数控加工综合实践
马林
目录
1 数控加工综合实践的目的及要求 ..................................................1 2 数控加工综合实践的内容 .............................................................1 3 数控加工综合实践的原理 .............................................................1 3.1零件CAM及数控加工的基本原理 ...........................................1 3.2快速原型制造的基本原理 ......................................................2 4 使用仪器、材料 ............................................................................3 5 数控加工综合实践的步骤 .............................................................4 5.1 零件三维实体造型.................................................................4 5.2 零件CAM及数控加工 .............................................................8 5.3快速原型制造 .......................................................................17 6 数控加工综合实践总结于分析 ...................................................24 心得体会...........................................................................................25 参考文献...........................................................................................25
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1 数控加工综合实践的目的及要求
1.熟悉三维建模（MDT）；
2.了解CAD/CAM及数控加工的基本原理及方法； 3.了解快速原形制造的基本原理及方法； 4.熟悉网络化设计与制造的基本思想及方法；
5.掌握零件从CAD，CAM到数控加工的完整过程或零件从CAD建模到快速制造出原形零件的全过程。
2 数控加工综合实践的内容
1.零件的三维CAD建模；
2.CAM软件应用或快速原形制造数据准备及控制软件的应用； 3.数控加工或快速制作的上机实践。
3 数控加工综合实践的原理
3.1零件CAM及数控加工的基本原理
现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的 CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上。
CAD(Computer Aided Design)是利用计算机的计算功能和图形处理能力,辅助进行产品或工程设计与分析的法。
20世纪40年代，CAD技术开始发展。之后，随着计算机技术的飞速发展，人们开始利用计算机进行复杂的数值计算、非数值计算和事务处理，同时也开始了“人工智能的研究”。1962年，麻省理工学院（MIT）的ROSS DT和COONS SA合作，开始探索计算机辅助设计的研究。Coons在题为“An Outline of the Requirements for the Computer Aided Design”(《计算机辅助设计要求纲要》)的报告中，对CAD作了如下描述：设计者坐在CRT的控制台前用光笔操作，从概
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念设计到生产设计进而到制造，都可以用人机对话形式来实现。因此，CAD的功能不仅仅限于设计，也适用于任何一种创造性的活动，具有高度的人工智能。 随着计算机技术特别是微型机及其绘图技术的发展，CAD技术已在机械、电子、航空航天、建筑等领域得到广泛应用。
进入新的世纪以来，随着计算机网络信息技术的迅猛发展，现代计算机3D技术使人们对现实世界的描述重新回到了原始的直观三维境界，并且已经随着计算机应用的普及在迅速成为今天的现实。
三维CAD是3D技术在现代工业的应用。象CATIA、UG、CAXA等三维CAD软件系统，它基于生产制造应用目的，强调三维模型的精确描述，包括其精确的尺寸、坐标、公差、技术要求以及零件间精确的结构装配关系和结构功能属性等的精确表达。
虚拟现实是3D技术大规模系统应用的方向，强调对三维场景的宏观描述和系统动态关系，在三维模型细节的精确和逼真方面则采取尽可能简化处理。 Mastercam是美国专业从事计算机数控程序设计专业化的公司CNC Software INC研制出来的一套计算机辅助制造系统软件。它将CAD和CAM这两大功能综合在一起，是我国目前十分流行的CAD/CAM系统软件。它有以下特点：
（1） Mastercam除了可产生NC程序外，本身也具有CAD功能（2D、3D、图形设计、尺寸标注、动态旋转、图形阴影处理等功能）可直接在系统上制图并转换成NC加工程序，也可将用其他绘图软件绘好的图形，经由一些标准的或特定的转换文件如DXF文件（Drawing Exchange File）、CADL文件（CADkey Advanced Design Language）及IGES文件（Initial Graphic Exchange Specification）等转换到Mastercam中，再生成数控加工程序。
（2） Mastercam是一套以图形驱动的软件，应用广泛，操作方便，而且它能同时提供适合目前国际上通用的各种数控系统的后置处理程序文件。以便将刀具路径文件（NCI）转换成相应的CNC控制器上所使用数控加工程序（NC代码）。如FANUC、MELADS、AGIE、HITACHI等数控系统。
（3） Mastercam能预先依据使用者定义的刀具、进给率、转速等，模拟刀具路径和计算加工时间，也可从NC加工程序（NC代码）转换成刀具路径图。
（4） Mastercam系统设有刀具库及材料库，能根据被加工工件材料及刀具规格尺寸自动确定进给率、转速等加工参数。
（5） 提供RS－232C接口通讯功能及DNC功能。
3.2快速原型制造的基本原理
快速原型制造时综合利用CAD技术，数控技术，激光加工技术和材料技术
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实现从零件涉及到三维实体原型制造一体化的系统技术。它采用软件离散——材料堆积的原理实现零件的成形。
快速原型制造的具体过程如下：首先利用高性能的CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型；再根据工艺要求，按照一定的厚度在Z向（或其它方向）对生成的CAD模型进行切面分层，生成各个截面的二维平面信息；然后对层面信息进行工艺处理，选择加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码，再加工过程进行仿真，确认数控代码的正确性；然后利用数控装置精确控制激光束或其它工具的运动，在当前工作层（二维）上采用轮廓扫描，加工出适当的截面形状；再铺上一层新的成形材料，进行下一次的加工，直至整个零件加工完毕。可以看出，快速原型制造技术是个由三维换成二维（软件离散化），再由二维到三维（材料堆积）的工作过程。
该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。
以光敏树脂为材料利用紫外光快速成型机制造样件的原理：
（1）紫外光快速秤星机的原理：紫外光束在计算机的控制下，根据分层工艺数据连续扫描液态光敏树脂的表面，利用液态光敏树脂经紫外光照射凝固的原理，层层固化光敏树脂，一层固化后，工作台下移一精确距离，扫描下一层，并且保证相邻层可靠粘结，如此反复，直到成型出一个完整的零件。
（2）原型零件的制作过程：主要包括数据准备、快速成型制作和后处理。其中数据准备包括CAD三维模型的设计、STL数据的转换、制作方向的选择、分层切片以及支撑编辑等几个过程，完成制作数据的准备。
快速成型制作过程就是将制作数据传输到成型机中，然后快速成型出原型零件的过程。
后处理是指整个零件成型完后进行的辅助处理工艺，包括零件的清洗、支撑去除、后固化、修补、打磨、表面喷漆等等，目的是获得一个表面质量与机械性能更优的零件。
4 使用仪器、材料
1.系统硬件：微机1台或工作站1台； 2.系统软件：Windows操作系统；
3.设计软件：MasterCAM、MDT、或UG或CATIA、I-DEAS、Pro/E;
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4.网络环境：局域网、现场总线、Internet； 5.工设备：α—T10A钻削中心、TV5立式加工中心；
6.CPS250B紫外光快速成型机。
5 数控加工综合实践的步骤
用MDT或Mastercam软件完成零件的建模，可应用点，直线，样条线，方框，平面，SWAP曲面，拉升面，面剪切，面之间倒角以及求边界线等功能，零件实体由平面，曲面，圆槽，倒角等构成。设计时应注意一下几点：
1）本次实践CAD软件采用MDT6.0; 2）毛坯尺寸为120×mm80mm×40mm； 3）工件顶面中心点为原点（X0,Y0,Z0）； 4）工件高度小于30mm； 5）工件尺寸不应超出毛坯范围；
6）数控加工时只提供直径10mm端铣刀和R3球头铣刀； 7）孔或槽的尺寸应大于10mm； 8）曲率半径应大于3mm。
5.1 零件三维实体造型
零件分析：该零件几何特征由四棱台、方槽、、半圆孔、、圆角组成。因此可以采用拔模式拉伸四棱台，然后进行挖方槽，进行切割半圆孔，最后进行倒圆角。 1.MDT建立文件：
2.建立工作平面，并开始绘图：
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3.拉伸四棱台：
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底面边长：80mm
高：25mm
斜度：10
4.挖方槽；切割四个半圆孔对称布置；完成后倒角：
槽边长：30mm 深：15mm 孔半径：R
5圆心在顶面
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5.体着色：
完成零件的三维实体造型。保存文件，为后续数控加工作数据准备。
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5.2 零件CAM及数控加工
1.CAD模型文件输出：MDT6.0环境下“文件”——> “ 输出”——>“IGES”——>定义文件名——>保存。
2.用MILL9程序打开IGES文件：启动MILL9——>MainMenu——>File——>Converters——>IGES——>Readfile——>选择IGES文件——>打开——>进入IGES Read Parameters 设置界面，确认Flie is in Metric units——>OK。 3.根据需要可再MILL9环境下移动或比例缩放模型
移动模型步骤：按工具栏按钮Gview-Top,改变视图平面——>MainMenu——>Translate——>ALL——>Surfaces——>Done——>Polar——>输入移动距离（）——>输入移动方向的角度（0度）——>出现Translate提示页面，选中Operation的Move,确认Number of Steps为1——>OK。移动模型，直到工件的顶面中心点的坐标为（X0,Y0,Z0）比例缩放模型：目的是让工件尽可能大，但又符合上述4）5）7）8）。步骤如下：MainMenu——>Xform——>Scale——>All——>Surfaces——>Done——>Origin——>出现Scale提示页面，选中Operation的Move,选中Scaling的XYZ,确认Number of Steps为1.输入X,Y,Z三个方向的缩放比例——>OK。 4.工艺规划
粗加工：用直径10mm端铣刀加工，加工方法选用SURFACE-ROUGH-POCKET; 精加工：用R3mm球头铣刀精加工，加工方法选用SURFACE-FINISH-PARALLEL,考虑到木料纤维方向，保证加工表面质量良好，精加工分两次进行，分别选用0度和90度角交叉加工。
5.设定毛坯尺寸，材料以及工件坐标系 具体设定见图：
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6.画粗加工边界
用鼠标点击工具栏上的Cplane-Top和Gview-Top按钮——>MainMenu——Create——>Rectangle——>1Points——>输入矩形框尺寸为130mm×90mm——>OK——>Origin——>MainMenu——>点击工具栏上的Cplane-3D和Gview-Isometric。
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7.产生粗加工刀轨，步骤如下：
（1） MzainMenu——>用鼠标点击Cplane-Top——>ToolPaths——>surface——>Rough——>Pocket(挖槽加工方法)——>All——>Srufaces——>Done,出现粗加工参数界面——>在ToolParameters页面中的大空白区点击鼠标右键——>Create New Tool——>在Tool Type页面中选刀具类型——>在Tool-Flat End Mill页面中修改Diameter,Flute,Shoulder和Overall值——>点击OK; 返回Tool Parameters页面——>Tool#（9）， FeedRate(1500), Plunge(100),Retract(5000),Program#(0),Spindle(立铣刀为1500，球头铣刀为2000)，Coolant为OFF。 如图：
（2） 切换到Surface Parmeters页面，根据模型确定Clearance（安全平面高度）为20，Retract（退刀平面高度）为10，FeedPlane（进给平面高度）为5，均用绝对值Absolute；确定精加工余量Stock to Leave为0.2。
如图：
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（3） 切换到Rough Pocket Parameters页面，修改Cut tolerance,Max StepDown,Stepover，复选Prompt for entry point和Rough(zigzag)——>按Cut depths按钮，选择Absolute,修改Minimum Depth和Maxmum Depth——>点击OK——>按Gap settings按钮，复选Optimize cut order——>点击OK按钮——>选择第6步画的画粗加工边界——>Done——>选入刀点EndPoint。 如图：
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8.粗加工刀具路径生成：
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9.粗、精加工仿真：
MainMenu——>用鼠标点击Cplane-Top——>Tool Paths——>surface——>Finish——>Parallel——>all——>Surface——>Done——>进入精加工参数界面，其中Tool Parameters,Surface Parameters页面操作方法同粗加工。在Surface Parameters页面精加工余量Stock to Leave输入为0，Finish Parallel Parameter页面，修改Step Over值为0.2，Machine Angle,复选Depth limits（同粗加工）——>确定。
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10.精加工刀具路径生成：
11.两次精加工刀具路径生成：
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12.精加工仿真：
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13.生成刀路源文件，并通过后置处理生成NC程序 (1) 粗加工
% O0000 (PROGRAM NAME14-06-10 TIME=HH:MM9 DIA.OFF.9 DIA.DRAWING2)
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(DATE=DD-MM-YY11:42) N100G21 N102G0G17G40G49G80G90 (TOOL10 LEN.6.) N104T10M6 N106G0G90X-25.063Y-33.945A0.S2000M3 N108G43H10Z20.N110Z5.N112G1Z-31.F100.N114X25.089F2000.N116G0Z5.N118Z10.N120X26.825Y-33.745 ...N328Y-26.92Z-29.95 N330Y-27.341Z-30.339 N332Y-27.457Z-30.411 N334Y-27.758Z-30.996 N336G0Z5.N338Z10.N340X-32.987Y-26.021 N342Z5.N344G1Z-31.F100.N346Y24.131F2000.N348G0Z5.N350Z20.N352M5 N354G91G28Z0.N356G28X0.Y0.A0.N358M30 % 5.3快速原型制造
1.利用TV5立体加工中心加工木块
观察加工中心加工步骤，换刀机构换刀原理及切削过程。
2.CPS250B紫外光快速成型机制样件的操作
紫外光快速成型机的零件制作过程可分为三个部分：数据准备；快速成型制作及后处理。
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1）数据准备
数据处理过程包括CAD三维模型的设计，STL数据的转换，制作方向的选择，分层切片以及支撑编辑等几个过程，完成制作数据的准备。 ①载入茶壶模型如图：
②缩放和平移模型如图：
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③轮廓分层及轮廓状态检查如图：
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④轮廓编辑如图：
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⑤再次检查轮廓状态如图：
⑥设置并显示基础支撑如图：
⑦设置并显示人工支撑如图：
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⑧最后输出当前模型
2）快速成型制作
快速成型制作过程就是将制作数据传输到成型机中，然后快速成型出原型零件的过程，它是快速成型技术的核心。
加载数据准备过程中保存的模型以仿真模式查看如图: 22
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3）后处理
后处理是指零件成型后进行的辅助处理工艺，包括零件的清洗，支撑去除，后固化，修补，打磨，表面喷漆等，目的是获得一个表面质量与机械性能更优的零件。
快速原型制造的实践过程 a 打开总电源开关 b 按下 加热 键
c 打开工控开关，启动WINDOWS98/WINDOWS2000/WINDOWS NT d 按下 伺服 键
e 在工控机中打开RpBuild控制程序，加载待加工零件的*.pmr文件 f 加载托板位置，使之略高于液面
g 点击开始从新制作，制作完成后，将托板升出液面，取出制件将托板清洗干净。
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6 数控加工综合实践分析与总结
本次数控加工综合实践中，通过自己亲手操作实践，初步了解了它的基本原理以及基本操作。
1.通过对MDT软件的初步实用和熟悉，了解了CAD造型的初步原理以及操作。掌握了在设计零件时可以建立多个工作平面来进行全面的画图，对于复杂的零件将复杂的作图过程转换成了单一平面的操作。对于其自动拉伸，旋转，倒角等功能能帮助操作者节省很多精力与时间，并且可以得到合理准确的结果。
2..MasterCAM作为CAM的主流软件，拥有强大的功能和技术支撑。通过试验我了解了MasterCAM的简单使用步骤、CAM的基本功能要求和用途。 它和MDT文件间的转换，让设计与加工可以有机的结合起来，两者之间的关系让CAD和CAM协调合理的结合，并且它可以实现NC程序编制的自动化，方便了自动加工这一最终步骤。因此CAM是利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的各种直接和间接活动，他包括了计算机辅助生产计划，计算机辅助工艺规程设计等内容。
3.快速原型制造在用于模型以及零件样品制作方面有着无与伦比的优势，因其相对于其他零件制造方式有着如下明显优势： a) 更适合于形状复杂的、规则零件的加工； b) 减少了对熟练技术工人的需求
c) 没有或极少下脚料，是一种环保型制造技术
d) 成功的解决了计算机辅助设计中三维造型“看得见，摸不着”的问题 e) 不需要专用的工装夹具和模具，缩短新产品的开发周期，降低开发的成本；
综上，我认为数控技术是现代先进制造技术的核心。随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越复杂，对产品的性能、精度和生产效率的要求越来越高，并且更新换代频繁。为了缩短生产周期，满足市场上不断变化的需求，机械制造业正经历着从大批量到小批量及单件生产的转变过程，而传统的制造手段已满足不了当前技术的发展和市场经济的要求，数控技术的应用和发展，有效的解决了上述问题，它使传统的制造方式发生了根本性的转变。
由于仪器的制造精度和分层精度以及树脂由于存放环境导致提前变质都会影响快速原型制造出来的产品的误差。
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心得体会
短短的一周实习，我从中学习了很多，也感受了很多，这是一次难得的实习经历。首先，我对这次实习非常感兴趣，也相信这一周的学习，能够帮助我建立起初步的设计、快速成型的模式，丰富我的经历，帮助我在日后能更快适应工作。通过这一星期的数控加工实习，我了解到很多工作常识和虚拟技术在制造中发挥的重要作用，这是我大学生活中的又一笔宝贵的财富。同时，我也明白了看似简单的操作、道理，如果你不能认真去对待，那么，极有可能得到错误的答案。严谨的态度是设计者必须具备的素质。这必将对我以后的学习和工作有很大的帮助。
在本次数控综合实践过程中，我基本掌握了零件的三维实体造型软件MDT的基本原理、基本思想和基本操作；让我掌握了零件CAM设计软件Mastercam9.0的基本原理、基本思想，并通过实例手柄的CAM让我清楚了零件CAM的整个过程和顺序；让我掌握了快速原型制造的基本原理和基本思想，刘老师也通过几个实例让我明白了快速原型制造中的数据准备过程和原型零件的制作仿真过程。
通过三次上机实验，我按照老师上课讲授的知识通过计算机实现完成了上机任务，试验中虽然遇到一些问题，但是在老师和同学的帮助下，自己领会贯通，做到发现问题解决问题的原则，都顺利解决了。例如：在三位成型时，由于对软件不熟悉，误操作使实体中出现了一块空白，在仿真中，切不到自己想要的模型。最后，在林老师的帮助下，我查找到错误，重新进行了设计，顺利完成了设计任务。感谢实习过程中老师们对我的帮助，让我在实习过程中获益匪浅。
短短的一个星期，对我们这些机自专业的工科学生来说，是特别的宝贵。这次实习是一次美好的回忆。
参考文献
1）《数控综合实践指导书》
陶桂宝、刘英、张毅编写，2005 2）《机械制造技术基础》
袁绩乾主编，机械工业出版社，2002 3）《数控加工技术》
蒋和生主编
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