本科毕业设计基于ug的变速箱设计及cam技术研究.docx

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本科毕业设计基于ug的变速箱设计及cam技术研究

摘要

现今，机械行业广泛采用CAD/CAM技术，并通过数控机床进行加工，大大缩短了产品的开发和制造周期，提高了产品的技术含量，降低了成本。

本论文中详细的阐述了变速箱的三维建模和数控编程过程，应用UG实现了零件的三维建模，在UG环境中进行了数控仿真加工，并生成了NC仿真加工程序。

论文共分四个部分，在第一部分简单的介绍了CAD/CAM技术；第二部详细介绍了基于UG的三维实体建模；第三部分详细介绍了基于UG的数控加工技术；第四部分讲述了经济性分析。

本课题通过对变速箱箱体零件设计加工过程的分析，以UG软件为基础，对变速箱箱体进行了设计，并对其进行了加工工艺分析，同时运用UG软件对其进行了数控加工，实现了从设计到生产的一体化，对实际生产有一定的指导意义。

关键词：

CAD/CAM；变速箱；三维建模；数控加工；仿真模拟；NC代码

GearboxdesignbasedonUGandCAMtechnology

Abstract

Atpresent，themachineryindustrywidelyusedCAD/CAMtechnologyandthenumericalcontrolmachinetoolformachiningthroughtheprocess,greatlyreducingtheproductdevelopmentandmanufacturingcycle,improvingthetechnologyofproducts,andtoreducethecost.

Paperdescribesindetailthetransmissionofthree-dimensionalmodelingandnumericalcontrolprogramming.TheapplicationofUGrealizesthree-dimensionalmodelingofpartsinUGCNCsimulationenvironmentfortheconductoftheprocess,andgeneratestheNCmachiningsimulationprogram.

Thesisisdividedintofiveparts.InthefirstpartintroducesCAD/CAMbriefly;Thesecondsectiondetailsthethree-dimensionalsolidmodeling;ThethirdsectiondetailsbasedonUGCNCmachiningtechnology;Thefourthsectiondescribestheeconomicanalysis.

ThistopicthroughpartsofgearboxdesignprocessanalysistoUGsoftwarebasedonthetransmissionboxwasdesigned,anditsanalysisofthemachiningprocess,whiletheuseofUGsoftwarefromCNCprocessingtoachievetheintegrationfromdesigntoproduction,actualproductionhassomesignificance.

Keywords:

CAD/CAM;gearbox;three-dimensionalmodeling;CNCMachining;

Processingsimulation;NCcode;

1CAD/CAM技术在产品制造中的应用

1.1CAD/CAM技术概述

CAD/CAM（计算机辅助设计及计算机辅助制造）技术产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。

1989年美国国家工程科学院将CAD/CAM技术评为当代（1964~1989）十项杰出的工程技术成就之一。

CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。

CAD/CAM技术是先进制造技术的重要组成部分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。

CAD/CAM技术已经成为衡量一个国家科技现代化水平的重要标志之一。

50多年来CAD/CAM技术有了飞速的发展，CAD/CAM的应用迅速普及。

CAD/CAM技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小企业推广，由高技术领域的应用向日用家电，轻工产品的设计和制造中普及。

1.1.1CAD/CAM技术的基本概念

CAD即计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作,简称CAD。

在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。

CAM（ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造）：

利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。

它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。

CAM（ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造）的核心是计算机数值控制是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。

1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。

数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。

此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成铣、钻、铰、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。

加工程序的编制不但需要相当多的人工，而且容易出错，最早的CAM便是计算机辅助加工零件编程工作。

CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。

CAM所涉及的范围，包括计算机数控，计算机辅助过程设计。

1.1.2CAD/CAM技术的发展历程

CAD/CAM技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并伴随着计算机及其外围设备的发展而发展。

计算机图形学中有关图形处理的理论和方法构成了CAD/CAM技术的重要基础。

纵观CAD/CAM技术的发展历程，主要经历了以下发展阶段：

（1）20世纪50年代，计算机主要主要用于科学计算，使用机器语言编程，图形设备仅具有输出功能。

美国麻省理工学院（MIT）在其研制的旋风I号计算机上采用了阴极射线管（CRT）作为图形终端，并能被动显示图形。

其后出现了光笔，开始了交互式计算机图形学的研究，也为CAD/CAM技术的出现和发展铺平了道路。

1952年MIT首次试制成功了数控铣床，通过数控程序对零件进行加工，随后MIT研制开发了自动编程语言（APT），通过描述走刀轨迹的方法来实现计算机辅助编程，标志着CAM技术的开端。

1956年首次尝试将现代有限元法用于分析飞机结构。

20世纪50年代末，出现了平板式绘图仪和滚筒式绘图仪，开始了计算机绘图的历史。

此间CAD技术处于酝酿、准备阶段。

（2）20世纪60年代，这是交互式计算机图形学发展的最重要时期。

1963年MIT学者I.E.Sutherland发表了题为“人机对话图形通讯系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学等术语。

由他推出的二维SKETCHPAD系统，允许设计者操作光笔和键盘，在图形显示器上进行图形的选择、定位等交互作业，对符号和图形的存储采用分层的数据结构。

这项研究为交互式计算机图形学及CAD技术奠定了基础，也标志着CAD技术的诞生。

此后，出现了交互式图形显示器、鼠标器、磁盘等硬件设备及文件系统和高级语言等软件。

并陆续出现了许多商品化的CAD系统和设备。

例如1964年美国通用汽车公司研制了用于汽车设计的DAC-1系统，1965年美国洛克希德飞机公司开发了CADAM系统，贝尔电话公司也推出了GRAPHIC-1系统等。

此间CAD技术的应用以二维绘图为主。

再制造领域中，1962研制成功了世界上第一台机器人，实现物料搬运自动化，1965年产生了计算机数控机床CNC系统，1966年以后出现了采用通用计算机直接控制多台数控机床DNC系统以及英国莫林公司研制的由计算机集中控制的自动化制造系统。

20世纪60年代末，挪威开始了CAPP技术的研究，并于1969年正式推出第一个CAPP系统AutoPros。

（3）20世纪70年代计算机图形学理论及计算机绘图技术日趋成熟，并得到了广泛应用。

这期间，硬件的性能价格比不断提高；图形输入板、大容量的磁盘存储器等相应出现；数据库管理系统等软件得以应用；以小型、超小型计算机为主机的CAD/CAM系统进入市场并形成主流，这些系统的特点是硬件和软件配套齐全、价格便宜、使用方便，形成所谓的交钥匙系统（TurnkeySystem）。

同时，三维几何建模软件也相继发展起来，出现了一些面向中小型企业的CAD/CAM商品化系统，法国达索公司率先开发出以表面模型为特点的三维曲面建模系统CATIA。

20世纪70年代中期开始创立CAPP系统的研究与开发。

1976年由CAM-I公司开发了CAPP系统CAM-IAutomatedProcessPlanning。

在制造方面，美国辛辛那提公司研制出了一条柔性制造系统（FMS）,将CAD/CAM技术推向了新的阶段。

这一时期各种计算机辅助技术的功能模块已经基本形成，但数据结构尚不统一，集成性差，应用主要集中在二维绘图、三维线框建模及有限元分析方面。

（4）20世纪80年代，CAD/CAM技术及其应用系统得到迅速发展。

这期间，出现了微型计算机和32位字长工作站，同时，计算机硬件成本大幅下降，计算机外围设备已逐渐形成系列产品，网络技术也得到应用；CAD与CAM相结合，形成了CAD/CAM集成技术，导致了新理论、新算法的大量涌现。

在软件方面，不仅实现了工程和产品的设计计算和绘图，而且还实现了工程造型、自由曲面设计、机构分析与仿真等工程应用，特别是实体建模、特征建模、参数化设计等理论的发展和应用，推动CAD技术由表面模型到实体建模，再到参数化建模发展，并出现了许多成熟的CAD软件。

在此期间，为满足数据交换要求，相继推出了有关标准（如CGI、GKS、IGES及STEP等）。

20世纪80年代后期，人们认识到计算机集成制造（CIM）的重要性，开始强调信息集成，出现了CIMS，将CAD/CAM技术推向了更高的层次。

（5）20世纪90年代以来，CAD/CAM技术更加强调信息集成和资源共享出现了产品数据管理技术，CAD建模技术日益完善，出现了许多成熟的CAD/CAE/CAM集成化的商业软件，如采用变量化技术的I-DEAS，应用复合建模技术的UG等。

随着世界市场的多变与激烈竞争，随着各种先进设计理论和先进制造模式的发展，随着高档微机、操作系统和编程软件的发展，随着网络技术的迅速发展，CAD/CAM技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战，正在向集成化、网络化、智能化和标准化发展。

1.1.3CAD/CAM技术的发展趋势

（1）集成化

  随着计算机技术的快速发展，CAD/CAM系统已经从单一简单的功能发展模式转变成为复杂综合的功能集成系统。

80年代以来，计算机集成制造（CIM：

ComputerIntegratedManufacturing）技术已成为制造工业应用计算机技术的主要发展方向。

利用CIM技术建立的计算机集成制造系统（CIMS），将制造工厂的产品设计、加工制造和经营管理等项活动集成起来，其目的是在计算机辅助下，利用最小的制造和管理资源，最优地实现企业的发展目标，获得最大的总体效益。

（2）微型化

CAD/CAM正转向采用超级微型计算机。

32位超级微型计算机在单机功能上将达到小型机和中型机的水平，多CPU并行处理时的功能将达到大型机的水平。

以超级微机为基础的CAD/CAM系统不断增多，功能也在不断扩大。

（3）网络化

伴随着网络技术的飞速发展和广泛应用，微型计算机CAD/CAM系统发展的一条主要途径是网络化。

由于微型机价格低廉，功能较强，可将多台微机工作站连成分布式CAD/CAM系统。

目前，基于网络化的CAD/CAM技术，需要在能够提供基于网络完善的协同设计环境和提供网上多种CAD应用服务等方面提高水平。

（4）智能化

设汁制造中全盘自动化固然理想，但在今天还只能是一个追求的目标，近期难以实现。

人工智能技术是通向设计制造自动化的重要途径。

近年来，人工智能的应用主要集中在引入知识工程，发展专家系统。

专家系统的发展可扩大CAD/CAM的功能．有利于创造更高级的CAD/CAM系统。

专家系统具有逻辑推理和决策判断能力，它将许多事实和有关专业的经验、准则结合在一起，应用这些事实和启发规则，根据设计目标不断缩小搜索的范围，使问题得到解决，专家系统是当前研究相当活跃的一个课题。

（5）并行工程

并行工程（ConcurrentEngineering）是随着CAD/CIMS技术发展提出的一种新哲理，新的系统工程方法。

这种方法的思路，就是并行的集成的设计产品及其开发的过程。

他要求产品开发人员在产品设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括成本，质量，进度用户要求等，以便更大限度的提高产品开发效率及一次成功率。

并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法，把串行方法中信息流向的单向性变成双向的。

随着市场竞争的日益激烈，并行工程势必引起越来越多的重视，但其实施也绝非一朝一夕的事情，目前应为并行工程的实施创造条件和环境。

（6）标准化

随着CAD/CAM技术的发展和应用，工业标准化问题日益越来越显得重要。

目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的标准计算机图形接口（CGI）、面向图形应用软件的标准GKS和PHIGS、面向不同CAD/CAM系统的产品数据交换标准IGES和STEP，此外还有窗口标准以及最新颁布的《CAD文件管理》、《CAD电子文件应用光盘存储与档案管理要求》等标准。

这些标准规范了CAD/CAM技术的应用与发展。

CAD/CAM系统的集成一般建立在异构的工作台之上，为了支持异构跨平台的环境，要求CAD/CAM系统必须是开放的系统，必须采用标准化技术。

完善的标准化体系是我国CAD/CAM软件开发几技术应用与世界接轨的必由之路。

1.1.4CAD/CAM技术开发热点

（1）基于知识工程的CAD技术

知识工程（KnowledgeBasedEngineering简称KBE）的实质是知识捕捉和知识重用。

知识工程的最终表现形式是过程引导，在使用KBE时首先进行工程配置再定义工程规则，最后实现产品建模。

以最快的速度开发出高知识含量的优质的新产品，这正是知识工程要解决的问题。

知识工程的应用是制造业的CAD技术的一个质的飞跃。

（2）三维超变量化技术

超变量化几何技术是CAD建模技术发展的里程碑，他在变量化技术基础上充分利用了形状约束和尺寸约束分开处理以及全约束的灵活性，让设计者针对一个完整的三维产品数字模型，从建模到约束都可以直接以拖动方式实时的进行图形化的编辑操作。

因此，VGX技术被业界称为21世纪CAD领域具有革命性突破的新技术。

1.2CAD/CAM技术的应用

（1）我国的CAD/CAM技术

我国CAD/CAM技术的研发始于20世纪70年代，当时主要集中在少数高校及航空领域等极小范围。

80年代初，开始成套引进CAD/CAM系统，并在此基础上进行开发和应用；同时国家在CAD/CAM技术应用开发方面实施重点投资，支持对国民经济有影响的重点机械产品CAD进行开发和研制，取得了一些成果，为我国CAD/CAM技术的发展奠定了基础。

通过近30多年坚持不懈的努力，我国CAD/CAM技术在理论与算法研究、硬件设备生产、支撑软件的开发与商品化、专业应用软件的研制与应用，以及在人才培养与技术普及等方面均取得了丰硕的成果。

近年来，我国CAD/CAM技术发展迅速，应用日趋成熟，范围不断拓宽，水平不断提高，应用领域几乎渗透到所有制造工程领域，尤其机械、电子、建筑、造船、轻工业等行业在CAD/CAM技术开发应用上有了一定规模，取得了显著成效。

我国已自行开发了大量实用的CAD/CAM软件，国内计算机生产厂家已能够为CAD/CAM系统提供良好的计算机和工程工作站。

少数大型企业已经建立起较完善的CAD/CAM系统并取得较好的效益，中小企业也开始使用CAD/CAM技术并初见成效；一些企业已着手建立以实现制造过程信息集成为目标的企业级CIMS系统，以实现系统集成、信息共享。

尽管我国CAD/CAM技术的应用已取得了巨大成就，但与发达国家相比仍有巨大差距。

随着CAD/CAM技术应用的日益深入，我国制造企业在今后一段时间将面临的问题是：

如何将CAD技术由二维绘图向三维建模发展，进一步提高设计效率；怎样充分发挥CAE技术的作用，提升产品的竞争力；如何尽快将CAM/CAPP技术应用于数控编程及工艺设计上，提高数控设备的应用水平，提高工艺设计及工艺管理的计算机应用水平；如何在现有计算机辅助单元技术应用的基础上，提高CAD/CAM应用的集成化程度；如何在将来把CAD/CAM系统与产品数据管理系统有机地结合起来，形成企业级信息集成管理系统；面对先进设计理论和先进制造模式的发展，怎样抓紧时机迎接新的机遇与挑战等。

这些都需要在今后的工作中不断的探索和研究CAD/CAM领域先进技术、不断地吸收及应用CAD/CAM领域的最新成果。

综观先进制造技术的发展，可以看到，未来的制造是基于集成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“网络化”制造，未来的产品是基于信息和知识的产品。

CAD/CAM技术是当前科技领域的前沿课题，它的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，从而带动制造业技术的快速发展，已经产生并将继续产生巨大的社会效益。

（2）数控编程

数控编程是指根据被加工零件的图纸和技术要求、工艺要求，将零件加工的工艺顺序、工序内的工步安排、刀具相对于工件运动的轨迹与方向、工艺参数及辅助动作等，用数控系统所规定的规则、代码和格式编制成文件，并将程序单的信息制作成控制介质的整个过程。

用数控机床来加工零件，加工前必须按要求编写零件加工程序，加工过程中机床按零件加工程序自己完成加工任务。

数控机床编程是数控加工的基础。

数控编程就是用特定的符号和规定的语法规则书写的机床数控系统能够识别的计算机程序，该程序指挥机床的不同部分按一定的动作顺序、运动轨迹（包括速度、加速度）、主轴转速等进行工件的切削加工工件。

数控机床编程前要对所加工零件进行工艺分析并作必要的数值计算，然后按所使用的数控系统和机床厂家提供的编程手册要求编写零件加工程序。

编写好的复杂零件加工程序还要进行仿真、试切等调试工作，才能用于零件的加工。

由此可见，数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数控加工的整个过程是自动进行的，因而又有其独有特点。

数控编程是数控加工准备阶段的主要内容之一，通常包括分析零件图样、确定加工工艺过程、计算走刀轨迹、得出刀位数据、编写数控加工程序、制作控制介质、校对程序及首件试切。

有手工编程和自动编程两种方法。

总之，它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。

1.3UG软件介绍

1.3.1UGNX系统简介

（1）UG的发展历史

Unigraphics（简称UG）是集CAD\CAE\CAM于一体的三维参数化软件，包含计算机辅助工业设计、知识驱动自动化、数据交换和其他特殊应用等功能。

从20世纪70年代以来，UG的开发经历了基于图纸（1974年）、基于特征（1988年）、基于过程（1995年）和基于知识（2000年）的发展阶段，功能不断地得到扩展，在CAD\CAE\CAM\PLM等领域占有的市场份额不断扩大，具有独领风骚之势。

UGNX基于Windows平台，是当今世界上最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于航空、汽车、造船、通用机械、模具和家电等领域。

（2）UG系统的特点

UGNX软件具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析、提高了产品设计的可靠性。

同时，可用三维模型直接生成数控代码进行加工制造，其后处理程序支持多种类型的数控机床。

另外，它可应用多种语言进行二次开发。

该软件具有以下特点：

①集成的产品开发环境。

②产品设计相关性与并行协作。

③基于知识的工程管理。

④设计的客户化。

⑤采用复杂的复合建模技术，可将各种建模技术融为一体，支持多实体，支持参数化与非参数化。

⑥用基于特征的参数驱动建模和编辑方法作为实体造型基础。

⑦便捷的复杂曲面设计能力。

⑧强大的工程图功能，增强了绘制工程图的实用性。

⑨提供了丰富的二次开发工具。

（3）UGNX常用的应用模块

UGNX系统常用的应用模块有以下几种：

①基本环境（Gateway）：

提供了所有应用模块所共有的常规工具，是必须安装的模块，它为其他应用模块提供支持。

②建模模块（Moldeling）：

提供了设计产品几何结构的工具。

③制图模块（Drafting）：

提供了创建和维护设计模型图纸的工具。

④装配模块（Assembling）：

提供了构造部件装配的工具。

⑤NX钣金（NXSheetMetal）：

提供了设计直形制动器钣金部件的工具。

⑥加工模块（Manufacturing）：

提供了交互式编程和后处理铣、钻、车和线切割刀轨的工具。

（4）UGNX6.0的新增功能

本次设计我所使用的是UGNX6.0版本，NX6.0极大地提高了我们的生产力。

建立在新的同步建模技术基础之上的UGNX6.0的新功能在各个应用模块中都有体现，下面仅列举部分新功能。

①NX6.0整个系统的创新

a.创新性用户界面把高端功能与易用性和易学性结合在一起。

b.屏幕实际使用面积的最大化利用增加了对设计工作的关注。

c.实时着色。

②NX6.0工程过程管理

a.Teamcenter项目支持

b.4层客户机支持

c.支持重用方案

d.Geolus集成

为了提高进行特别形状搜索的功能，NX6.0以嵌入式访问为特征，能够搜索可能存在的任何Geolus数据库。

该搜索可以基于几何结构特征，比如形状和尺寸；或者用户也可以创建一些核心的基本几何结构，这些基本几何结构形成形状搜索功能的基础。

Geolus搜索结果可以包括NX零件、JT数据或者来自其他系统（比如，SolidWorks和CATIA）的数据。

③NX6.0工业设计和造型

a.在创建自由形状的时候进行立即反馈

b.利用小平面几何结构进行逆向工程的速度更快

c.为设计人员定制的用户界面

d.更快、更简单的几何机构分析

e.更快的可视化

④NX设计

a.由同步建模技术驱动的无约束设计

b.对几何结构编辑的立即反馈

c.提示性选择在需要的时候为设计添加智能

d.三维尺寸驱动的编辑

e.剪贴簿建模

d.同步化（无历史记录模式）

e.替换助手

⑤NX6.0的装配设计

a.在处理NX装配时的生产力提高

b.动态剖切改进了装配评审过程

⑥NX6.0图纸和创建工具

a.快速的图纸创建工具

b.