基于mastercam建模与仿真加工本科学位论文

毕业设计（论文）

题目：组合装配体的CAD/CAM建模与

数控加工

学院：机电工程学院

专业班级：机械工程及自动化08级（3）班

指导教师：职称：

学生姓名：

学号：

摘要

Master CAM就是其中之一。MastermCAM是集于CAD与CAM于一体，是一套完整的CAD/CAM交互型图形集成系统，自诞生以来，得到了广泛应用，是目前世界上安装套数最多的CAD/CAM软件之一。目前在我国机械加工行业也是使用较普遍的一种软件，它可用于数控机床，数控铣床，数控镗床，加工中心，数控线切割机床等，而且能数用于多种数控装置的机床。可实现产品的设计，工程图绘制，2-5坐标的镗铣加工，车削加工。2-4坐标的切割加工，钣金下料等，该软件使用方便，容易掌握，被广泛用于机械制造业和模具行业的零件二维绘图三维设计，数控自动编程与加工。

本设计从实际出发，通过Mastercam X设计一个组合装配体零件，然后对整体零件凸模与凹模进行详细的工艺分析，走刀路径模拟和仿真加工过程。在完成此加工仿真典型实例的基础上，本文总结了基于MasterCAM软件进行模具加工仿真的一般方法，并对其进行了进一步的研究与探索。

CAM加工方案包括机床类型选择、刀具路径选择和加工参数设置；数控加工工艺包括加工方案的选择、毛坯材料的选择、毛坯结构尺寸与建模、工装夹具的设计和装配、刀具卡、切削用量的计算、量具选择与检验方法、热处理等。在仿真加工中对比了粗加工、半精加工和精加工的加工效果。

关键词：组合装配体，数控铣床，仿真加工，CAM，MastercamX

ABSTRACT

MastermCAM is set in CAD and CAM at an organic whole, is a complete set of CAD/CAM interactive graphics integrated system, since its birth, to a wide range of applications, the world's most cycle of installed one of CAD/CAM software. In our country at present is mechanical processing industry is a more common use of a software, it can be used for numerical controlled machine, CNC milling machine, CNC and boring machine, processing center, nc wedm etc, and can count for a variety of numerical control device of machine tools. Can realize the design of the product, engineering chart drawing, 2-5 coordinates of boring and milling, turning processing. 2-4 coordinates of cutting processing, metal materials, the software is convenient to use, easy to master, is widely used in mechanical manufacturing and mould industry part 2 d graphics 3 d design, CNC automatic programming and processing.

This design from reality, through the Mastercam X to design a combination of assembly parts, and then the whole part of convex die and the concave die for detailed process analysis, tool path simulation and Simulation of machining process. Upon completion of the machining simulation based on typical examples, this article summarized based on the MasterCAM software for mold processing general simulation method, and has carried on the further research and exploration.

CAM processing scheme including machine type selection, the tool path selection and processing parameters Settings; Numerical control processing technology including processing scheme selection, blank material choice, the blank structure size and modeling, tooling/fixture design and assembly, cutting tools, cutting the amount of calculation card, measuring choice and inspection method, heat treatment, etc. In the simulation processing in contrast the rough machining, half finishing and finish machining processing effect.

目录

第一章绪论…………………………………………………

1.1 Mastercam概述………………………………………………………………

1.1.1 Mastercam的简介………………………………………………………

1.1.2 Mastercam的主要功能和特点…………………………………….……

1.2 数控技术的概述…………………………………………………………….

1.2.1 数控技术简介…………………………………………………………..

1.2.2 数控技术发展趋势……………………………………………………..

1.2.3 数控机床的概念…………………………………………………………

1.2.4 数控机床的构成………………………………………………………..

1.2.5 数控加工技术的特点…………………………………………………..

1.2.6 数控技术发展策略……………………………………………………... 第二章Mastercam的建模仿真加工概述……

2.1 被加工零件的图样分析和几何建模…………………………………………

2.2 组合装配体的生成……………………………………………………………

2.3 零件的加工工艺分析…………………………………………………………

2.4 生产刀具路径与仿真加工…………………………………………………..

2.5 后置处理…………………………………………………………………….. 第三章组合装配体的几何建模………………………………

3.1 组合装配体凸模的几何建模………………………………………………….

3.1.1绘制基准面………………………………………………………………

3.1.2 实体生成………………………………………………………………..

3.2 组合装配体凹模的几何建模………………………………………………

3.2.1绘制基准面………………………………………………………………

3.2.2实体生成…………………………………………………………………. 第四章Mastercam的数控编程…………………………

4.1机床选择及参数设置……………………………………………………….

4.2 凸模的走刀路径及参数设置………………………………………………..

4.3 加工代码的生成……………………………………………………………..

4.4 凹模的走刀路径及参数设置………………………………………………..

4.5 加工代码的生成………………………………………………………….…..第五章加工前工艺分析…………….………………………

5.1加工工序的划分…………………….………………………………………

5.2毛坯材料选择…………………….………………………………………….

5.3刀具选择…………………….……………………………………………..

5.4切削用量选择…………………….………………………………………….

第六章仿真加工……………………………………………………

5.1 仿真软件简介…………………………………………………………………

5.2工件的设置……………………………………………………………………

5.3 刀具的设置……………………………………………………………………

5.4加工代码和机床通信……………………………………………………

5.5 零件的加工……………………………………………………………………第七章总结…………………………………………………………………….参考文献……………………………………………………………………….致谢……………………………………………………………………………..

诚信声明

第一章绪论

1.1 Mastercam概述

1.1.1 Mastercam简介

Master cam是美国CNC公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件，它具有方便直观的几何造型Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线，曲面零件。

Mastercam具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能，Mastercam提供了多种先进的粗加工技术，以提高零件的加工效率和质量。Mastercam还具有丰富的曲面精加工功能，可从中选择最好的方法，加工最复杂的零件。Mastercam 的多轴加工功能，为零件的加工提供了更多的灵活性[1]。

可靠的道具路径校验功能Mastercam可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉，碰撞情况。

Mastercam提供400种以上的后置处理文件以适用于各种类型的数控系统，使用Mastercam实现DNC加工，DNC（直接数控）是指用一台计算机直接控制多台数控机床，其技术是实现CAD/CAM关键技术之一[2]。用Mastercam软件编制复杂零件的加工程序极为方便，而且能对加工过程进行实时仿真，真实反映加工过程的实际情况。

Mastercam强项在3轴数控加工，简单易用，生产的NC程序简单高效。Mastercam系统中，挖槽铣削。轮廓铣削和点位加工的刀具路径与被加工零件的模型是相关一致。当零件几何模型或加工参数修改后，Mastercam能迅速准确的自动更新相应的刀具路径，无需重新设计和计算刀具路径[3]。

1.1.2 Mastercam的主要功能和特点

一.三维设计系统

完整的曲线功能：可设计，编辑复杂的二维，三维空间曲线。还能生产方程曲线。尺寸标注，注视等也很方便。

强大的曲面功能：采用NURBS,PARAMETRICS等数学模型，有十多种生产曲面方法。还具有曲面修剪，曲面间等（变）半径倒圆角，倒角，曲面偏置，延伸等编辑功能[4]。

二．铣床3D加工系统

完整三维设计凶。

外形铣削：外形可以是空间的任意曲线。

型腔加工：加工方式多达8种以上。提供清角及残料加工功能。可斜线及螺旋式入刀，退刀。容许斜壁及不同高度，斜角的岛屿，可面铣岛屿。

实体加工：在实体上自动确定加工外形参数。

钻孔，镗孔，螺纹加工。

可定义刀具库，材料库等。

可对刀具路径作图形编辑，可对NC,NCI作修改，平移，旋转，放大，缩小等编辑。可做实体切削模拟[5]。

支持4轴加工。

可同各种CNC控制器，DNC传输。

三.车铣复合系统

1）完整三维设计系统

2）精车，粗车，螺纹加工

3）径向切槽加工

4）钻孔，镗孔

5）C轴加工

6）可产生切削循环指令

7）可自定义刀具库及材料库

8）自动计算刀具补正，过切侦测

1.2数控技术的概述

1.2.1 数控技术简介

当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径[6]。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术；（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。

现代数控机床是机电一体化的典型产品，是新一代生产技术、计算机集成制造系统等的技术集合。现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构[7]。主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。

1.2.2数控技术发展趋势

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势[8]。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。

（1）.高速、高精加工技术及装备的新趋势。

（2）.五轴联动加工和复合加工机床快速发展。

（3）.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势。

（4）.重视新技术标准、规范的建立。

（5）. 关于数控系统设计开发规范。

1.2.3 数控机床的概念

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件[6]。

1.2.4 数控机床的构成

在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信数控机床的构造号转换成机床移动部件的运动。具体有以下部分构成[6]：

主机：他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

驱动装置：他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等[9]。

1.2. 5 数控加工技术的特点

为满足现代机械加工的多样化需求，数控加工技术的特点具有以下特点：（1）作用和地位上的战略性；（2）技术上的综合性；（3）控制上的实时性；（4）软件上的领域性；（5）推广应用上的适应性；（6）跟踪上的滞后性；（7）发展上的开放性。数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化[10]。

1.2. 6 数控技术发展策略

1．用系统的方法，选择能够主导制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。

2．在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品。

3．强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展[11]。

第二章Mastercam的建模仿真加工概述

CAD/CAM(计算机辅助设计与制造)技术是现代信息技术与传统机械设计制造技术相结合的一个典型范例，也是现如今先进制造技术的一个重要组成部分。MasterCAM正是集设计和制造、加工仿真、数控加工自动编程于一体的一款优秀的CAD/CAM软件，它也是目前我国在进行模具加工仿真方面应用最为广泛、最具代表性的CAD/CAM软件之一[12]。

根据已有的研究资料和企业在生产实践过程中的总结，可将基于MasterCAM

图2-1基于MasterCAM的模具加工仿真流程图

2.1 被加工零件的图样分析和几何建模

首先要进行零件的几何建模，零件的造型及已有图样进行分析确定了零件结构之后，

便可以开始借助于MasterCAM软件的设计模块进行零件的绘制与几何建模。

建立零件的几何加工模型包括三维线框的绘制、曲面的编辑于绘制、实体的生成等操作。由于采用特征化、参数化的设计，MasterCAM软件设计模块的几何建模功能适用于各类结构复杂的零部件及产品设计。其造型与设计思路适合于加工仿真及后续数控加工的要求，结构性强，且操作简便。

2.2组合装配体的生成

完成零件的图样分析和几何建模，变可以对实体或曲面进行编辑生产需要的模具。

该组合装配体包括凸模与凹模两个部分，首先对零件进行合适的编辑，删减，挤出旋转等操作生成需要的零件。

2.3零件的加工工艺分析

零件的加工模具生成后，就要根据模具的结构特征及其加工表面的特征进行加工工艺分析与设计。加工工艺设计主要包括选择合理的毛坯材料与尺寸、确定合理的加工方式、安排合理的加工步骤、设置合理的加工参数、选择与管理加工刀具等。

模具毛坯的材料与尺寸是由零件的材料与尺寸决定的。如前所述，选择时仍需考虑材料的收缩率等因素。MasterCAM X4软件提供的加工方式有铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工，操作者可根据模具的具体结构特征选择合适的加工方式。之后，根据模具所需达到的加工精度与加工表面质量要求，需合理安排粗加工、半精加工、精加工的顺序，并设置合理的进给量、加工余量等加工参数。最后根据加工参数要求，选择刀具并设置合理的切削用量。

由于模具结构复杂多样，其轮廓曲面的外形形状各不相同，毛坯的材料、大小也不尽相同，因此，此阶段的加工工艺分析与设计决定了加工仿真以至实际数控加工过程中刀具与机床的使用效率、模具及零件的加工质量、刀具的数量与经济性等问题。加工工艺设计应尽量做到加工工序集中，工艺路线最短，走刀辅助时间最短，加工效率高，加工表面质量和加工精度符合要求[13]。

2.4 生产刀具路径与仿真加工

完成了加工工艺分析与设计后，由于加工顺序、加工参数、刀具参数等均已设定，所以便可进行刀具路径生成与加工仿真。在生成刀具路径时，首先要选择加工对象，再选择合适的走刀路径，对不同形状、材料的零件也应选用不同种类、材料的刀具，并具体选择不同的加工方式。加工刀具路径生成之后可显示出来，并可通过加工仿真来验证其合理性。而且，MasterCAM软件自身所具有的这种刀具路径验证功能，还可以及时有效地发现、减少、避免加工过程中发生的刀具过切、干涉与碰撞等现象。

若生成的刀具路径及加工仿真过程正确满意，即可通过软件的后置处理模块生成数控加工程序。若加工仿真过程中发生了刀具的过切、干涉与碰撞等现象，则需重新返回至加工工艺分析过程，对加工顺序、加工参数、刀具参数等的设置进行修改，直至最终仿真结果符合所需加工要求。

2.5后置处理

MasterCAM软件系统的后处理程序支持铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工等多种加工方式。而其自动生成的刀具路径是以一种标准的刀路信息文件即NCI文件的形式保存在计算机中的。此外，MasterCAM软件系统还自带了实际生产中常用的数控系统的后处理程序。在正确完成加工仿真过程后，系统可通过后处理程序生成数控加工程序，即NC代码。利用MasterCAM软件的通讯模块，并应用计算机的通信接口便可将其直接输入到数控设备中以进行数控加

工。或者也可在南京宇航、斯沃等数控仿真软件中继续使用此NC代码程序进行数控加工仿真[14]。

第三章组合装配体的几何建模

本章使用MastercamX4软件逐步完成组合装配体的几何建模。

3.1组合装配体凸模的几何建模

打开MastercamX软件，视图调整为俯视图（T）Z为0，层别1[15]。

3.1.1绘制基准面

在绘图栏选择E矩形状设置形命令，绘制矩形。弹出对话框输入如图

3-1所示

图3-1

生成该矩形。

点命令，在工作条的输入半径为25,坐标区域为，即生成该圆。点击连接该圆上下两点，生成垂直于X轴的直径。点击命令命令，剪掉右边半圆，点击命令。

以同样方法生成一半径为30的圆。在矩形倒角处生成半径为5的4个圆。点击E矩形状设置形命令，绘制矩形。如图3-2，最终得到的图3-3。

图3-3

图3-2

3.1.2实体生成

选择“实体”→“挤出”，弹出对话框图3-4，点击矩形边，出现箭头，点击，弹出对话框图3-5并设置参数“建立实体”，选“按指定的距离延伸距离”10，点击。

图3-4 图3-5拉伸实体参数设置

同理选择“实体” →“挤出”，弹出对话框图3-4，点击4个小圆其中1个，出现箭头，点击，弹出对话框图3-5并设置参数“按指定的距离延伸距

离”10，点击

，生成实体。然后依次生成其他3个实体。如果为生成凸起的

实体，则点击图3-6，点击“实体” →“挤出” →参数，弹出菜单点击“更改实体”选项，然后右键“重新生成”实体[16]。