《CADCAM实践性教学》项目指导书

1《CAD/CAM实践性教学》项目指导书编写：高伟强课程代码：12203220课程性质：分散实践性综合训练适用专业：机械设计、制造及自动化课程总学时：32h2013-0221．实验目的CAD/CAM技术被视为20世纪最杰出的工程技术成就之一，其应用水平已成为衡量一个国家科学技术发展和工业现代化程度的重要标志，机械CAD/CAM技术开发研究和应用人才是社会大量急需专业人才。本课程是机械CAD/CAM技术的实验实训教学环节。通过本课程学习使学生掌握机械CAD/CAM技术的基本理论知识，掌握CAD/CAM系统的学习方法，能够较熟练地运用一种CAD/CAM系统进行三维参数化建模，进行一般的产品机械结构设计，开展结构力学的工程分析和仿真，完成复杂零件的数控自动编程和数控仿真。在此基础上使学生具备进一步提升设计知识、工程应用技能的自学能力。并培养进行自主学习、项目组织、合作的能力，提高学生创新意识。2．项目实施条件1).硬件PC机一台(操作系统WindowsXP、Win7或以上兼容系统)；华中数控三轴联动数控实验台。2).软件UGNX6.0CAD/CAM集成系统一套；*提高可增加AnsysV12.0有限元分析软件。3．理论、软件学习和项目实践训练内容据老师安排和指导开展CAD/CAM基础理论和软件学习，培养学生自主学习、主动学习的能力。在学习CAD零件几何建模和产品装配建模的基本理论的基础上，掌握UG6.0系统线框建模、曲面建模、实体建模和装配建模的基本方法和技能，学习有限单元分析的基本理论和软件操作*；学习并掌握CAD/CAM数控自动编程的基本理论和软件操作。主要学习内容包括：3．1．CAD/CAM基础理论UGNX6.0CAD软件学习（需自主学习的内容）1)CAD建模基本理论：CAD建模中的图形学基础，CAD图形几何变换理论基础，CAD/CAM技术中曲线、曲面理论，CAD建模技术中的线框建模、曲面建模、特征建模、参数化与变量化设计技术、装配建模技术等；2).UGNX6.0基础入门和基本界面操作：UGGateway，文件操作，UG的菜单及鼠标操作，视图管理和布局(Layout)，UG中的坐标系，UG的图层管理，零件导航器(PartNavigator)，几何体移动和变化；3)UGNX6.0线框建模：UGNX6.0曲线绘图(Curve、CurveSplines、Curvefromcurve、Curvefrombodies)，UGNX6.0草图功能；4)UGNX6.0CAD实体建模及特征建模：UG中的CSG基本体素造型(块Block、圆柱Cylinder。圆锥Cone、球Sphere)和布尔运算(并Unite、差Subtract、交Intersect)，扫描法实体造型(拉伸Extrude、旋转Revolve、扫掠面Sweep)，特征建模(孔Hole、圆台Boss、型腔Pocket、凸台Pad、键槽Slot、沟槽Groove、抽壳Shell、倒圆EdgeBlend、倒角Chamfer、面倒圆FaceBlend、拔锥Taper、螺纹Thread、引用Instance(阵列)、剪裁实体Trimbody)；3基准(Datum)特征，包括基准平面(DatumPlane)、基准轴(DatumAxis)、参考点(Point)等。5)CAD曲面建模：通过点(ThroughPoints)、通过控制点(FromPoles)、通过云点(FromPointCloud)、直纹面(Ruled)、通过线(ThroughCurves)、通过两组正交曲线(ThroughCurveMesh)、扫掠面(Sweep)、二次曲面(Section)、延伸面(Extension)、偏置面(Offset)、搭桥(Bridge)、剪裁面(TrimmedSheet)、多个曲面整合为一个面(Quilt)、两个面的倒圆(Fillet)等。6)装配建模技术；UGNX6.0装配建模基础：部件(Componnent)、自顶向下装配建模、自底向上装配建模、装配约束、装配导航器等基本概念；NX6.0的装配约束方法：角度(Angle)、中心(Center)、胶合(Bond)、适合(Fit)、接触对齐(TouchAlign)、同心(Concentric)、距离(Distance)、固定(Fix)、平行(Parallel)、垂直(Perpendicular)等；装配的WAVE几何链接器7)UGNX6.0工程图。NX6.0工程图的创建及设置、修改；视图及视图的编辑、剖视图及其编辑、尺寸及公差的标注、形位公差及粗糙度等符号标注、图样管理。选用机电产品中的齿轮机构、凸轮机构、机械手、变速箱、电视机、手机、相机外壳等常用机构和产品部件完成三维实体建模。*3．2．计算机辅助工程分析和机构运动学分析或仿真（自主学习的内容）有限元结构力学分析基本概念、ANSYS(Ansysworkbench)的用户界面和基本操作、ANSYS前处理(ANSYS几何建模；ANSYS材料属性定义；单元划分、单元细化和单元类型；约束和载荷等边界条件施加等)、ANSYS求解与结果分析、ANSYS后处理。3．3．数控加工程序的生成及加工过程仿真（需自主学习的内容）CAM技术的基本概念；UGNX6.0Manufacturing数控加工环境的初始化；UGNX6.0Manufacturing数控加工的基本概念和操作(包括：加工坐标系；创建程序组、刀具组、几何体组和方法组等父级组；操作导航器等)；UGCAM平面铣;UGCAM型腔铣;UGCAM固定轴轮廓铣；UG数控后处理器等。3.4在基础理论和软件学习的基础上根据要求学生分组开展CAD/CAM项目设计(项目设计内容)以小组为单位完成一个简单产品的零件及产品的几何建模和装配建模，要求每个学生需独立完成不少于一个零件的CAD三维建模；进行关键零部件的结构力学分析或运动仿真分析；对关键零部件进行CAD/CAM数控加工编程，生成数控代码。4．项目组织管理和考核学生分组开展项目设计，培养学生的团队协作和组织规划能力。每组人数4-5人，每个人都必须单独完成一定数量的零件CAD几何建模内容，然后分工开展装配建模、CAD工程绘图、有限元结构力学分析*、机械运动仿真*、加工模具设计*、零件数控加工工序设计、数控后处理器设计及加工代码生成、加工过程仿真*等。每个小组选出项目负责人，负责项目规划、组织小组讨论、任务分配以及与指导老师的4联系，定期向老师汇报工作进度。小组成员必须参与项目讨论，完成组长指定的任务，并参与项目报告的撰写。在报告总结中必须列出自己所完成的工作，并对自己及小组各成员的工作质量提出评价意见和修改完善建议。课程成绩考核采用小组答辩与平时工作成绩相结合的形式进行，根据作品质量、项目报告质量、平时工作表现、在小组完成项目中的贡献及答辩表现综合评定成绩。5．项目要求和项目开展的时间、地点各小组根据指导老师的要求自选产品或机构建模为项目设计题目，并设计具体参数。学生根据小组讨论分配的任务，应在规定的时间内独立完成三维建模、结构分析*、运动仿真*和数控加工编程和仿真。学生作品以电子文档和详细项目报告的形式交给指导老师。项目安排在三年级第二学期，时间为32学时。地点在实验2号楼407机电工程学院机械CAD中心。6．项目实例1)．自选CAD/CAM/CAE集成开发系统平台目前机电工程学院机械CAD中心提供下列实验平台：UnigraphicsNX6.0学生可根据自己对软件系统的熟悉情况选择其中一种系统作为实验平台。2)．自选一种机构或零件进行特征参数化三维实体建模下列机构或零件可作参考：(a)．凸轮机构三维建模、运动学分析及仿真、凸轮轮廓加工及加工过程仿真图1所示为凸轮旋转一周对应的从动件位移循环图，其中30˚~150˚及210˚~330˚采用余弦加速度运动规律[提示：当凸轮转120˚(即32)时，传动件位移50。即h=50，a=2*pi/3,x=30+(150-30)*t,y=h/2*(1-cos(t*pi*120/a))]。已知从动件滚子直径为20，槽凸轮理论轮廓线基圆直径为100。图1凸轮从动件位移循环图5图2凸轮三视图及三维模型凸轮从动从动件运动循环图和凸轮结构、尺寸可由学生自己设计。(b)．六自由度机械手参数化实体建模及运动运动分析、运动仿真及机器人关键零部件数控加工编程(c)．相机结构建模及其模具型腔、型芯设计，数控加工及加工过程仿真6光照反射条纹分析数控加工过程仿真(d)．手机或电话机三维实体建模及其模具型腔、型芯设计，数控加工及加工过程仿真(e).电熨斗产品三维建模、电熨斗传热及热变形有限元分析、电熨斗关键零部件模具数控加工编程7(f).齿轮变速箱三维实体建模及其静力学、热力学分析和变速箱模具数控加工编程(g).夹具特征参数化三维实体建模极其静力学有限分析和钻模板数控点位加工编程学生按小组确定或由指导老师安排选择上述机构或产品进行建模。3)．自行设计产品母性参数和加工工艺条件学生所设计的参数原则不能与其他同学的相同，一旦发现数据抄袭，抄袭和被抄袭者成绩都将同时减半。4)．计算机辅助工程分析和机构运动学分析或仿真学生可选择下列其中一种类型进行分析：a).零件应力、应变或热变形有限单元分析i)对已建好的三维CAD模型进行前处理：划分网格、定义材料的本构模型、定义约束和边界条件、加载荷；ii)进行应力、应变或热变形分析生成应力、应变或温度场云图；iii)输出分析报告，分析、改进零件的静力学、热力学结构。8b).机构运动学分析或机构运动仿真通过数学建模作出机构从动件运动参数曲线（位移s、速度v=ds/dt、加速度a=dv/dt、跃度j=da/dt等），分析所设计机构的运动特性（振动、冲击、死点等），改进运动规律。凸轮转角-从动件加速度曲线凸轮转角-从动件位移曲线凸轮运动仿真c).曲面外观和曲率半径光顺分析分析零件曲面的高斯曲率半径和光照反射条纹，改进曲面的光顺和外观。d).机构动力学分析运用有限元分析软件，求出机构各振型的固有频率，找出系统的主振型，并对主振型的幅-频、相-频特性和动刚度等动力学性能进行分析，提出改进机构动力学性能的措施。5)．数控加工程序的生成及加工过程仿真定义加工坐标系；定义加工刀具库；定义加工机床；定义几何要素；定义个加工工序：走刀方式、加工区域、切削用量、余量、进退刀方式等；生成刀位原文件；刀位文件后处理，生成NC代码；加工工艺过程仿真；改进加工工艺。7．思考题1).机械CAD基础9(1)．计算机辅助工程的基本内容？(2)．CAD/CAE/CAPP/CAM的基本概念(3)．CAD/CAE/CAM技术在制造技术中的地位和作用?(4)．CAD/CAE/CAM技术的发展趋势？2).CAD建模技术(5)．CAD系统的世界坐标系(右手法则)、设备坐标系、规则化坐标系和观察坐标系(左手法则)定义和转换。(6)．视图的类型？平行(正交)视图和透视视图的特点是什么？有哪些经典视图？(7)．视图中三个基本要素是什么？(8)．为什么要用齐次坐标描述点的坐标？齐次坐标的维数与几何维数的关系？CAD图形基本变换包括哪些类型？(9)．二维图形变换矩阵及其子矩阵的作用？三维图形变换矩阵及其子矩阵的作用？(10)．三维视图投影变化矩阵意义(多矩阵符合变换)。什么是三维图形复合变换，复合变换的过程是否可逆？(11)．一条复杂曲线(曲面)往往要由多段曲线连接而成，在曲线(曲面)段与曲线(曲面)段的交接处存在连续性问题。曲线(曲面)的连续性有哪几种形式？Gn、Cn的数学、几何意义是什么？(12)．插值、逼近、光顺、拟合的基本概念。插值和逼近常用的数学方法有哪些？(13)．Bézier曲线、B-Spline曲线、NURBS曲线的特点？(14)．Bézier曲线、B-Spline曲线、NURBS曲线的次数(degree)和控制点数量的关系。(15)．CAD技术中零件建模技术的发展经历了哪些建模技术发展过程？(16)．CAD三维实体建模有哪些方法？它们的特点是什么？(17)．CAD三维线框造型的特点？三维线框造型在计算机内