基于Mastercam零件设计与数控机床零件加工论文.doc

毕业设计说明书（论文）

作 者:

学 号：

系 (院):
机 械 工 程 学 院
专 业:
机械设计制造及其自动化
题 目:
基于Mastercam零件设计与数控机床零件加工

（硬币）

指导者：

评阅者：

2015
年
6
月

毕业设计说明书（论文）中文摘要

数控加工，是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。是现代制造技术的基础，它的广泛应用使普通机械被数控机械所代替，使全球制造业发生了根本变化。数控技术的水准、拥有和普及程度已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志之一。
本课题是基于Mastercam软件的硬币造型设计与加工。主要运用三维CAD软件Solidworks对天鹅实体进行三维造型设计，然后运用Mastercam软件进行硬币刀具路径的设置及实体仿真加工，再经过后处理生成数控铣床上所用的NC程序，最后由数控铣床根据NC程序加工出硬币的实体。

关键词 Mastercam，Solidworks，硬币，加工，设计

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 35 页 共 35 页
毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Design and machining parts Based on Mastercam

（coin）

Abstract
CNC machining, refers to the parts on the CNC machining of a process approach, CNC machining and conventional machining process of order generally speaking is the same, but it has also undergone a significant change. With digital information control parts and machining tool displacement method. It is to solve the changeable parts varieties, small batch, complex shape, high precision and achieving efficient and effective way to automated processing. Is the foundation of modern manufacturing technology, it is widely used to make general machinery replaced by CNC machinery to make a fundamental change in the global manufacturing industry. CNC technology level, with and penetration has become a measure of a country's comprehensive national strength and the level of industrial modernization is one important indicator.
This topic is the coin shape design and processing based on Mastercam software. The main use of 3D CAD software Solidworks three-dimensional modeling design for the coin entity, and entity simulation processing and then use Mastercam software to carry on the coin tool path generation, then processed by CNC milling machine NC procedures, and finally by the CNC milling machine based on the NC program and the coin entity.

Keywords Mastercam , Pro-Engineer, swan, processing, design

目 录

1 引言 1
2  零件的造型 1
2.1 Solidworks 2012 1
2.2 Master CAM在数控加工中应用 2
2.3 荷花的建模 3
3 应用Master CAM进行零件加工 17
3.1 利用Master CAM进行零件加工的自动编程基本步骤 17
3.2 利用Master CAM进行零件加工 17
3.2.1 零件曲面粗加工 17
3.2.2 零件曲面精加工 18
3.2.3 生成加工程序 22
4 数控加工中心的操作过程 26
5 数控加工中心的实物加工 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31

1 引言
计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）技术是先进制造技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、制造等领域中具有重要影响的高新技术。CAD/CAM技术的推广应用有助于利用电子信息技术改造传统产业，提高企业的活力、竞争能市场应变能力和技术创新能力。CAD/CAM软件作为企业信息化基础应用软件，其发展过程和趋势是从单项技术的应用到各种技术的集成化应用，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化，并且产生了巨大的经济效益和社会效益。目前，中国制造业已跻身世界前列，但要从制造大国走向制造强国，必须优先发展先进制造业。这就要求，必须大力发展提高先进制造业的技术水平，提升计算机辅助设计与制造的技术水平。
Mastercam是由美国CNC Software公司推出的基于PC平台的CAD/CAM一体化软件，由于其卓越的设计及加工功能，在世界上拥有众多的忠实用户，被广泛应用于机械、电子、航空等领域。Mastercam软件是一种典型的CAD/CAM软件系统，它把CAD造型和CAM数控编程集成与一个系统环境中，完成零件几何造型、刀具路径生成、加工模拟仿真、数控加工程序生成和数据传输，最终完成零件的数控机床加工。由于曲面模型技术可以构建复杂外形，而实体模型技术具有快速构建模型的能力，所以Mastercam融合了曲面与实体模型的加工方式，同时采用这些核心技术，在使用上讲更加方便且迅速。Mastercam系统具有强大完整的曲线、曲面实体造型功能，可以与典型的CAD系统进行数据交换，尤其是其具有完整的车铣、线切割等加工系统，不仅可以大大提高设计制造效率和质量，还能够充分发挥数控机床的优势，提高整体生产水平，实现设计/制造一体化，是企业很快地见到效益。
2 零件的造型
2．1 Soldworks 2012
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在SolidWorks 2012 中，新增了和完善了200 多项功能，可以更好的帮助提高企业创新能力和设计团队的工作效率。在这个版本中增加了大型审阅图和走查等众多功能，其中大型审阅图可以快速打开复杂的大型装配体，节省系统资源。走查功能可以模仿人眼的观察走向，可以更加清晰的看到复杂的构造内部。且这个版本也是官方宣称更加符合GB的版本，例如加入了仿宋的新字体，GB的图纸模版。
Solidworks 曲面建模是通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。

2．2 Master CAM在数控加工中的应用
Mastercam是美国CNC Software Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等到功能于一身。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。 Mastercam9.0以上版本还有支持中文环境，而且价位适中，对广大的中小企业来说是理想的选择，是经济有效的全方位的软件系统，是工业界及学校广泛采用的CAD/CAM系统。
Mastercam不但具有强大稳定的造型功能，可设计出复杂的曲线、曲面零件，而且具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。其可靠刀具路径效验功能使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，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况，不愧为一优秀的CAD/CAM软件。同时Mastercam对系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计、CNC铣床、CNC车床或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果Master CAM 最新发行的Master CAM XV10·2MR2 版本对四轴、五轴和多轴功能做了一步大幅提升，包括四轴、五轴曲面加工和多轴刀具路径，可以直接读取许多其它CAD文档。
Master CAM软件在数控加工中主要按如下步骤进行：
1. 零件加工工艺分析   图2-1所示为加工的零件外形图，在运用Master CAM软件对零件进行数控加工自动编程前，首先要对零件进行加工工艺分析，确定合理的加工顺序，在保证零件的表面粗糙度和加工精度的同时，要尽量减少换刀次数，提高加工效率，并充分考虑零件的形状、尺寸和加工精度，以及零件刚度和变形等因素，做到先粗加工后精加工;先加工主要表面后加工次要表面;先加工基准面后加工其他表面。

图2-1零件加工成型图
2. 零件图的几何建模  图2-1加工零件图的几何建模建立零件的几何模型是实现数控加工的基础，本文选择用Solidworks 2012软件进行零件的三维几何建模。
2．3 荷花的建模
(1)启动Solidworks 2012，界面如图2-2所示。

图2-2 Solidworks 2012启动界面
(2)选择菜单栏中的/【新建】命令建立新的文件，系统弹出如图2-3所示新建对话框，单击【零件】后，点击【确定】键，进入建模界面。

图2-3 新建对话框
(3)系统启动零件设计模块，如图2-4所示。

图2-4 零件设计模块
（4)单击按钮，出现如图2-5所示的界面。选取XY平面为草绘平面，单击确定按钮，完成草绘平面的设置。

图2-5 草图选择界面

(5)绘制草图，如图2-6所示，以中心为圆心画半径为60的圆，建立基准面，以确定所绘图形的大小。如图2-8所示。

图2-6 草绘图形
（6)在处输入60，完成所绘图大小的确定。
（7）在圆中找一点，作为荷花的花心，如图2-7所示。

2-7花心的确定
（8）点击 绘制样条曲线，完成第一片花瓣的草图绘制，如图2-8所示。

2-8 花瓣绘制
（9）以此类推，完成花瓣的绘制，如图2-9所示。

2-9 花瓣的草图绘制
（10）再为荷花加上一条根，完成荷花的草图绘制，如图2-10所示。

2-10 荷花的草图
（11）退出草图，对花瓣进行拉伸，，单击拉伸凸台/基体。
（12）选中草图中的一部分，对其进行拉伸，如图2-11所示。

2-11 拉伸基体
（13）点击，完成拉伸操作。
（14）再选中其他部分，对其进行拉伸，如图2-12所示。

2-12 拉伸基体
（15）点击，完成拉伸操作。
（16）对花瓣进行曲面修饰，使用【拉伸切除】，如图2-13， 2-14所示。

2-13 拉伸切除

2-14 切除所用的刀
（17）点击，完成拉伸切除操作。
（18）花瓣曲面构建，使用【拉伸切除】，如图2-15所示。

2-15 花瓣曲面构建
（19）点击，完成拉伸切除操作。
（20）插入基准面，点击【插入】→【基准/点】→【基准平面】，选择类型为按某一距离，以XY平面为对象，偏置6mm，平面的数量为1，插入一个基准面，如图2-16 所示。

2-16 基准面的插入
（21）根茎的拉伸，选中根茎一快，用【拉伸基体】进行拉伸如图2-17所示

2-17 根茎的拉伸
（22）点击，完成拉伸操作。
（23）根茎曲面的构建，使用【拉伸切除】，选择一把弯刀进行切割如图2-18 ，2-19所示。

2-18 切除所用的刀

2-19根茎曲面的构建
（24）点击，完成拉伸切除操作。
（25）花瓣上的花瓣构建，先选中花瓣，对其进行拉伸处理，如图2-20所示。

2-20 花瓣上的花瓣
（26）点击，完成拉伸操作。
（27）花瓣上的花瓣的曲面构建，使用【拉伸切除】，如图2-21， 2-22所示。

2-21 切除所用的刀

2-22 花瓣上的花瓣的曲面
（28）花瓣倒圆角，如图2-23所示。

2-23 倒圆角
（29）双曲面花瓣的构建，先对草图进行拉伸，然后用两把刀分别进行切除。如图2-24, 2-25 , 2-26所示。

2-24 花瓣拉伸

2-25 花瓣第一次切除

2-26 花瓣第二次切除
（30）双曲面的组合，采用倒圆角，如图2-27所示。

2-27 倒圆角
（31）重叠花瓣的组合，如图2-28所示。

2-28 花瓣的组合
（32）继续建模，同上述方式，直至如图2-29所示。

2-29 建模
（33）继续组合，如图2-30， 2-31所示。

2-30 组合1

2-31 组合2
（34）初步完成建模，按上述方法，将各部件构建并组合，如图2-32所示。

2-32 初步建模
（35）完善建模，倒圆角，如图2-33所示。

2-33 莲花模型
2．4 导出荷花模型
选择菜单栏中的【另存为】命令，如图2-53所示，系统弹出如图2-34所示新建对话框，单击【保存类型】，选择，单击确定完成模型导出。

2-33 导出模型
3 应用Master CAM进行零件加工
3．1 利用Master CAM进行零件加工的自动编程基本步骤
根据零件的结构特点，利用Master CAM进行加工编程，可按如下步骤进行：
1. 分析零件图纸；
2. 建立加工模型；
3. 确定加工工艺（装卡、刀具等）；
4. 生成刀具轨迹及模拟加工；
5. 刀具的选择、切削用量的选择（粗加工、半精加工、精加工）；
6. 生成数控程序及传输；
3．2 利用Master CAM进行零件加工
3.2.1 零件曲面粗加工
(1) 选择【文件】→【打开文件】命令，选择文件“hh.mcx”，单击【打开】按钮，在绘图区显示流线型“hh”模型，如图3-1所示。
(2) 单击图形着色按钮，效果如图3-2所示。

图 3-1 流线型hh模型 图 3-2 图形着色
(3) 点击材料设置，进行毛坯设置，如图3-3所示。单击【确定】按钮退出毛坯设置界面

图 3-3 毛坯设置
(2) 单击确定按钮，完成毛胚设置。单击平移按钮，将所有曲面沿Z轴平15mm,并在Z=15mm处创建半径为65的平面，效果如图3-4所示。

图 3-4 毛胚
(3) 选择【机床类型】→【铣削系统】→【默认】，进入铣削加工模块。
(4) 选择【刀具路径】→【曲面加工】→【粗加工】→【平行铣削】→【凹】命令，用鼠标拉出一窗口选择所有曲面，单击回车键，出现如图3-5所示“曲面粗加工平行铣削”对话框。

图 3-5 曲面粗加工平行铣削对话框
(5) 单击“刀具参数”，在上部单击右键，选择“建立新的刀具”。出现“刀具管理”对话框如图3-6所示。从中选择圆鼻刀，如图3-7，修改其参数，直径为10mm。

图 3-6 定义刀具对话框

图 3-7 设置刀具对话框
(10) 设定刀具路径参数，进给速率设为800，主轴转速设为1000，下刀速率设为500，提刀速率设为500，如图3-8所示。

图3-8 刀具路径参数
(11) 设定外型铣削参数，单击【曲面加工参数】选项卡，则显示“曲面加工参数”对话框，设置参数，【参考高度】设为5，用来提高退刀速度，【进给下刀位置】选择为绝对座标，数值设为3，【预留量】设为3，给加工表面留有余量。如图3-9所示。

图3-9 “曲面加工参数”对话框
(11) 设定外型铣削参数，单击【粗加工平行铣削参数】选项卡，则显示“平行铣削粗加工参数”对话框，设置参数，【最大Z轴进给】设为2，最大切削间距为2，【切削方式】为双向切削，以提高切削速度。如图3-10所示。

图 3-10 “平行铣削粗加工参数”对话框
(12) 设置完毕，单击【确定】按钮，出现刀具路径。结果如图3-11所示。

图 3-11 曲面粗加工平行铣削
(13) 单击【实体验证】命令，点击开始，结果如图3-12所示。

图3-12 实体验证
3.2.2 零件曲面精加工
1. 曲面半精加工
（1） 选择【刀具路径】→【曲面加工】→【精加工】→【平行铣削】→【凹】命令，用鼠标拉出一窗口选择所有曲面，单击回车键，出现如图3-13所示“曲面精加工-平行铣削”对话框，单击“刀具参数”，在上部单击右键，选择“从刀具库中选取刀具…”。出现“刀具管理”对话框，从中选择8mm的球刀，进给速率设为,2000，主轴转速设为5000，下刀速率设为1000，提刀速率设为1000。

图3-13 “曲面精加工平行铣削”对话框
（2） 设定外型铣削参数，单击【曲面加工参数】选项卡，则显示“曲面加工参数”对话框，设置参数，【进给下刀位置】选择绝对座标，设为3，【加工面预留量】设为0.3，如图3-14所示。

图3-14 “曲面加工参数”对话框
（3） 设定外型铣削参数，单击【曲面精加工平行铣削参数】选项卡，则显示“平行铣削精加工参数”对话框，设置参数，【切削方向误差值】设为默认，最大切削间距为0.5，【切削方式】为双向切削，如图3-15所示。

图 3-15 “平行铣削精加工参数”对话框
（4） 设置完毕，单击【确定】按钮，单击【实体验证】命令，点击开始，结果如图3-16所示。

图3-16 实体验证
2. 曲面精加工
3. 选择【刀具路径】→【曲面加工】→【精加工】→【平行铣削】→【凹】命令，用鼠标拉出一窗口选择所有曲面，单击回车键，出现如图3-17所示“曲面精加工-平行铣削”对话框，单击“刀具参数”，在上部单击右键，选择“从刀具库中选取刀具…”。出现“刀具管理”对话框，从中选择直径6mm的球刀。进给速率设为3000，主轴转速设为8000，下刀速率设为2000，提刀速率设为2000。
（1） 设定外型铣削参数，单击【曲面加工参数】选项卡，则显示“曲面加工参数”对话框，设置参数，【进给下刀位置】选择绝对座标，设为3，【加工面预留量】设为0，如图3-18所示。

图3-17 “曲面精加工平行铣削”对话框

图3-18“曲面精加工环绕等距”对话框
（2） 设定外型铣削参数，单击【曲面精加工平行铣削参数】选项卡，则显示“平行铣削精加工参数”对话框，设置参数，【切削方向误差值】设为默认，最大切削间距为0.1，【切削方式】为双向切削，如图3-19所示。

图3-19“曲面精加工环绕等距”对话框
（3） 设置完毕，单击【确定】按钮，单击【实体验证】命令，点击开始，结果如图3-20所示。

图3-20 实体验证
3.2.3 生成加工程序
单击【后处理】命令，出现 “后处理程序”对话框。选择保存NC文件。出现如图3-21所示。单击【确定】，保存程序文件。命名为“hh.NC”。

3-21生成加工程序
4 数控加工中心的操作过程
4.1 加工步骤
1. 下料，根据所绘图形厚度加上15mm底座厚度，用锯床截下直径60mm，厚度30mm的圆柱形铝块。
2．机床预热 打开加工中心，使机床空运行，预热时间约为10分钟。
3．回参考点 将控制面板上的“工作方式”开关打在“返回参考点”方式，再按下各坐标轴正方向按钮。
4．装夹金属材料，材料为半径为60的圆形铝块，将铝块露出20mm左右固定在夹具上。
4．对刀 先对X和Y方向，即各对两个边，取平均值，再对Z方向，所得数直接输入机床的坐标系即可。
5．编译程序加工 把生成的NC程序输入机床，进行编译至可以加工。在加工过程中可以适当调整进给倍率、主轴转速等参数。

4.3 最终成品
如图4.2所示

4.2 成品
5 数控加工中心的实物加工
对自动生成的每一个NC程序进行必要的修改，使之符合海德汉系统的要求。然后拷贝入数控加工中心中。经过必要的设置和调用操作，即可对零件进行自动加工。程序主要修改开头和结尾部分，具体修改如下：

修改前： 修改后：
% %2 G71 *
N100 G21 N0 G30 G17 X-60 Y-60 Z-30*
N102 G0 G17 G40 G49 G80 G90 N0 G31 X+60 Y+60 Z+0*
N104 S4000 M3 N0 T1 G17 S5000 F2000*
N106 G0 G90 G54 X-5.607 Y-62.245 A0. M3 N0 M3*
N108 G43 H2 Z50. N106 G0 G90 X-5.607 Y-62.245
N110 Z3. N108 Z50.
N112 G1 Z-9.7 F1000. N110 Z3.
N114 X5.416 F2000. N112 G1 Z-9.7 F1000.
N116 G0 Z3. N114 X5.416 F2000.
N118 Z10. N116 G0 Z2.
N120 X9.609 Y-61.745 …………
N122 Z3.
N402 M05 N594 G1 Z-9.7 F1000.
N404 M30 N596 X-5.607 F2000.
………… N598 G0 Z3.
N1084 G0 Z3. N600 Z50.
N1086 Z50. N0 G01 Z+100*
N1088 M5 N0 G01 M5 M30*
N1090 G91 G28 Z0. N99999999 %2 G71 *
N1092 G28 X0. Y0. A0.
N1094 M30%

结 论

经过了一个学期的毕业设计，我这次毕业设计的课题是基于Master CAM零件设计和数控机床零件加工。我设计的任务是应用Solidworks 2012进行造型设计，Master CAM数控加工，然后将手在数控加工中心上加工出来。
本次设计与以前所做的课程设计有着很大的差异。在本次设计中，都是基于mastercam 的零件设计和数控机床零件加工。
采用 MasterCAM软件能模拟刀具路径，并完成零件的成型，能迅速自动地生成数控代码，大大缩短编程人员的编程时间，特别对复杂零件的数控程序编制，同时大大提高了程序的正确性和安全性，降低生产成本，提高工作效率。所以MasterCAM软件被人们广泛使用，成为了现代加工过程中不可缺少的一部分。同时其较为简单的操作模式也易于人们掌握和使用，深受欢迎。
在设计的过程中，我发现大学四年所学的很多知识都是很重要的，在我的毕业设计过程中得到了系统性的运用，同时也对它们进行了一次整理、巩固和复习。与此同时，在整个设计过程中我查阅了大量的文献资料，一方面使得我对数控技术方面的发展前景和工艺方面有了更加深刻的了解，开阔了我的视野，另一方面也锻炼了我的意志，使我学会了以严谨治学的道理，是我做事更缜密，更稳重。我相信这对我融入社会走上工作岗位也是大有裨益的。

致 谢

毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面性的考核，也是为我们进行科学研究训练打下了基础，培养我们综合运用所学知识来独立地分析问题和解决问题，为以后的工作打下良好的基础。
本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校——淮阴工学院，是她为我们提供了学习知识的土壤，让我们可以在这里茁壮成长；其次我要感谢机械工程学院的老师们，他们不仅教会我们许多专业方面的知识，而且也教会了我们做人做事的道理；最后，我要由衷的感谢我的指导老师陈前亮老师，他在我们的设计过程中给了我很大的帮助与鼓励，每当我遇上难题难以下手时，陈老师总会悉心指导，不厌其烦地给我讲解原理，让我顺着原理去推理，最终解决问题。同时，陈老师也为我提供了很多资料来参阅，大大开阔了我的视野，让我对机械行业的现状有了深层次的了解。
在本次毕业设计中，我从指导教师陈前亮老师身上学到了很多东西。陈老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收获颇丰。他无论在理论上还是在实践中，都给予我很大的指导与帮助，使我的能力得到了不少的提高，这对于我以后的工作和学习都会是一种巨大的帮助，再次感谢他耐心的辅导与鼓励。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

参 考 文 献

1 何满才. Mastercam X数控编程与加工实例精讲.人民邮电出版社，2007.12
2 周文成,刘伟.MastercamX基础与范例应用.人民邮电出版社，2006.7
3 吴长德.Master cam 9.0系统学习与实训.机械工业出版社，2003.8
4 孙中柏.Master cam 9.1模具设计与加工范例.清华大学出版社，2006.3
5 蒋洪平.Mastercam X.北京理工大学出版社，2007.8
6 何晓东.Master cam 设计与应用.电子工业出版社，2004.6
7 杜智敏.UG NX 4中文版实例详解.人民邮电出版社，2009.8
8 杜志伦,杜智敏,何华妹.UG NX 4中文版产品模具设计入门一点通.清华大学
出版社，2006.12
9 张子良. CAD产业的发展趋势.上海电机学院学报, 2007
10 赵旭,杜智敏,何华妹.UG NX 4 中文版模具设计基础教程.人民邮电出版社，
2007.7
11 朱燕青.模具数控加工技术.北京:机械工业出版社，2002
12 曾东保,刘艳华.CAM技术的现状与发展趋势.装备制造技术，2008
13 王军.CAD/CAM技术的新发展趋势.黑龙江冶金，2006