基于MASTERCAM软件进行鼠标的三维曲面建模与仿真

南京工程学院毕业设计说明书（论文）

第一章 绪 论

1.1 引言

随着CAD、CAM、CAE 等技术不断发展和日趋完善,它们在各个领域得到了极其广泛的应用。其中MASTERCAM软件是这一技术发展得比较成功的软件之一,它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。目前已广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械等领域，同时也被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数控加工等领域。其CAM模块尤其出色,在同类软件中处于绝对领先地位,它提供了一种交互式编程工具,可计算生成精确可靠的刀具加工轨迹,是一个功能强大的计算机辅助制造模块。

1.2 选题背景及意义

现代制造业所面对的经常是具有复杂型腔的高精度模具制造及复杂型面产品的外型加工,其共同特点是以复杂三维型面为结构主体,整体结构紧凑,制造精度要求高,加工成型难度极大。通过近几年对MASTERCAM软件的应用摸索,针对上述制造过程中普遍存在的技术难点,将传统工艺方案中适用现代数控加工的精华部分溶入MASTERCAM的应用过程,总结出一套适用于各类复杂型面的数控加工编程方法。

鉴于传统模具加工的缺点，采用MASTERCAM这样一套当今世界上最先进和紧密集成、面向制造业的高端软件，通过对目前电子市场上最常见的，具有典型曲面结构的鼠标模具进行造型和加工，实现模具的快速制造及对市场的快速响应，以此克服过去模具设计周期长，制造周期长的弊端。

本课题主要是是鼠标的设计与数控加工，其研究意义如下：

（1）课余参加过MASTERCAM软件的培训，但是只是掌握了该软件的最基本的功能，通过这次的课题，可以使我更加多的掌握该软件的功能。这次的鼠标造型主要是以曲面造型为主，而MASTERCAM软件在自由曲面建模上有很强的功能，做起模型来较方便。

（2）MASTERCAM的高端技术可使鼠标模型在CAM中生成精确的加工路径，可以很清晰的观察到模拟加工的全过程。

（3）MASTERCAM的加工后置处理模块可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，而且该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2～5轴或更多轴的铣削加工、2～

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4轴的车削加工和电火花线切割 。

（4）通过MASTERCAM软件完成鼠标的设计，一方面可以培养学生的设计能力，掌握正确的思维方法和设计的基本技能，另一方面可以提高学生的独立思考、综合分析的能力，在设计过程中促使学生学习更多的新知识，掌握自我学习的能力。

（5）通过在数控机床上实现鼠标的数控加工，可以在巩固学生学过的基础理论和专业知识的同时，使理论与实践相结合，掌握数控机床的操作方法以巩固和发展所学理论知识。

（6）整个毕业设计以后，基本上培养了学生掌握正确的思维方法和利用计算机软件解决问题的基本技能，同时也培养了同学们在学习过程中的团结协作的作风，为以后的工作打下了良好的基础。

1.3 研究内容

本课题是在MASTERCAM软件及数控机床的基础上，完成鼠标的模型绘制、虚拟加工以及实际加工三部分的研究内容。详述如下：

1.运用MASTERCAM的CAD模型的表达：

CAD模块包括了线框模型、曲面模型和实体模型。。 （1）线框模型：

线框模型是以物体的形状的轮廓、棱边或交线作为形状数据来描述物体的。圆柱圆锥等情况，除棱线以外没有多余的轮廓线的多面体形状，用线框模型就难以表达，即不清楚用怎样的棱线来形成侧面的，所以需要加入辅助线。线框模型在计算机内部数据存放结构简单，计算机处理速度快，但形状所带的信息不完整，所以无法得到剖面图，消除隐蔽线和两个形体间的交线，不能计算出物体的体积，重量，表面积，中心等。

（2）曲面模型：

曲面模型是在三维物体线框模型的基础上加进面的信息，即把三围线框模型的物体表面定义成面。最简单的面是由多边形和圆形成的平面，其他有旋转面，球面，锥面以及负载的自由曲面。自由曲面是绘制复杂曲面的主要手段，在MASTERCAM中有：用边界表达的昆式曲面，用截面轮廓表达的举升曲面和直纹曲面、扫描曲面、牵引曲面及倒圆角面。不论哪种面都带有方向的信息，这些信息可以生成阴影线、截面轮廓线、相贯线等。曲面模型虽然边界得到了定义，但是每个面都是单独存储，并没有记录面与面之间的相邻拓扑关系，并没有表示实体在面的哪一侧的信息，即不明确边界包围的是实心体还是空洞。 （3）实体模型：

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实体模型是在曲面模型的基础上，定义了曲面之间的相互位置关系，实体就在面的哪一侧的信息。定义实体侧的方法主要有三种：一点指定法，线矢量指定法，包围面的线指定法。

① 实体造型的方法：CSG法和B-rep法。

CSG法-结构实体造型表达法：使用立方体、圆柱体、圆锥体、四分之一圆柱体、倒圆角体等单一的基本实体进行和、差、残留共同部分的运算来表达复杂的形状。

B-rep法-实体边界表达法：用模型的面与面之间的边界来表达的意思，即空间实体可以定义有限面包围而成，每个面都是由有限条边界围成的封闭区域。

B-rep法比CSG法表达麻烦一些，但边界表达能看清楚表达出形体的面、边、点及其相互关系，目前大多数几何造型系统都一种造型方法为主兼用另一种。

② 特征建模：实体模型在集合造型上已经很完善了，它不仅仅是集合形状的描述，还能提供产品开发整个周期所需要的信息。集合模型还带上工艺设计中所需其他信息：如加工特征、材料、公差及表面粗糙度等，称为零件特征。特征造型将促进CAD/CAM一体化进程，实现工艺自动化。再零件设计时采用前述的具有某些功能和加工信息的形状特征进行组合、拼装，这样构建的模型称为特征模型。

此次课题的任务是鼠标的设计，所以实体建模的功能用的比较多。。 2. MASTERCAM的铣削加工

创建后的实体模型可以在CAM中生成精确的刀具路径。用户可以在图形界面中编辑刀具路径，观察刀具的运动过程，并进行加工模拟。生成的刀具路径，可以通过后置处理产生用于特定数控机床的加工代码。

目前, MASTERCAM是全球应用最普遍、最富竞争力的一流计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程的一体化软件系统之一，是目前市场上功能最极致的产品设计工具。MASTERCAM软件的CAM模块向用户提供了当今世界上最好的CAM技术。利用它可针对任何加工任务生成优化而可用的加工路径，加工路径通过后置处理生成数控程序，将程序用于特定机床即可用来加工各类零件。MASTERCAM所支持的加工方法有平面铣、点位加工、线切割和薄片加工等。此外，其强大的后处理工具可实现与任何机床的接合，是一个高效的制造解决方案。利用它这一技术已成功应用于模具及零件的制造过程,为企业带来了极高的加工质量和可观的经济效益。

MASTERCAM铣削加工的基本过程：

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（1）绘制产品设计图：利用MASTERCAM9软件的二维或者三维绘图功能，绘制产品设计图。

（2）绘制曲面模型：依据产品设计图，利用MASTERCAM9软件的三维实体或曲面功能绘制产品曲面模型。

（3）由曲面模型生成凹凸模：依据产品曲面模型，结合材料特性（如收缩率），利用MASTERCAM9软件三维实体或曲面编辑功能产生凹凸模。

（4）规划凹凸模刀具路径：依据产品凹凸模，集合材料模具特性、世纪生产条件等因素规划凹凸模道具路径。

（5）加工方式的选择：①加工道具的选择。 ②定义刀具。 ③设定加工刀具参数 ④设定加工参数

⑤设定工件参数

⑥生成道具路径

（6）实体加工模拟：依据生成凹凸模加工刀具路径，利用MASTERCAM9软件的实体加工模拟功能进行实体加工模拟，及时发现存在的问题并尽心改进。

（7）执行后处理生成NC程序：在检验实体切削模拟结果无误后，选择对应的后处理器将刀具路径转换成数控机床所能接受的NC代码，再利用DNC方式传送到CNC数控铣床或加工中心进行加工。

3.鼠标的数控加工

鼠标的实体MASTERCAM程序生成后，就可以在数控机床上进行数控加工了。加工时要注意零件的装夹、工件坐标系的建立、对刀方法等数控机床的操作方法。

1.4 MASTERCAM技术国内外发展状况

MASTERCAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的MASTERCAM软件。现在，工作站和微机平台MASTERCAM软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。下面我们将分别介绍国内外一些流行的软件。 （1）Unigraphics(UG)

在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数MASTERCAM软件厂商所采用。现在已经发展成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和Windows NT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM集成系统。

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