对刀具的选择和加工参数的设置无需精加工的严格，在满足加工条件的前提下，可自行选择。(1)创立切削体积块在工具栏中单击〔铣削体积块工具〕按钮，进入体积块创立模式，选择工具栏中的〔拉伸工具〕，创立好实体后，工具栏中的【裁剪】命令被激活，选择【裁剪】命令，再在模型树中选择工件后单击〔完成〕按钮，完成体积块的创立，创立的体积块如下图。图铣削体积块(2)创立体积块铣削选择【步骤】→【体积块粗加工】命令，翻开如下图的菜单，勾选刀具、参数、退刀曲面、体积选项，单击【完成】，对系统弹出的刀具设置、加工参数设置、退刀面设置分别进行如下设置，并选取要切削的体积块后，单击【完成序列】命令，完成体积块铣削的创立。(3)刀具的设置此次加工是对毛胚的粗加工，参照工件的尺寸，可选择直径为5mm的端铣刀，其它详细设置如图图图图刀具设置(4)加工参数设置对于毛胚的粗加工而言，在满足加工要求的条件下，跨度和步长深度可稍微取大点，以提高加工效率，此次加工的主要参数设置如表，其它选择系统默认。切削进给100步长深度(mm)1公差(mm)0.01跨度(mm)2平安距离(mm)1主轴速率(r/min)5000表粗加工参数设置(5)退刀设置在系统弹出的退刀设置对话框中进行如图的设置图3.2.10退刀设置以上操作完成后便完成了粗加工的全部设置，在模型树中选择刚创立的“体积块铣削[OP010]”，进行屏幕演示和过切检测，为后续NC序列的输出做准备。模型飞机毛胚的精加工(1)创立曲面铣削单击工具栏中的〔曲面铣削〕按钮，或选择【步骤】→【曲面铣削】命令，在弹出的系统菜单中选择“5轴”，之后单击【完成】，系统弹出图3.2.11所示的菜单项选择项，在“序列设置”下的复选框中选择刀具、参数、曲面、定义切削，接着单击【完成】，进行刀具设置和加工参数设置后进入如图3.2.12所示的曲面拾取菜单，选择模型后单击【完成】，进入曲面拾取模式，结合【Ctrl】键，选取如图3.2.13所示的曲面，完成后弹出切削定义对话框，设置好后单击确定，完成曲面铣削的创立。图图图3-2-7图图图图3-2-7图3-2-6图3.2.13(2)加工刀具的设置Pro/E5.0提供的铣削类型有：铣削、端铣削、球铣削、外圆角铣削，数控加工刀具为了适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，在选择刀具类型时注意以下几个方面：对于凹形外表和凸形外表，在精加工和半精加工时，应选择球头铣刀，因为在进行自由曲面加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，切削行距一般取得很密，因此可以保证加工精度，以得到较好的外表质量，但在粗加工时宜选择平端立铣刀或圆角立铣刀，这是因为球头刀切削条件较差；对带脱模斜度的侧面，宜选用锥度铣刀，虽然采用平端立铣刀通过插值也可以加工斜面，但会使加工路径变长而影响加工效率，同时会加大刀具的磨损而影响加工的精度。而本设计的待加工面根本为凸形曲面，且存在较小的曲度，故本设计的刀具选择球形立铣刀。本设计的铣削曲面的内轮廓的最小曲率半径为5mm，一般球铣刀半径应小于内轮廓的最小曲率半径，故本加工的球头铣刀直径可选5mm，其它刀具参数设置如图3.2.14所示图3.2.14刀具参数设置(3)加工参数的设置由于球头铣刀的实际参与切削局部的直径和加工方式有关，在选择切削用量时必须考虑其有效直径和有效线速度〔图3.2.15〕。球头铣刀的有效直径计算公式：dd图3.2.15铣刀有效直径铣刀实际参与切削局部的最大线速度定义为有效线速度。球头铣刀的有效线速度为：vv高速铣削加工参数确实定主要考虑加工效率、加工外表质量、刀具磨损以及加工本钱。不同刀具加工不同工件材料时，加工参数会有很大差异，目前尚无完整的加工数据，可根据实际选用的刀具和加工对象参考刀具厂商提供的加工参数选择。一般的选择原那么是中等的切削进给量fz，较小的轴向切深ap，适当大的径向切深〔跨度〕ae，高的切削速度v。常见切削参数的选择见表3.2加工类型v(m/min)apaefz粗加工1006-8%d35-40%d半精加工150-2003-4%d20-40%d精加工200-250表3.2.2切削参数选择eq\o\ac(○,1)切削宽度〔跨度〕的选择一般切削宽度〔跨度〕与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。经济型数控加工中，一般切削宽度的取值范围为：L=(0．5.0．8)d。其值越小，切削线就越密，因本设计中的切削刀具为球铣刀，其切削宽度越小越好，考虑其加工效率和球铣刀的直径，综合确定本设计的跨度取0.2mm。eq\o\ac(○,2)主轴速率的选择主轴转速一般根据切削速度v来选定。计算公式为：n=v/πdr/min，式中。d为刀具或工件直径(mm)，因本设计的NC加工为精加工，须高切削速度，根据表3.2.1可取切削速度v=200m/min，再根据刀具直径，计算出主轴转速n为12738r/min，可取主轴速率为12000r/mineq\o\ac(○,3)切削进给的选择切削进给应根据零件的加工精度、外表粗糙度、刀具和工件材料来选择。切削进给的增加可以提高加工效率，在加工外表粗糙度要求低时，可选择得大些，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等因素的限制。本设计的切削进给选择10。确定好以上参数后，其它参数系统默认，最终的主要加工参数设置如表所示。切削进给50公差(mm)0.01跨度(mm)0.2平安距离(mm)0.5主轴速率(r/min)12000表精加工参数设置切削定义的设置在完成曲面拾取后，系统回弹出“切削定义”的对话框，用以选择切削类型，本加工采用自由曲面等值线的切削类型，其详细设置如图3.2.16所示。图3.2.16切削定义设置屏幕演示完成所有加工序列的创立后，在模型树中的上单击右键，选择【播放路径】命令，等待命令处理完后，在弹出的对话框中单击【开始】按钮，那么在工作区间进行屏幕演示，并出现刀具路径，如下图。图3-2-15图图3-2-153.2.5后置处理与NC序列的生成(1)NC后置处理此次数控加工使用的机床为FANUC16iM系统的五轴数控机床，其主要G功能代码和M代码如表所示。指令代码功能G00快速定位G01直线插补G02顺时针圆弧插补G03逆时针圆弧插补G04暂停G54-G59工件坐标系设置G70英制G71公制G80循环停止G81钻孔循环G82锪孔循环G83深钻孔循环G84攻丝循环G85镗孔循环M00程序暂停M01程序选择停止M02程序结束M03主轴顺时针旋转M04主轴逆时针旋转M05主轴停转M06换刀表3.2.4FANUC系统G和M指令代码功能了解以上FANUC16iM五轴机床指令代码后，便可在Pro/E上进行NC加工程序的后处理，选择【应用程序】→【NC后处理器】命令，翻开如下图的窗口，选择【File】→【New】命令，在弹出的新建对话框中选择“Mill〔铣床〕”，后，单击【NEXT】按钮，弹出图所示的对话框，在“MachineNumber(机器标识号)”后输入“60”，接着单击【NEXT】，在接着弹出的对话框中选择“Systemsupplieddefaultoptionfile(选择系统提供的缺省文件)”，单击【NEXT】，选择“10：FANUC16MCONTROL”，单击【NEXT】，在“OptionFileTitle”后输入“FAUNC16MCONTROL–PLANE”，再单击【FINISH】，完成机床的初始化设置。图3.2.18NC后处理器窗口图完成以上步骤后，其余的选项设置如下：eq\o\ac(○,1)机床类型设置在如下图的对话框中选择“5-AxisDualRotaryHeadorNutator”类型的五轴数控机床。图3.2.20机床类型设置eq\o\ac(○,2)程序开始与结束的设置一般属性如下图图3.2.21一般属性Codes/Chars属性设置如下图图Codes/Chars设置DefaultPrepCodes属性设置如下图图3.2.23DefaultPrepCodes设置eq\o\ac(○,3)机床加工代码设置准备功能代码(G代码)设置如下图图准备功能设置辅助功能(M代码)设置如下图3.2.25辅助功能设置eq\o\ac(○,4)刀具半径补偿的G代码和输出方式的设置如图和图图刀具半径补偿G代码设置图3.2.27五轴机床刀具半径补偿输出方式eq\o\ac(○,5)有关主轴的设置如同所示图3.2.28有关主轴的设置(2)生成数控加工的NC序列图选择【编辑】→【CL数据】→【输出】命令，系统弹出系统弹出如图3.2.29所示的菜单项选择项，选择【NC序列】命令，弹出如图3.2.17所示的菜单，在“NC序列列表”中选择【1：曲面铣削】，接着在弹出菜单项选择项中选择【文件】命令，勾选CL文件、MCD文件和交互选项复选框后，单击【完成】，进入保存文件对话框，在“新名称”栏输入“nc-plane.ncl”，单击【确定】后，系统弹出如图3.2.30所示的后置处理菜单项选择项，可以使用系统默认选项，直接单击【完成】命令。系统弹出如图3.2.31所示的后置处