[建筑]零件三維建模實驗

1、.目 錄實驗一 零件的三維建模實驗2實驗二 從零件的CAD數(shù)據(jù)模型自動生成數(shù)控加工代碼和加工仿真實驗7實驗三 集成化CAD/CAPP系統(tǒng)實驗16*;實驗一 零件三維建模實驗一、實驗?zāi)康?、 了解特征設(shè)計在CAD/CAM集成中的意義；2、 熟悉特征的種類的劃分及特征拼合的基本方法，了解參數(shù)化設(shè)計方法。3、 了解各種計算機繪圖軟件的同時，掌握計算機繪圖的系統(tǒng)知識，培養(yǎng)獨立上機繪制二維、三維圖形的能力， 二、實驗原理圖形是人類傳遞信息的一種方法，從二維平面圖到三維立體圖，人類經(jīng)常要繪制各式各樣的圖紙。零件特征是零件們某一部分形狀和屬性的信息集合，如孔、槽臺和基準(zhǔn)等，一方面它能方便地描述零件的幾何形狀

2、；另一方面，它能為加工、分析及其它工程應(yīng)用提供必要和充分的信息。基于特征的設(shè)計是CAD技術(shù)的發(fā)展，它克服了傳統(tǒng)CAD的缺陷。傳統(tǒng)CAD只能表達(dá)底層的零件幾何定義信息，如線架、邊界表示（B-rep）和實體結(jié)構(gòu)幾何（CSG）的信息，點、線、面、體等，無法表達(dá)高層語義和功能信息，也不能對整個產(chǎn)品的外形進(jìn)行抽象描述，更無法表達(dá)產(chǎn)品非幾何信息，如工藝信息（公差 裝配等）、精度信息、材料信息、功能信息等。特征是完整描述產(chǎn)品信息的方法，也是系統(tǒng)的靈活性和產(chǎn)品間數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)途徑，特征已成為設(shè)計、制造、分析等各種應(yīng)用之間傳遞信息的媒體。特征設(shè)計是在設(shè)計階段捕捉除幾何信息以外的設(shè)計與加工信息，從而避免了特征提取

3、與識別?；谔卣鞯脑O(shè)計系統(tǒng)使用參數(shù)化特征，并通過各類屬性來描述零件的幾何形狀以及它們之間的功能關(guān)系，系統(tǒng)通常提供特征庫，通過布爾運算等操作來生成零件的特征表示，但特征是孤立的信息，只有約束才能把它串聯(lián)起來，形成產(chǎn)品。因而把約束定義為產(chǎn)品生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)對產(chǎn)品模型的類型、屬性、語義和行為的限制，它是維持產(chǎn)品模型有效性的手段，它決定著產(chǎn)品的有效性和可實現(xiàn)性，具有一定的定義、識別、分類。特征的分類方法很多，其嚴(yán)格依賴于特征定義，兼顧抽象、語義和形狀因素。形狀特征的分類具有嚴(yán)格的教學(xué)形式，并符合已有實踐和認(rèn)識，對于特征庫的建立，具有指導(dǎo)意義。從應(yīng)用觀點出發(fā)，特征分類有：1、 按對待特征技術(shù)的研究劃分：

4、特征識別、特征造型、特征映射。2、 按產(chǎn)品設(shè)計制造過程劃分：設(shè)計特征、分析特征、公差特征、制造特征、檢驗特征、機器特征等。3、 按特征性質(zhì)：形狀特征、精度特征、材料特征、工藝特征及裝配特征。4、 按制造特點劃分：毛坯特征、過渡特征、基本特征、表面特征和拼裝特征等。有人把特征只分為兩類：形狀特征和工藝特征。形狀特征用于構(gòu)造零件的形狀；工藝特征具有零部件加工、裝配過程中應(yīng)用的實際意義。形狀特征又可進(jìn)一步分為兩類：基本特征和輔助特征?；咎卣鳂?gòu)造零件模型的主要形狀；輔助特征是依賴于基本特征而又具有某一特殊功能的特征。特征造型是按對特征技術(shù)的研究劃分中的一種類型。特征造型將幾何、拓?fù)湫畔⒓捌湎嚓P(guān)屬性參

5、數(shù)化，考慮設(shè)計與制造意圖的高層描述。使用特征進(jìn)行設(shè)計具有很多優(yōu)點，其總體設(shè)計過程如下：1、 使用參數(shù)變量設(shè)計方法構(gòu)造輪廓；2、 根據(jù)已有參數(shù)進(jìn)行工程分析；3、 根據(jù)形成輪廓構(gòu)造體素；4、 定義特征；5、 建立特征庫6、 從特征庫調(diào)用特征，構(gòu)造零件模型。一個特征造型系統(tǒng)至少應(yīng)由三部分組成：1、 特征單元及拼合運算模塊；2、 特征庫；3、 顯示處理模塊。需要特別進(jìn)行兩方面的工作：1）、實現(xiàn)特征的參數(shù)化；2）、提供一種適合特征造型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以滿足特征信息的存儲要求，同時實現(xiàn)快速靈活的查詢。該系統(tǒng)的信息模式設(shè)計必須考慮到：1）、具有完備的數(shù)據(jù)定義 ；2）、CAD和CAM兩方面的要求；3）、具有數(shù)據(jù)唯

6、一性?；谏厦娴臈l件，我們選用Pro/ENGINEER系統(tǒng)作為上機實驗的特征造型系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對CAD/CAM進(jìn)行特征建模。實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，零件和裝配件的物理形狀特征屬性值（主要尺寸）來驅(qū)動，用戶可以隨意修改特征尺寸或其它屬性。數(shù)控加工在制造業(yè)中占有非常重要的地位，數(shù)控機床是一種高效的自動化設(shè)備，它可以按照預(yù)先編制好的零件數(shù)控加工程序自動地對工件進(jìn)行加工。理想的加工程序不僅應(yīng)能加工出符合圖紙要求的合格零件，同時還應(yīng)使數(shù)控機床的功能得到合理的應(yīng)用與充分的發(fā)揮。以使數(shù)控機床安全可靠且高效地工作。對于幾何形狀不太復(fù)雜的零件加工，可使用手工編程，但對于幾何形狀復(fù)雜的空間曲面或幾何元素雖不復(fù)雜但程序量

7、很大的零件，手工編程比較困難，可采用自動編程的方法。自動編程是用計算機來幫助人們解決復(fù)雜零件的數(shù)控加工編程問題。自動編程又可按編程方式的不同分為APT（Automatical Programmed Tools）語言及圖象編程兩種方式。APT語言：APT語言是對工件、刀具的幾何形狀及刀具相對于工件的運動進(jìn)行定義時所用的一種接近于英語的符號語言，把用該語言書寫的零件程序輸入計算機，經(jīng)計算機APT編譯系統(tǒng)編譯，產(chǎn)生數(shù)控加工程序。圖象編程方式：其主要特點是以圖形要素為輸入方式，而不需要使用數(shù)控語言。從編程數(shù)據(jù)的來源，零件及刀具幾何形狀的輸入、顯示和修改，刀具相對于工件的運動方式的定義，走刀軌跡的生成，

8、加工過程的動態(tài)仿真顯示，刀位驗證到數(shù)控加工程序的產(chǎn)生等都是在圖形交互方式下利用屏幕菜單和命令驅(qū)動進(jìn)行的，具有形象、直觀和效率高等優(yōu)點。PRO/ENGINEER系統(tǒng)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)及參數(shù)化特征描述方法。其制造模塊（PRO/M）能產(chǎn)生生產(chǎn)過程規(guī)劃，具有鉆孔、車削、多坐標(biāo)銑削、電火花線切割等加工編程能力?；诖讼到y(tǒng)，產(chǎn)生零件的NC代碼。三、實驗儀器 微機 5臺 配置如下：硬件：1）三鍵鼠標(biāo)；2）17吋以上顯示器；3）CPU至少為400MHZ以上；4）RAM至少為128MB以上；5）顯卡至少支持OPEN GL；軟件：操作系統(tǒng)為WindowsNT4.0、Windows2000或者Windows X

9、P。四、實驗內(nèi)容及步驟Pro/E有零件設(shè)計、加工模擬、裝配、工程圖、有限元分析等幾個功能模塊。我們首先設(shè)計一個零件，采用逆向設(shè)計，生成一個立體零件，也可利用CAD工程圖。Pro/E是先設(shè)計零件的實體，而后經(jīng)對應(yīng)的投影生成對應(yīng)的三視圖、剖面和局部視圖等。我們先設(shè)計一個實體零件，三維圖形狀及尺寸如圖1所示：Pro/E進(jìn)行實體設(shè)計時先設(shè)計2D平面圖，然后進(jìn)行拉伸、挖剪、掃描、旋轉(zhuǎn)、混合等操作而生成三維立體圖。圖1 加工零件那么，我們先進(jìn)行2D設(shè)計，進(jìn)入二維狀態(tài)。1、進(jìn)入Pro/E系統(tǒng)后，在主菜單的File / NEW 選Part / name 命名 OK2、建立坐標(biāo)系 在浮動菜單Menu Manag

10、er 中 Feature / Create / Datum / plan / Default 生成三維坐標(biāo)系。如圖所示，首先生成長方體然后再挖剪P字。3、拉伸創(chuàng)建實體l Create / Solid / Protrusion / Extrude / Solid / Done l One side / Donel Setup plan / plan / Pick 選 DTM3(箭頭指向外，即要拉伸的方向) / OKl Top / 選DTM2(進(jìn)入2D模式)4、設(shè)計平面圖l Sketch / rectangle (用鼠標(biāo)左鍵拖動對角線生成)l 標(biāo)注尺寸：Dimension (用鼠標(biāo)中鍵選定放置位置

11、，可用左鍵+shift鍵合用代替。)l 尺寸修改 Modify 選尺寸進(jìn)行修改。如下圖2：Regenerate / Donel Blind / Done 拉伸厚度為 5 OK5、挖剪實體 P 字我們要在所設(shè)計的立方體的前面挖一個P字，那么要選定前面為基面畫一個P字，或?qū)懸粋€P字進(jìn)行CUT操作。l Feature / Create / Solid / Cut / Extrude / Solid / Donel One side / Donel Plane / Pick 選實體的前面，紅箭頭向內(nèi)，否則選 Flid / okeyl Top 選頂面。圖2 尺寸選擇l Sketch / Line / 2

12、 point (畫圖直線) / Arc / 3 point (畫半圓，選兩點，畫半圓，系統(tǒng)默認(rèn)相切，如不相切，可將圖縮小比例在分辨率低的時認(rèn)為相切，其它作圖也如此。)標(biāo)注尺寸：l Dimension / (尺寸要標(biāo)注全)l Modify / 選尺寸進(jìn)行修改。如下圖3所示：圖3 尺寸選擇l Regeneration / Done / Done (紅箭頭指向p字的內(nèi)側(cè))l Blind / Done / 2 / OKl 選視圖的Default 視圖l 保存，或另存， 命名。生成三維實體零件后，進(jìn)入Drawing模塊很容易得到三視圖、剖視圖、局部視圖等。由于是尺寸驅(qū)動，修改任意視圖的尺寸，其余各視圖都

13、對應(yīng)同時改變。6、CAD圖形輸出l 在drawing模塊下進(jìn)行CAD設(shè)計或編輯二維視圖。l Open/ New 選drawing模模式命名l 在彈出窗口下選圖紙大小l Wives/Add wive/general/donel 將視圖放在合適的位置，在對話框中選擇適當(dāng)參考面定作為主視圖的視圖l Add wive/half wive/done，加側(cè)視圖和俯視圖l show/erase在對話框中選標(biāo)注尺寸形式而后點擊show all后接受l 在file/export/model/l 在選DXF或DWG文件格式，此格式是AutoCAD可以讀出的格式五、思考題1、 特征建模和實體造型的特點？2、 參數(shù)化

14、設(shè)計和單一數(shù)據(jù)庫有何優(yōu)點？實驗二 從零件的CAD數(shù)據(jù)模型自動生成數(shù)控加工代碼和加工仿真實驗一、實驗?zāi)康?、熟悉CAD/CAM集成和圖形交互自動生成NC代碼的過程。2、熟悉ASC碼形成的刀位數(shù)據(jù)文件、刀具清單、操作報告、中間模型和機床控制文件。二、實驗原理Pro/NC能生成數(shù)控加工的全過程?？缮傻奈募ǎ篈SC碼形成的刀位數(shù)據(jù)文件、刀具清單、操作報告、中間模型和機床控制文件。工作過程如下圖1所示：由流程圖可看出，首先要定義加工模型和參數(shù)，然后建立不同的加工工序，最后生成刀位軌跡，并進(jìn)行后置處理。加工模型工件設(shè)計模型建立加工數(shù)據(jù)庫夾具機床刀具建立操作定義NC操作建立刀位數(shù)據(jù)文件后置處理圖 1

15、工作流程Pro/NC 工作步驟：1、 創(chuàng)建或檢索加工模型2、 建立加工數(shù)據(jù)庫，包括：l 定義NC工序所使用的機床。l 選取創(chuàng)建所使用的刀具。l 定義夾具。l 設(shè)置加工參數(shù)。l 建立刀位CL數(shù)據(jù)的輸出格式。3、 建立一個操作l 提供操作名。l 指定NC工序所使用的機床。l 選取或創(chuàng)建坐標(biāo)系。l 指定操作參數(shù)。l 定義起始/停止點。4、 定義操作的NC工序，指定NC工序類型后需要做：l 選取或創(chuàng)建所制定的刀具。l 設(shè)置加工參數(shù)。l 選取或創(chuàng)建坐標(biāo)，已確定工件在機床上的位置。如果需要，可定義一個退刀面。l 為NC工序指定幾何參照對象。l 定義刀具軌跡的起點和終點。5、 模擬去除材料的過程，為NC工序

16、提供基于幾何參照對象的自動材料去除過程。6、 對NC工序進(jìn)行修改；更換刀具、參數(shù)、切削運動尺寸等，也可重新定義NC工序的方法或其從屬操作。7、 生成并保存刀具文件，并可同時將刀為文件后處理為NC機床控制文件。三、實驗儀器與實驗一相同。四、實驗內(nèi)容及步驟（一）、 加工模式l 選主菜單命令File / Newl 選Manufacturing類型，Sub_Type選 NC_Assemble。輸入加工文件名 / OK。l 進(jìn)入加工模式，該模式下的主要功能有：l Mfg Model 生成加工模式l Mfg Setup 設(shè)置加工環(huán)境l Machining 定義、驗證、處理刀具軌跡。l CL date 生成

17、活修改刀位輸出。 l 創(chuàng)建被加工零件（裝配件加工）l MANUFACTURE / MFG Model / Assemble / Ref Modell 在彈出的窗口中選取所要加工的零件 / openl Create / Workpiece 輸入工件名 / 回車。開始創(chuàng)建工件毛坯，與在零件模式下過程一致。l Solid / Protrusion / Extrude / Solide / Donel One side / Done選擇零件的后表面為草圖平面。l Plane / Query Sel 選零件的右側(cè)，選Next 后面變紅，Accept。l 選File時紅箭頭向外（向外拉伸） / OKl T

18、op 選上表面。l 進(jìn)入草圖模式。選SKETCHER / Geom Tool / Use Edgel 依次選取零件的外輪廓四邊為工件的截面，變?yōu)榧t色， / Donel Blind / Done 輸入厚度值 回車 / OKl 將視圖放置為缺省值l Done / Return（二）、 建加工數(shù)據(jù)庫這里我們夾具不定義，取默認(rèn)設(shè)定。定義一個操作。l Mfg / Setup / Operation / Done Oper / mill / 3 Axis / Done / Done上述過程定義了一個三坐標(biāo)的銑床，下一步定義機床坐標(biāo)。l MACH CSYS / Create / Pick 選取零件毛坯，此時

19、零件變?yōu)榧t色。Pnt + 2Axes / Done (一點兩邊，紅箭頭為當(dāng)前坐標(biāo)軸，選垂直屏幕方向為Z軸。) 如下圖5所示：選X_Axis、 Y_Axisl Done Oper / Done/Return圖5 顯示毛坯零件（三）、定義NC工序NC工序的確定沒有定式，通常取決于工程師的經(jīng)驗。該實驗只作粗加工。MANUFACTUER / Machining 彈出 manufacturing Info 對話框。可查看加工信息，由于NC尚未定義，所以Tool Path Info為空。Machining / Operation / NC Sequence / Pocketing / Done / Don

20、e常用的銑削方法：此時彈出Tool Setup 對話框，設(shè)定參數(shù)。擊Apply。在對話框中的File / Done。如圖6所示：Volume 用2.5軸的方法銑削一定體積內(nèi)的材料Local Mill 去除先前NC工序殘留的材料。Conventl srf 銑削平面，其軌跡在平面內(nèi)相互平行。Contour srf 銑削平面，其軌跡平行于被加工平面的輪廓。Face 用2.5軸的方法銑平端面。Profile 用刀具的側(cè)面銑削曲面輪廓。Pocketing 用銑削內(nèi)槽的方法銑削曲面。圖6 工具設(shè)置對話框Trajectory 用交互式的方法銑削曲面。Engraving 雕刻加工。Plunge 鉆銑加工。然后

21、進(jìn)行加工參數(shù)的指定。Set / 彈出 Param Tree 對話框。如圖7所示：CUT_FEED 切削進(jìn)給率STEP_DEPTH 進(jìn)給深度STEP_OVER 側(cè)向切深PROF_STOCK_ALLOW 輪廓銑削后的毛坯余量BOTTOM_ANGLE 底面的毛坯余量CUT_ANGLE NC坐標(biāo)下的切削角SCAN_TYPE 加工區(qū)域時軌跡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CLEAR_DISK 下刀緩沖距離對上述各參數(shù)進(jìn)行設(shè)指定。圖 7 Param Tree 對話框在Param tree 對話框中選File / Exit / Done完成對加工參數(shù)的設(shè)定，進(jìn)入指定退到面，彈出對話框。選Along Z Axis 輸入Z向距離 O

22、K（四）、 定義加工特征在完成上述操作后，要選定加工特征的區(qū)塊。l GET SELECT / Query Sell 選要加工的特征，選中后Accept。重復(fù)操作 / Done Selshow 看加工特征是否都變?yōu)樗{(lán)色，否則 Add / Query Sel 重復(fù)上述操作，直到加工特征全選上為止。l Done/Return（五）、刀具軌跡模擬在完成NC序列之前我們可以進(jìn)行動態(tài)模擬刀具軌跡，用戶可以檢驗加工時的刀具軌跡。Play Path / NC check / Run 或 Play Path / Screen Play / Run l 可選Cutter Step 修改刀具步距，enter ent

23、er 輸入步距，改變 刀具步距使加工模擬速度慢下來。如圖8所示：圖 8 加工模擬在此時可對刀位數(shù)據(jù)文件進(jìn)行編輯。l Show File 彈出子菜單，可顯示CL（刀位數(shù)據(jù)）文件的內(nèi)容。如下圖9所示：l CL DATA / Edit SELECT FEAT / Operation / OP010 / CONFIRMATION / Confirm 彈出對話框，可對之進(jìn)行編輯。確認(rèn)后保存文件。l Done Seq /（六）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（NC代碼輸出）經(jīng)過上述過程，我們已經(jīng)完成了對零件的設(shè)計和加工過程，當(dāng)整個操作結(jié)束時我們變得到了ASC碼形式的刀位數(shù)據(jù)文件，但在實際加工時機床控制器不能識別這種格式的文件，

24、需要將刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為機床能識別的文件，也就是NC代碼。這一過程稱為后置處理。后置處理器（Post Processor）：用戶通過CAD或APT系統(tǒng)生成刀位數(shù)據(jù)文件，該文件含有零件的數(shù)據(jù)加工指令。后置處理器是一種應(yīng)用程序，用于處理這些刀位數(shù)據(jù)文件，將加工指令轉(zhuǎn)化為NC/CNC機床能夠識別的代碼，生成機床控制器數(shù)據(jù)文件。圖 9 信息窗口進(jìn)入后置處理器模式：1、從主菜單進(jìn)入：選擇主菜單命令 Applications / NC Post Processor 系統(tǒng)進(jìn)入后置處理器模式。2、從Pro/NC進(jìn)入：選擇MANUFACTURE / Mfg Setup / PProcessor 命令進(jìn)入，彈出

25、OptFile 窗口。我們可以新建一個后置處理器（本實驗CAD/CAM就不作該部分練習(xí)），可查看系統(tǒng)缺省的驅(qū)動器及目錄。在List file of type 下拉列表框中選取銑床后置處理器“Mill Postprocessors”在Option file in current directory 列表框中選取哈斯立式機床“0011.HAAS VF8”。系統(tǒng)彈出對應(yīng)的方案文件。如機床類型、機床控制器數(shù)據(jù)(NCD)文件格式、列表文件格式、序號（如圖10所示）、預(yù)備/G代碼、輔助/M代碼、冷卻液輔助/M代碼等等。具體 操作過程如下：l CL Date / Output / Select One /

26、Operation / 選 Op010 / File 選CL File 和 Interactive兩項。/ Done 輸入文件名 / OK.l File 選 CL File 、MCD File 和 Interactive 三項。/ Done輸入文件名 / OK / Done.生成的文件為MCD文件，即機床能夠識別的NC代碼。l 彈出PP OPTIONS菜單，選Verbose、Trace兩項命令。l 彈出后置處理器列表PP LIST菜單，將光標(biāo)選擇第1項 UNCX01.P11，對應(yīng)的機床為銑床。系統(tǒng)提示輸入程序的起始行號，該機床對程序序號的要求為10。(在后置處理器中查看現(xiàn)有的后置處理器，選Mi

27、ll Postprocessors銑床，系統(tǒng)在 Option file to open 中可查看對應(yīng)的方案文件，其中 Sequence Numbers 中的 Start sequence 為10，如前文圖)處理完成之后系統(tǒng)彈出 INFORMATION WINDOW 窗口，顯示處理結(jié)果。圖 10 結(jié)果顯示CL File 將刀位軌跡輸出到刀位文件中。MCD File 對刀位文件進(jìn)行后置處理，生成機床控制器數(shù)據(jù)文件。經(jīng)上述操作，生成的NC代碼可在寫字板或記事本中打開。以下為生成的NC代碼和刀位數(shù)據(jù)文件。圖11 NC代碼及刀位文件五、思考題1、什么是后置處理程序？2、簡述Pro/NC生成數(shù)控代碼的全過

28、程。實驗三 集成化CAD/CAPP系統(tǒng)實驗一、 實驗?zāi)康耐ㄟ^對CAD/CAPP集成專家系統(tǒng)工作原理的分析和實例的運行，使學(xué)生了解：（1）CAD/CAPP集成化的意義和實現(xiàn)方法，集成指的是信息的集成，CAD系統(tǒng)除描述零件的幾何信息之外，還必須描述零件的制造信息和總體信息，才能實現(xiàn)CAD/CAPP間完整的數(shù)據(jù)傳遞（2）采用特征建模技術(shù)實現(xiàn)零件信息完整描述的方法（3）CAPP 與專系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，使CAPP能夠模仿人類專家進(jìn)行判斷、推理、進(jìn)行工藝決策的過程方法。這一實驗可使學(xué)生加深和鞏固對課程所學(xué)相關(guān)知識的理解和掌握，并為今后從事CAD/CAM 的研究與開發(fā)打下基礎(chǔ)。二、 實驗原理CAD/CAPP集成專家系統(tǒng)是燕大自行開發(fā)的，適于齒輪類零件設(shè)計和工藝設(shè)計的系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)采用特征建模技術(shù)實現(xiàn)零件信息的完整描述。CAPP接收CA