基于UG 平台下计算机辅助技术在机械设计制造中的应用

李欣(1.滨州渤海活塞股份有限公司，山东 滨州 256602；2.山东省发动机活塞摩擦副重点实验室，山东 滨州 256602)

0 引言

计算机辅助技术是把计算机作为工具，辅助工程设计人员在各领域完成相应工作的理论、方法、技术及项目设计推进。它包含的领域非常广泛，其中包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造及测量(CAM&M)、计算机辅助教学(CAI)、计算机辅助质量控制(CAQ)等，对于工程设计人员一般会用到计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造及测量(CAM&M)。

1 概述

设计及加工机械机构、零部件等统称为机械设计及制造。在机械设计及制造领域中，利用计算机软件通过大数据快速、准确计算的特点，解决机械设计及制造过程中设计者、操作者难以完成或容易出错的工作。

随着计算机技术在各领域的广泛应用，计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其他高科技应用领域的机械设计、模具加工自动化的市场上已经得到了广泛的应用。特别是近年来计算机技术的不断创新，各种计算机辅助技术日益完善，计算机辅助设计(CAD)通过软件的布尔运算、偏置曲线、设计特征等功能，可以将复杂的实体模型简单化、具体化，降低了工程设计人员劳动强度，提高了设计的准确性。计算机辅助制造(CAM)通过软件可以仿照机械加工中真实状态，设置零件的加工工艺、刀具设计等加工步骤，通过仿真加工可以发现加工过程中发生的各种问题，提前做到防患于未然，不但能够提高整个加工过程中的质量，而且还可以大大提高效率，对机械设计及制造各项工作的进展有着非常重大的意义。

2 计算机辅助设计(CAD)在机械设计及制造中的应用

2.1 活塞实体模型的创建

在三维造型中，草图的主要作用有：(1)通过扫掠、拉伸或旋转草图到实体或片体以创建部件特征；(2)创建有成百上千个草图曲线的大型 2D 概念布局；(3)创建构造几何体，如运动路径或间隙圆弧，而不仅是定义某个部件特征。

参数化设计是指在草图中通过约束表示三维模型的特征，以实现三维模型的一组参数来定义集合图形的尺寸数值，并约束尺寸相互之间的关系，从而能通过变换设计参数来实现产品模型的更改和相似产品的创建。

在设计活塞实体模型前，根据产品的尺寸要求，对产品的运行环境、运行时间、负荷等要求条件进行追踪记录，并对记录结果进行分析，根据分析结果研究、确定产品的结构、材料。调用UG 软件的草图，在草图中，利用参数建模技术、特征创建二维几何图形，利用软件的相关指令建立活塞实体模型。

所谓模型理想化建模是利用UG 制图软件实现直观化、立体化、形象化建立实体模型的一种技术方法。下面将以软件UG10.0 版为例按照绘制活塞外圆、环槽、挡圈槽、销孔，活塞燃烧室、活塞气门坑的顺序，说明活塞实体模型建立过程。

图1 活塞外圆、挡圈槽、环槽、销孔

在“草图”模式下，选取YZ 平面，在YZ 平面中，以YC 坐标轴为中心线，调用“直接草图”中的“直线”、“圆弧”，在YC-ZC 象限中，标注尺寸，设定“约束”，绘制出活塞挡圈槽、销孔形状、燃烧室形状，退出“草图”模式，选取“YC”轴作为指定矢量，旋转选取的活塞外圆及环槽曲线360°，生成活塞挡圈槽、销孔，燃烧室。

(2)选取活塞顶面作为基准平面，在“草图”模式下，选取XZ平面，在XZ平面中，以YC坐标轴为中心线，调用“直接草图”中的“直线”、“圆弧”，在YC-ZC 象限中，标注尺寸，设定“约束”，绘制出活塞气门坑形状。退出“草图”模式，选择“拉伸”指令，生成气门坑实体，选择布尔运算指令“减去”，与活塞顶面进行布尔运算，生成活塞燃烧室、气门坑形状，如图2 所示。

图2 活塞燃烧室、气门坑

2.2 基于UG软件下CAM功能在数控加工中的应用

根据活塞实体模型，分析活塞加工形状及参数，设置虚拟加工环境。根据活塞的加工要求和实际加工环境，设置工件坐标系、刀具、加工工序、加工件等。本文以加工活塞环槽、气门坑、销孔为例阐述在UG 软件中，CAM 在数控加工的应用。

2.2.1 选定加工模式，设定工件坐标系

以活塞顶面作为坐标系原点，XM 轴为横向座标轴，YM轴为竖向座标轴，ZM 轴为纵向座标轴。活塞的加工工艺为：

(1)用宽度为1.5mm 和2.5mm 的槽刀精车活塞的环槽。

(2)用Φ5 燃烧室刀车活塞燃烧室。

(3)用Φ15 铣刀铣活塞气门坑。

(4)用刀尖R0.3-R0.5 镗销孔刀镗活塞销孔。

2.2.2 编制铣气门、精车环槽、精镗销孔加工程序

(1)建立刀具父节点组，建立几何父节点组，即建立加工坐标系MCS 和WORKPLECE。

(2)铣活塞气门坑

①打开活塞实体模型进入加工模式。设置几何视图：选择活塞模型，将加工坐标原点设置在活塞顶面，便于车活塞环槽时，不需要再次设置坐标系。

②建立加工操作步骤：设置加工方法视图。创建工序，选择面铣工序，刀具选择铣刀。

③设置加工方法：选择加工几何体(活塞实体)，指定加工面，选择铣刀，设定加工方法，切削参数、进给率和速度。

⑥铣气门程序：

M73；

M21；

G00 B0.0 C0.0；

G90 G46；

T4M6；

M03 S3000；

G00 X-30.239Y71.829；

G00 Z50.0；

G01 Z-0.88F700；

G41G01X-41.543Y47.796；

G01 X-36.463 Y41.917；

G02 X-34.76 Y37.34 R7.0；

G02 X-34.825 Y36.387 R7.0；

G03 X-35.02 Y33.54 R20.9；

G03 X-34.031 Y27.188 R20.9；

G02 X-33.842 Y25.972 R4.0；

G02 X-33.845 Y25.821 R4.0；

G01 X-34.311Y13.517；

G40 G01X0.0 Y0.0 F2000；

%。

(3)精车活塞环槽

①打开活塞实体模型进入加工模式。设置几何视图：选择活塞模型，将加工坐标原点设置在活塞顶面，借用铣活塞气门中心坐标。

②建立加工操作步骤：为精车活塞环槽加工。

③设置加工方法：选择加工几何体(活塞实体)，指定加工面，选外径开槽刀，设定加工方法，切削参数、进给率和切削速度。

⑥精车环槽程序：

M12；

M03 S650 G99；

M08；

T0101；

G00 Z0.5；

G00 X119.0；

G01 X114.4 F0.4；

G01 Z-12.0 F0.3；

G00 X115.07；

G01 Z-38.0 F0.4；

G00 X200.0；

M09；

M30；

%。

(4)精镗活塞销孔

①打开活塞实体模型进入加工模式。设置几何视图：选择活塞模型，将加工坐标原点设置在活塞中心。

②建立加工操作步骤：为精镗销孔加工。

③设置加工方法：选择镗刀，根据销孔直径设置刀具加工路径、切削参数、进给率和切削速度。

⑥编制精镗销孔程序

G90 G94 G64；

DIAMOF；

M03 S3000；

M15；

M12；

G01 X0.0 Z-124.0 F3000；

G01 Z-163.8 F800；

G01 Z-191.0 F3000；

G01 Z-163.8 F800；

G01 X3.25F200;

G64 G01 Z-123.0 F200;

G00 X0.0 Z-20.0;

M13;

M30。

3 结语

综上所述，计算机辅助设计技术(CAD)和计算机辅助制造技术(CAM)在机械设计及制造中的具体应用与机械制图、准确使用图形符号于三维建模中，能够有效提高机械产品生产质量，缩短制造周期，促进机械行业良性发展。在未来，随着计算机技术的持续发展，CAD 和CAM 技术在机械行业中发挥的作用将进一步提升，进而有力推动我国机械行业的发展。