基于Cimatron的五轴数控铣削加工及仿真开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告

题 目： 基于Cimatron的五轴数控铣削
加工及仿真

学 院： 机械工程学院
专 业： 械设计制造及其自动化
学生姓名： *** 学 号： 200902010408
指导老师： ***

2012年3月26号
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写3000字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。
基于Cimatron的五轴数控铣削加工及仿真
0 引言
Cimatron是以色列Cimatron公司开发的一套全功能、高度集成的CAD/CAM集成软件，可进行2.5~5轴铣销加工，为用户生成安全、高效和高质量的NC刀具轨迹。Cimatron是业界公认的最优秀的NC加工软件之一，它具有可以满足一般加工所需的各项功能，具有人性化、智能化、刀路计算快和NC文件短等特点，同时其编程操作简单易用。由于其内容丰富、性能先进而稳定，现已被广泛地应用在机械、电子、交通运输、航空航天、科研、模具等行业[1]。
叶轮既指装有动叶的轮盘，是冲动试汽轮机转子的组成部分。又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。还指轮盘与安装其上的转动叶片的总称，是一类具有代表性且造型比较规范、典型的复杂零件。广泛应用于离心泵、离心式压缩机、液力偶合器、轴流式压缩机、搅拌设备。其形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响[2]。
叶轮加工的复杂性主要在于其叶片是复杂的曲面造型。而且能否精确地加工出形状复杂的叶轮已成为衡量数控机床性能的一项重要标准。曲面根据形成原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面。直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面，对于可展直纹面，完全可以使用非数控机床进行加工。而对于非可展直纹面和自由曲面（非直纹曲面）叶片的整体叶轮来说，则必须用四轴以上联动的数控机床才能准确地将其加工出来。由于数控机床具有四轴联动或五轴联动的功能，则利用它进行叶轮加工时，既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削，又可以利用其转动轴工作使刀具的刀体或刀杆部分避让开工件其它部分，避免发生干涉或过切。

1 三维几何建模

几何建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再经一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，而在计算机内部构造一个实体的模型．通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的修订信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息．计算机集成制造系统的水平很大程度上取决于三维几何建模系统功能，因此，几何建模技术是CAD／CAM系统中的关键技术。

1.1几何建模
Cimatron支持几乎所有当前业界的标准数据信息格式，这些接口包括：IGES、VDA、DXF、STL、Step、RD-PTC、中性格式文件、UG/ParaSolid、SAT、CATIA和DWG等，同时Cimatron 也提供了支持Catia 最新版本V5 系列格式 [3]。
Pro/ENGINEER(简称Pro/E)是PTC 公司推出的一套博大精深的三维CAD/CAM 参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出到生产加工成产品的全过程，应用范围涉及航空航天、汽车、机械、数控(NC)加工、电子等诸多领域[4]。
Pro/ENGINEER 的曲面设计模块是一个功能十分强大且相当实用的模块。它可以创建外形十分复杂的三维模型，诸如汽车车身、飞机机体、船体外形等曲线较为复杂的三维模型。这些模型必须应用曲面造型才能完成设计。在日用产品的设计和模具设计中，曲面设计也有不可替代的作用。
叶轮是离心式压缩机的基本零件之一，其3D几何可分为轮毂及叶片两个部分，而叶片又包含包覆面、压力曲面及吸力曲面。构建叶轮的3D几何模型时，将轮毂曲线与包覆曲线绕着转轴旋转，所定义出的曲面即为轮毂面和包覆曲面。另外，由轮毂曲线和包覆曲线所连成的2D剖面称为子午剖面，此2D剖面所在的平面会通过旋转轴。弯形曲面被用来定义叶轮上的3D叶片几何形状，也就是落在叶片中间的3D曲面[5]。
2工艺规程设计
机械加工工艺过程是采用各种机械加工方法，直接用于改变毛坯的形状、尺寸、表面粗糙度以及力学性能，使之成为合格零件的过程。规定零件机械加工工艺过程的工艺文件称为机械加工工艺规程。工艺规程设计是产品设计和制造过程的中间环节，是企业生产活动的核心，也是进行生产管理的重要依据，其设计的好坏对保证加工质量、提高加工效率、降低加工成本具有决定的意义[6]。
2.1零件的工艺分析
零件图是制定工艺规程最主要的原始资料，在制定工艺规程时，首先必须对零件图进行认真的分析。为了更深刻理解零件结构上的特征和技术要求，通常还需要研究产品的总装配图、部件装配图以及验收标准，从中了解零件的功用和相关零件的配合，制定出一个最为合理的工艺过程并以技术文件的形式规定下来。叶轮叶的表面是叶轮的工作表面。由于叶片的形状精度和表面粗糙度将直接影响叶轮的效率，所以必须保证叶轮叶片表面有高的形状精度及小的表面粗糙度。在叶轮的加工过程中，叶片是本零件的加工重点和难点[7]。
2.3工艺路线的拟定及机械加工工艺过程卡
拟定工艺路线是工艺规程设计的关键步骤。工艺路线的合理与否，直接影响到工艺规程的合理性、科学性和经济性。通常，要拟定几种可能的工艺路线方案，经分析比较后，选择其中最优的一个方案。
机械加工工艺过程卡主要列出了整个零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯、机械加工、和热处理等），它是制定工艺文件的基础，也是生产技术准备、编制作业计划和组织生产的依据[8]。
考虑到整体叶轮实际的工作情况，一般整体叶轮的曲面部分精度高，工作中高速旋转，对动平衡的要求高等诸多要求，结合叶轮的形状、结构特点、材料安排工艺路线如下：1、铣出整体外形，钻、镗中心定位孔；2、精加工叶片顶端小面；3、粗加工流道面；4、精加工流道面；5、精加工叶片面；6、清角[9]。
3刀路设计及优化
Cimatron一直致力于为制造行业提供先进的CAD/CAM系统，更为模具行业提供了全面的解决方案。Cimatron数控加工技术一直处于世界的领先地位，被业界普遍认为是最杰出的数控编程设计系统之一。由于使用了智能的粗加工方法和再加工技术，毛坯残留知识、基于NURBS的刀路轨迹，Cimatron将产生出更快更精确的加工程序[10]。
随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。现在，许多CAD/CAM软件都提供自动编程功能，而且在编辑界面中都会提示工艺规划及加工参数的相关问题，如刀具选择、加工路径优化、切削用量设定等。编程人员只需要设置相关的参数，就可以自动生成NC程序并传输到数控机床进行加工。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人及交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑加工工艺及数控加工的特点[11]。
刀路设计完成后，在Cimatron中进行高级仿真，检验刀路有无干涉，过切现象，对刀路轨迹进行优化设计。
4生成叶轮在VX850-5AX机床（华中HNC-22系统）上数控铣削加工的NC编程。
随着数控技术的发展，自动编程技术的应用越来越普遍。Cimatron 是自动编程应用最广泛的CAD/CAM 软件，NC 程序的自动生成受软件后置处理功能的控制，不同的数控系统对应着不同的后处理文件，其生成的NC 代码格式也不相同。华中数控系统是我国自主开发的数控系统，在数控技术课程教学试验中有着广泛地应用，目前的CAD/CAM 软件中还没有专门配置华中数控系统的后置处理文件来生成符合华中数控系统格式的NC 代码，不能直接应用于加工零件，需要人工进行修改，既不方便又容易出错。本文针对这一问题提出了解决方法，通过对Cimatron 软件后处理文件做适当地修改，设计出专门用于配备华中数控铣床系统的后置处理程序，以满足教学、试验和加工的需要，使Cimatron 软件中CAM 模块发挥出最佳效果[12]。
5 G代码后处理
最早的NC程序（早期的G代码文件）主要依赖于手工编程，直接采用机床指令代码。手工编程对编程人员的要求非常高，一般要求有非常好的数学基础，在普通的CAM软件看来很一般的形状，用手工编程也要花费大量的时间。后来，随着各种CAM软件的开发，手工编程迅速地被自动编程所取代。
目前CAM软件多采用类计算机高级语言，如APT语言等来编制刀位原文件（CUTTER LOCATION SOURCE FILE）,然而机床控制系统并不能直接识别这种语言，那就必需将这种类计算机高级语言转换成机床可以识别的NC程序，这个过程叫后处理。
Cimatron软件一般采用通用的后处理系统（GENERAL POST PROCESSOR）,用该系统处理刀轨迹时并不需要刀位文件。Cimatron软件除了为用户提供自身的GPP外，还另外绑定了IMSPOST（美国Intelligent Manufacturing Software，Inc.产品），不管是通用的后处理系统还是IMSPOST两者都具有很强的可编辑性[13]。
6 VERICUT模拟仿真
随着制造技术的不断提高，现代制造技术逐渐向集成化方向发展。国际上许多大公司都在进行零件、刀具、夹具、机床三维参数化一体化研究及加工仿真、参数优化、加工程序优化研究。利用仿真加工，可以消除程序中的错误，如切伤工件、损坏夹具、折断刀具和碰撞机床；可以减少机床的加工时间，减少实际的切削验证，完美的完成第一个工件成为可能，并减少废品和重复工作；可以大幅提高加工效率，改善加工质量，并降低生产成本，对现代制造业的发展具有重大意义。
6.1构建机床结构模型
机床机构模型及其控制系统是产生加工运动的必要基础，数控加工及其仿真是针对具体的数控机床及其控制系统而言的。VERICUT既可以构建机床结构文件，也可以构建机床的具体结构尺寸模型，并进行控制系统的设计，以便在计算上仿真机床的加工过程。机床的结构及其设置存储在mch文件中，VERICUT本身提供了七十多个mch文件，用户可以直接打开使用。为了更逼真地加工仿真过程，VERICUT还可以针对具体的机床，设置机床模型，进行机床建模[14]。
6.2对叶轮加工进行模拟仿真
随着零件结构越来越复杂，加工程序增多，加工周期变长，加工程序的好坏直接影响加工质量和生产效率。目前程序员编制程序时，一般采用手工编程和计算机辅助编程相结合，程序编制完成后传输到数控机床进行加工。由于缺乏第三方软件对数控程序进行仿真验证，程序的安全性和正确性受到质疑，导致首次调试时间长，加工效率低。
VERICUT是一款专门为制造业设计的CNC数控机床加工仿真和优化软件。VERICUT取代了传统的切削实验部件方式，通过模拟整个机床加工过程和校验加工成序的准确性，来帮助用户清除编程错误和改进切削效率。VERICUT有验证模块、优化模块、机床仿真模块、多轴模块、AUTO-DIFF 模块、接口模块，能满足各项需求[15]。
6.3优化程序
VERICUT是一款既能实现仿真又能进行较好优化的三维CAD/CAM软件。可实现刀具轨迹仿真和机床仿真的同步显示，不但逼真，而且在数控机床加工仿真通用性方面有其独到之处；可通过调整各个工序的进给率，节省加工时间，实现NC代码的优化及序号的重排。结合一个“锤子加工”的典型实例展现了VERICUT环境下数控加工仿真及优化的全过程，通过分析其优化机理来说明该软件在仿真及优化方面的优越性[16]。
7 Cimatron叶轮加工应用前景
早在七十年代初我国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工上。目前，我国已有越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标NC 加工成型的方法加工叶轮，尤其是国防工业中所用的关键叶轮，如火箭发动机的转子、风扇，飞机发动机的涡轮等。目前都已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床。目前国内外叶轮数控方法大致分为两大类点铣法和侧铣法。尤其对直纹叶片曲面的叶轮，在国外已广泛采用侧铣法进行加工，加工效率及精度都较高，已较成熟。而在国内此方法尚在探索阶段，应当成为工艺人员的研究方向。与此相应，国外用于叶轮的数控加工软件已较为成熟，但对于国内大多数厂家来说价格难以承受；而国内的数控加工软件功能及稳定性尚需进一步提高。相信在不久的将来国内外叶轮加工厂家必将以高效、高质的侧铣工艺代替效率及质量都很低下的点铣加工，我国的叶轮生产也将跨上一个新的台阶[17]。
实践证明，Cimatron为用户提供了从定位5轴到多轴联动的全方位加工功能，结合2.5轴至3轴铣削/钻孔功能，5轴加工为用户提供仿真和在加工方向上编辑刀具的位移功能。5轴联动铣削包括粗加工、控制前倾角、侧倾角的精加工、侧刃铣削以及刀长较短时的自动倾斜功能。5轴铣削能够有效提高加工效率，延长刀具的使用寿命，并可以产生高精度的曲面[18]。
8结论
Cimatron作为全球领先的专业数控加工软件，拥有CAD/CAM全面解决方案，其加工策略以无与伦比的高效性得到了市场的认可。Cimatron NC支持从2.5到5轴高数铣削，毛坯残留知识、灵活的模板有效减少了用户编程和加工时间，Cimatron NC提供了完全自动的、基于特征的NC程序以及基于特征和几何形状的NC自动编程。结合VERICUT仿真，进一步优化加工程序。最终实现缩短铣削时间、提高加工质量、延长刀具寿命等目标。

参考文献
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[16]王亚平 刘卫等．基于VERICUT的数控加工仿真及优化应用．组合机床与自动化技术, 2004第3期
[17]陈晧晖 刘华明 孙春华．国内外叶轮数控加工发展现状．航天制造技术，2002年
4月第2期
[18]卢顺杰．Cimatron CAD/CAM全面解决方案. CAD/CAM与制造业信息化，2006第2-3期

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施
基于Cimatron的五轴数控铣削加工及仿真
一、课题的目的与意义
本课题主要是运用Cimatron E软件对整体叶轮零件进行模拟加工。首先运用三维软件建模，然后进行加工工艺分析及工艺规程的编制，之后运用该软件模块功能进行CAM刀路设计及优化，再此基础上用VERICUT软件进行模拟加工，最后用VX850-5AX机床（华中HNC-22系统）试制产品验证设计。
叶轮是一类具有代表性且造型比较规范、典型的复杂零件。传统的叶轮加工方法是叶片与轮毂采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮毂上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。为提高加工质量和工效，充分满足产品生产的要求是制造技术发展永恒的主题。高速铣削技术、多轴尤其五轴数控机床及CAM技术的不断发展正是综合满足了制造业的这种需求。高速切削产生的热量小、切削力小及零件变形小，特别适合于轻金属(如铝合金)的制造；五轴数控加工解决了复杂外形零件，特别是曲面的加工瓶颈问题，极大地提高加工表面质量和加工效率；CAM技术能够缩短产品的制造周期，提高产品的质量。因此通过研究整体叶轮的五轴高速铣削加工工艺，能够大幅度地提复杂曲面类零件的制造水平。 本课题对整体叶轮的特点，结合高速切削技术和多轴数控加工技术，总结出适合整体叶轮高速铣削所需要的刀具类型和切削用量的范围，制定初步的数控加工工艺方案。通过计算机仿真，即刀路轨迹仿真，研究数控加工工艺对零件变形的影响，包括走刀轨迹、进给路线、切削方法、装夹方式、切削力及切削参数的选用，采取预防和减小零件变形的相关措施，并对切削参数进行优化，以保证零件的加工质量，实现最低加工成本和最短加工时间。最后，针对VX850-5AX机床（华中HNC-22系统）创建专用后置处理程序，得到完备的数控加工仿真文件、NC程序。
二、课题发展现状和前景展望
自从Cimatron公司1982年创建以来，它的创新技术和战略方向使得Cinatron有限公司在CAD/CAM领域内处于公认领导地位。作为面向制造业的CAD/CAM集成解决放方案的领导者承诺为模具、工具和其它制造商提供全面的，性价比最优的软件解决方案，使制造循环流程化，加强制造商与外部销售商的协作以极大地缩短产品交付时间。多年来，在世界范围内，从小的模具制造工厂到大公司的制造部门，Cimatron的CAD/CAM解决方案已成功为企业装备中不可或缺的工具。
五轴车铣技术是20世纪90年代发展起来的复合加工技术，是一种在传统机械设计技术和精密制造技术基础上，集成了现代先进控制技术、精密测量技术和CAD/CAM应用技术的先进机械加工技术。这种加工技术的实质是一种基于现代科技技术和现代工业技术的工艺创新并引发相关产业工艺进步和产品质量提升的新技术。
目前，叶片类零件的形状越来越复杂，三、四轴联动机床已难以加工，同时市场对叶片类零件的需求量巨大。使用基于Cimatron E及VERICUT软件,采用五轴数控铣削加工中心进行加工能很好的解决复杂叶轮的加工问题，同时减少废品和重复工作，大幅度提高加工效率。
随着计算机技术的发展，计算机辅助设计制造越来越广泛应用于航空航天、汽车摩托车、模具、精密机械和家用电器等各个领域。伴随着全球制造业向我国逐步转移的趋势，国内对于CAD/CAM技术的依赖程度和对数控编程人员的需求将呈现出高速、持续的增长。而Cimatron的CAD/CAM解决方案已为各种行业制造产品。未来，基于Cimatron的多轴数控加工必将得到更广泛的应用。
三、课题主要内容和要求
1、课题主要内容
（1）运用Pro/ENGINEER建立叶轮的三维模型。
（2）叶轮零件加工工艺编程；
（3）CAM刀路设计及优化；
（4）叶轮在VX850-5AX机床（华中HNC-22系统）上数控铣削加工的NC编程、G代码后置处理；
（5）叶轮零件用VERICUT模拟加工；
（6）在VX850-5AX机床加工零件。
2、课题主要要求
（1）叶轮零件的3D设计；
（2）加工工艺分析及工艺规程的编制；
（3）CAM刀路设计及优化；
（4）叶轮在VX850-5AX机床（华中HNC-22系统）上数控铣削加工的，NC编程、G代码后置处理及刀路仿真，并进行加工验证；
（5）撰写文献综述（3000字、参考文献15篇以上）、开题报告；
（6）撰写设计说明书一份(字数15000字以上)；
（7）毕业调研及撰写毕业调研报告。
四、研究方法、步骤和措施
1、查阅资料
查找设计所需的资料，资料的内容要有深度，要具有参考意义。
2、熟练掌握设计所需的内容
复习以前所学设计有关的专业知识，并熟练的运用到设计中去。还要学习一些设计中所用到的其它方面的知识。运用Cimatrin E软件加工整体叶轮零件。并编写工艺过程卡。做虚拟仿真优化刀路。上数控机床做出零件。
3、设计内容
（1）建立叶轮零件的三维模型；
（2）工艺规程编制；
（3）虚拟加工、优化刀路；
（4）叶轮零件在VERICUT模拟加工。
4、具体设计步骤
（1）利用Pro/ENGINEER完成叶轮零件的三维模型；
（2）编写工艺过程卡；
（3）进行刀路优化；
（4）NC编程、G代码后置处理；
（5）利用VERICUT对设计的零件进行机床模拟加工；
（6）在数控机床上验证设计。

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导老师：
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所在专业审查意见：

负责人：

年 月 日

12