基于MASTERCAM软件进行鼠标的三维曲面建模与仿真

摘要

MASTERCAM技术是实现产品设计和制造自动化的关键技术，在产品开发中，引入该技术进行产品设计及数控加工，能大大提高产品的生产效率和质量。曲面在机械产品和模具设计中应用广泛，而且由于曲面的特点，决定了只有用MASTERCAM技术才能缩短产品的设计0、制造周期，提高产品的质量。本课题就是基于MASTERCAM软件围绕着这一应用主题展开的。

鼠标模型是一个比较典型的曲面模型，本课题就是用MASTERCAM软件进行鼠标的三维曲面建模，仿真加工模型零件，生成加工程序并在数控机床上加工出其模型。首先根据图形实物，确定各部分之间的比例关系并参照自己的设计运用CAD建模功能创建出鼠标的三维模型。创建后的实体模型可以在CAM中生成精确的刀具路径。生成的刀具路径，可以通过后置处理产生用于特定数控机床的加工代码。生成的加工代码传输到指定的数控机床上来完成鼠标的数控加工。

通过本次研究进一步证实了MASTERCAM软件在曲面建模和加工中所具有的强大功能。

关键词:鼠标；MASTERCAM；建模；数控加工

Abstract

MASTERCAM technology is a product design and manufacturing automation of key technology, product development, the introduction of the technology, product design and CNC machining, can greatly increase production efficiency and quality. Surface in the mold design of mechanical products and is widely used, and because the surface characteristics determine that only by MASTERCAM technology to reduce product design, manufacturing cycle and improve product quality. This issue is based on MASTERCAM software applications around the theme started.

Mouse model is a typical surface model, this issue is to use the mouse software MASTERCAM three-dimensional surface modeling, simulation process model parts, build processing and processing of CNC machine tools out of their model. First of all, according to graphic objects, to determine the proportional relationship between the parts and the light of their own design using CAD modeling to create three-dimensional model of the mouse. After creating a solid model can generate accurate CAM tool path. Generated tool paths can be generated by post-processing for specific CNC machining code. Generated code for transmission to the designated processing CNC machining up to complete the mouse.

Through this study further confirmed the MASTERCAM software in surface modeling and processing, which has the power.

Key words: mouse; MASTERCAM; modeling; NC

目录

第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

1.1 引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

1.2 课题背景及意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

1.3 研究内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

1.4MASTERCAM技术国内外发况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1.5 数控加工技术概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

1.5.1 数控加工工艺内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

1.5.2 数控加工准备工作．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 第二章鼠标的CAD模块创建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2.1 鼠标的建模分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2.2鼠标侧面的建模．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2.3 鼠标顶面的建模．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

2.4 画侧面曲面和画顶面曲面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

2.5 顶面和侧面倒圆角面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 第三章鼠标的加工．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

3.1 鼠标仿真加工概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

3.2 鼠标仿真加工过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

3.2.1 工艺分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

3.2.2 铣削四周选刀和切削参数设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

3.2.3曲面粗加工选刀和切削参数设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

3.2.4曲面精加工选刀和切削参数设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

3.2.5生成刀具路径．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24

3.2.6 毛坯设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25

3.3 鼠标凸模的数控加工．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 第四章结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30

4.1 论文总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30

4.2 感想．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 参考资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33 附录A：程序清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 附录B：英文资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37

附录C：英文资料翻译．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42

第一章绪论

1.1 引言

随着CAD、CAM、CAE 等技术不断发展和日趋完善,它们在各个领域得到了极其广泛的应用。其中MASTERCAM软件是这一技术发展得比较成功的软件之一,它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。目前已广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械等领域，同时也被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数控加工等领域。其CAM模块尤其出色,在同类软件中处于绝对领先地位,它提供了一种交互式编程工具,可计算生成精确可靠的刀具加工轨迹,是一个功能强大的计算机辅助制造模块。

1.2 选题背景及意义

现代制造业所面对的经常是具有复杂型腔的高精度模具制造及复杂型面产品的外型加工,其共同特点是以复杂三维型面为结构主体,整体结构紧凑,制造精度要求高,加工成型难度极大。通过近几年对MASTERCAM软件的应用摸索,针对上述制造过程中普遍存在的技术难点,将传统工艺方案中适用现代数控加工的精华部分溶入MASTERCAM的应用过程,总结出一套适用于各类复杂型面的数控加工编程方法。

鉴于传统模具加工的缺点，采用MASTERCAM这样一套当今世界上最先进和紧密集成、面向制造业的高端软件，通过对目前电子市场上最常见的，具有典型曲面结构的鼠标模具进行造型和加工，实现模具的快速制造及对市场的快速响应，以此克服过去模具设计周期长，制造周期长的弊端。

本课题主要是是鼠标的设计与数控加工，其研究意义如下：

（1）课余参加过MASTERCAM软件的培训，但是只是掌握了该软件的最基本的功能，通过这次的课题，可以使我更加多的掌握该软件的功能。这次的鼠标造型主要是以曲面造型为主，而MASTERCAM软件在自由曲面建模上有很强的功能，做起模型来较方便。

（2）MASTERCAM的高端技术可使鼠标模型在CAM中生成精确的加工路径，可以很清晰的观察到模拟加工的全过程。

（3）MASTERCAM的加工后置处理模块可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，而且该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2～5轴或更多轴的铣削加工、2～

4轴的车削加工和电火花线切割。

（4）通过MASTERCAM软件完成鼠标的设计，一方面可以培养学生的设计能力，掌握正确的思维方法和设计的基本技能，另一方面可以提高学生的独立思考、综合分析的能力，在设计过程中促使学生学习更多的新知识，掌握自我学习的能力。

（5）通过在数控机床上实现鼠标的数控加工，可以在巩固学生学过的基础理论和专业知识的同时，使理论与实践相结合，掌握数控机床的操作方法以巩固和发展所学理论知识。

（6）整个毕业设计以后，基本上培养了学生掌握正确的思维方法和利用计算机软件解决问题的基本技能，同时也培养了同学们在学习过程中的团结协作的作风，为以后的工作打下了良好的基础。

1.3研究内容

本课题是在MASTERCAM软件及数控机床的基础上，完成鼠标的模型绘制、虚拟加工以及实际加工三部分的研究内容。详述如下：

1.运用MASTERCAM的CAD模型的表达：

CAD模块包括了线框模型、曲面模型和实体模型。。

（1）线框模型：

线框模型是以物体的形状的轮廓、棱边或交线作为形状数据来描述物体的。圆柱圆锥等情况，除棱线以外没有多余的轮廓线的多面体形状，用线框模型就难以表达，即不清楚用怎样的棱线来形成侧面的，所以需要加入辅助线。线框模型在计算机内部数据存放结构简单，计算机处理速度快，但形状所带的信息不完整，所以无法得到剖面图，消除隐蔽线和两个形体间的交线，不能计算出物体的体积，重量，表面积，中心等。

（2）曲面模型：

曲面模型是在三维物体线框模型的基础上加进面的信息，即把三围线框模型的物体表面定义成面。最简单的面是由多边形和圆形成的平面，其他有旋转面，球面，锥面以及负载的自由曲面。自由曲面是绘制复杂曲面的主要手段，在MASTERCAM中有：用边界表达的昆式曲面，用截面轮廓表达的举升曲面和直纹曲面、扫描曲面、牵引曲面及倒圆角面。不论哪种面都带有方向的信息，这些信息可以生成阴影线、截面轮廓线、相贯线等。曲面模型虽然边界得到了定义，但是每个面都是单独存储，并没有记录面与面之间的相邻拓扑关系，并没有表示实体在面的哪一侧的信息，即不明确边界包围的是实心体还是空洞。

（3）实体模型：

实体模型是在曲面模型的基础上，定义了曲面之间的相互位置关系，实体就在面的哪一侧的信息。定义实体侧的方法主要有三种：一点指定法，线矢量指定法，包围面的线指定法。

①实体造型的方法：CSG法和B-rep法。

CSG法-结构实体造型表达法：使用立方体、圆柱体、圆锥体、四分之一圆柱体、倒圆角体等单一的基本实体进行和、差、残留共同部分的运算来表达复杂的形状。

B-rep法-实体边界表达法：用模型的面与面之间的边界来表达的意思，即空间实体可以定义有限面包围而成，每个面都是由有限条边界围成的封闭区域。

B-rep法比CSG法表达麻烦一些，但边界表达能看清楚表达出形体的面、边、点及其相互关系，目前大多数几何造型系统都一种造型方法为主兼用另一种。

②特征建模：实体模型在集合造型上已经很完善了，它不仅仅是集合形状

的描述，还能提供产品开发整个周期所需要的信息。集合模型还带上工艺设计中所需其他信息：如加工特征、材料、公差及表面粗糙度等，称为零件特征。特征造型将促进CAD/CAM一体化进程，实现工艺自动化。再零件设计时采用前述的具有某些功能和加工信息的形状特征进行组合、拼装，这样构建的模型称为特征模型。

此次课题的任务是鼠标的设计，所以实体建模的功能用的比较多。。

2. MASTERCAM的铣削加工

创建后的实体模型可以在CAM中生成精确的刀具路径。用户可以在图形界面中编辑刀具路径，观察刀具的运动过程，并进行加工模拟。生成的刀具路径，可以通过后置处理产生用于特定数控机床的加工代码。

目前, MASTERCAM是全球应用最普遍、最富竞争力的一流计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程的一体化软件系统之一，是目前市场上功能最极致的产品设计工具。MASTERCAM软件的CAM模块向用户提供了当今世界上最好的CAM技术。利用它可针对任何加工任务生成优化而可用的加工路径，加工路径通过后置处理生成数控程序，将程序用于特定机床即可用来加工各类零件。MASTERCAM所支持的加工方法有平面铣、点位加工、线切割和薄片加工等。此外，其强大的后处理工具可实现与任何机床的接合，是一个高效的制造解决方案。利用它这一技术已成功应用于模具及零件的制造过程,为企业带来了极高的加工质量和可观的经济效益。

MASTERCAM铣削加工的基本过程：

（1）绘制产品设计图：利用MASTERCAM9软件的二维或者三维绘图功能，绘制产品设计图。

（2）绘制曲面模型：依据产品设计图，利用MASTERCAM9软件的三维实体或曲面功能绘制产品曲面模型。

（3）由曲面模型生成凹凸模：依据产品曲面模型，结合材料特性（如收缩率），利用MASTERCAM9软件三维实体或曲面编辑功能产生凹凸模。

（4）规划凹凸模刀具路径：依据产品凹凸模，集合材料模具特性、世纪生产条件等因素规划凹凸模道具路径。

（5）加工方式的选择：①加工道具的选择。

②定义刀具。

③设定加工刀具参数

④设定加工参数

⑤设定工件参数

⑥生成道具路径

（6）实体加工模拟：依据生成凹凸模加工刀具路径，利用MASTERCAM9软件的实体加工模拟功能进行实体加工模拟，及时发现存在的问题并尽心改进。

（7）执行后处理生成NC程序：在检验实体切削模拟结果无误后，选择对应的后处理器将刀具路径转换成数控机床所能接受的NC代码，再利用DNC方式传送到CNC数控铣床或加工中心进行加工。

3.鼠标的数控加工

鼠标的实体MASTERCAM程序生成后，就可以在数控机床上进行数控加工了。加工时要注意零件的装夹、工件坐标系的建立、对刀方法等数控机床的操作方法。

1.4 MASTERCAM技术国内外发展状况

MASTERCAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的MASTERCAM软件。现在，工作站和微机平台MASTERCAM软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。下面我们将分别介绍国内外一些流行的软件。

（1）Unigraphics(UG)

在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数MASTERCAM软件厂商所采用。现在已经发展成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和Windows NT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM集成系统。

（2）AutoCAD

AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。

（3）SolidWorks

SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。

（4）Pro/Engineer

Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。

Pro/Engineer系统主要功能如下：

a)真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。

b)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。

c)具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。

d)容易使用，可以极大地提高设计效率。

Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。Pro/Engineer建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。

我国MASTERCAM技术及产品发展的未来之路经过多年的推广，CAD技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。应用CAD技术起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。近年来，我国CAD技术的开发和应用取得了长足的发展，除对许多国外软件进行了汉化和二次开发以外，还诞生了不少具有自主版权的CAD系统，如高华CAD，开目CAD等，由于这些软件价格便宜，符合本国国情和标准，所以受到了广泛的欢迎，赢得了越来越大的市场份额。但是，我国MASTERCAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。由于国外MASTERCAM软件出现得较早，开发和应用的时间也较长，所以它们发展比较成熟，现在基本上已经占领了国际市场。这些国外软件公司利用其技术和资金的优势，开始大力向我国市场进军，目前，国外一些优秀软件，如UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA等，已经占领了一部分国内市场。所以，我国MASTERCAM软件前景不容乐观。但是，我们也应该看清自己的优势，比如了解本国市场，提供技术支持方便，价格便宜等。在

这些前提下，我们不仅要紧跟时代潮流，跟踪国际最新动态，遵守各种国际规范，在国际国内形成自己独特的优势，更要立足国内，结合国情，面向国内经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的MASTERCAM软件。

在工作站时代，MASTERCAM是工作站平台三维模型软件的佼佼者，而在当今微机时代，SolidWorks在Windows NT平台的三维MASTERCAM软件中处于领先地位。由于国外在Unix工作站平台上开发MASTERCAM软件已有一定的时间和投入，我国软件在这方面比美国等发达国家落后许多。但是在微机平台上开发MASTERCAM软件是一个全新的领域，我国与国外起点差不多，都是使用Visual C++，OpenGL等工具进行软件开发，在这基础上开发出先进的，符合本国用户习惯的MASTERCAM软件还是有可能的。MASTERCAM技术可以应用在许多领域，机械制造是最早也是最广泛应用MASTERCAM技术的领域。随着MASTERCAM技术的发展，建筑、电子、化工的领域也开始应用该技术，在这些新的应用领域中，国外软件的优势并不明显。所以，我国MASTERCAM软件在这些方面还是可以与发达国家竞争的，并且随着MASTERCAM技术应用的深入，越来越多的领域将会使用该技术，所以，如果能够紧跟时代潮流，不断应用于新的领域，那么国产MASTERCAM软件还是很有前途的。

1．5 数控加工技术概述

随着制造业的快速发展，在制造行业所采用的制造手段日益增多，传统的制造手段已不能满足产品研制开发、制造的需要，特别是一些复杂结构、带有各种空间角度和曲面的零件，普通的机械加工手段已不可能完成。20世纪40年代后期发展的一种自动化加工技术，在制造业广泛应用，为复杂零件的加工提供了较为完善的解决方案，这种加工技术就是数控加工技术，它综合了计算机、电机、电气传动、自动控制、测量、机械制造等多学科的内容。对于一个零件的加工，传统的方法是用常规的工艺和普通的设备来完成的，现在可以用数控设备来完成全部加工过程。数控加工工艺有别于常规工艺，以下将讨论到数控加工工艺所涉及的内容。

1.5.1数控加工工艺内容

1.软件部分

（1）零件工艺性分析。

（2）使用合理的加工策略：包括确定粗加工、半精加工、精加工、清根的走刀路径，切削余量的选择，走到和退刀方式的确定。

（3）数控程序的编制。

（4）切削参数的确定。