本文主要研究基於UG的三維CAD設計和CAM自動編程的過程。首先利用UG軟件的CAD模塊對要加工的零件進行實體建模，然後以零件的三維實體模型為依據，得到它的實體造型，並討論了零件三維實體建模的方法、建模過程與處理技巧。
在零件形狀結構分析的基礎上，制定它們的加工工藝，分析數控自動編程的方法與特點，利用UG的CAM模塊，完成粗加工、半精和精加工的NC編程，並對生成的操作進行切削仿真加工，檢查操作的正確性。最後對生成的操作進行後置處理，生成數控機床可以識別的NC代碼程序。
隨著電子技術在製造業的推廣及應用, 傳統機械加工方法正逐漸被先進的CAD /CAM (計算機輔助設計與製造) 所取代。應用傳統的加工方法, 不僅生產率低, 且精度得不到保證, CAD /CAM軟件在機械加工中的應用, 為我們開闢了一種新的設計、加工途徑, 並使機械製造能力上了一個新的臺階。
UG/NX作為參數化CAD/CAM軟件系統的代表，主要用於汽車、航空航天、機械電子、模具製造等行業，實現了產品零件或組件從概念設計到製造全過程設計的自動一體化，提供了以參數化為基礎，基於特徵實體造型，部件間的關聯設計等技術。其核心技術是採用非均勻有理B樣條（NURBS）作為曲面造型的基礎，融線框模型、曲面造型、實體造型為一體。參數化和特徵化的實體模型系統，系統是建立在統一的富有關聯的數據庫基礎上，提供了工程上的完全關聯性，使CAD/CAM/CAE各部分數據自由聯動切換。
以基本特徵作為交互操作的基礎，利用特徵技術，用戶可以在更高層次上進行產品設計、模具設計、數控加工編程、工程分析，實現並行工程CAD/CAPP/CAM的集成與聯動。系統採用統一的三維幾何模型，使產品設計、模具設計、數控編程、工程分析等環節的修改自動映射到與其關聯的環節，排除不協調，保證產品設計的統一性和唯一性。基於關聯模型的產品定義包含產品的生命週期（設計、分析、製造、檢測等）信息，產品數據定義規範化使產品生命週期的設計數據表達實現標準化，不僅有利於與CAD/CAM系統之間交換信息，而且支持產品及模具工裝設計、工程分析、數控編程、生產管理等信息的共享。在UG/OPEN提供的二次開發函數據的基礎上，用戶可用C或C++語言進行二次功能開發，UG/NX提供的基於專家的模具設計、先進的數控加工編程功能使得模具設計與製造變得更為輕鬆可靠。
我們運用UG軟件的建模和加工模塊, 完成了零件模型建立——加工過程的設計——加工過程的仿真——加工參數修正——數控機床後置處理轉換——生成數控程序——數控加工, 從而滿足各項要求。採用這種方法不僅減少了編程人員的計算量, 還在一定程度上提高了產品的製造質量和生產效率。
第1章 概述
CAD/CAM技術是60年代興起的一門新技術，它發展十分迅速，到80年代初，在工業發達的國家已經形成一個新的產業。CAD/CAM是實現產品設計和製造自動化的關鍵技術，在產品開發中，引入該技術進行產品概念設計、工程與結構分析，詳細設計及數控編程，能大大提高產品質量，創造顯著的效益。
CAD/CAM技術的不斷髮展和廣泛應用，不僅在於它具有提高產品的設計質量，縮短產品的試製和生產週期等極具吸引力的優點，更重要的是，在計算機網絡與數據庫的支持下，它與製造自動化系統、質量保證系統以及管理信息有機組成計算機集成製造系統(CIMS )，將對社會勞動生產方式有根本性的影響，對傳統產業的改造，對新興技術和產業的興起與發展，對增強國際競爭能力等方面都有巨大的推動作用。CAD/CAM技術的發展，促進我們對先進製造技術和生產模式的探索，我們己經從傳統的生產模式轉向數控加工，柔性製造乃至計算機集成製造(CIM)的生產模式上。
CAD/CAM 技術是計算機集成製造系統(CIMS )的基礎技術，它的發展和應用水平己成為衡量一個國家科學技術和工業現代化的重要標誌之一。
1.1 CAD/CAM技術發展簡史
1963年，美國麻省理工學院的I.E.Suther land在他的博士論文中提出了SKETCHPAD系統，該系統的理論和技術奠定了CAD/CAM技術的基礎。
隨著交互式圖形生成技術的發展，CAD/CAM技術也得到了長足的進步。60年代中後期，美國的一些大公司十分重視CAD/CAM技術，投入相當大的資金對CAD/CAM技術進行研究和開發，研製出一些CAD系統，如IBM的SMS, SLT/MST設計自動化系統，洛克希德的CAD/CAM，通用汽車的CAD-CDC公司開發了作為商品銷售的Digigraphic CAD系統。此時的CAD系統基於大型計算機平臺，規模龐大、價格昂貴，只有經濟實力雄厚和技術力量強大的大型企業和科研單位才能研究和應用這一技術.
進入70年代後期，計算機硬件的性價比不斷提高，圖形輸入板、大容量磁盤存儲器和廉價的存儲器的相繼出現，以及數據庫管理系統軟件的開發，促使小型機和超級小型機為主的CAD/CAM系統進入市場併成為主流。出現了專門經營CAD/CAM 軟硬件的公司，如CV (ComputerVision), Intergraph, Calma, Applicon等。與大型計算機CAD/CAM系統相比，其價格相對便宜，使用和維護也相對簡單。因此CAD/CAM技術有了進一步的發展，應用範圍相繼擴大，主要集中在航空、電子和機械工業。同時對三維造型技術開始進行研究。
70年代末，32位工作站和微機的出現對CAD/CAM技術的發展起了極大的推動作用。工作站具有較高的響應速度，特別運用於CAD/CAM系統。而且，網絡技術的支持使得資源可以共享，各臺計算機能夠發揮各自的特點.因此，可以根據需要和經濟條件以及CAD/CAM技術的發展逐步投資，逐步發展和擴大CAD/CAM系統的功能和規模。
80年代中後期，工作站平臺的CAD/CAM發展很快，到目前己經成為CAD/CAM 系統應用的主流。這種系統的製造商只提高硬件和系統軟件，而具體的CAD/CAM應用軟件由專門的公司研製和銷售，現在活躍在市場上的公司有SDRC. PTC. UGS等，其產品種類多，各具特色。
隨著微機的性能價格比的不斷提高以及網絡技術的迅猛發展，許多公司己將CAD/CAM系統移植到微機平臺，可以預見，隨著CAD/CAM領域的不斷擴大，高性能、低價格、易維護的微機平臺CAD/CAM 系統將成為主流。
1.2 CAD/CAM技術概要
計算機輔助設計和製造，簡稱CAD/CAM，指的是以計算機作為主要技術手段，處理各種數字信息與圖形信息，輔助完成產品設計和製造中的各項活動。計算機輔助設計是人和計算機相結合，各盡所長的新型設計方法。設計過程包含分析和綜合兩個方面的內容.人可以進行創造性的思維活動，將設計方法經過綜合、分析，轉換成計算機可以處理的數學模型和解析這些模型的程序。在程序運行過程中，人可以評價設計結果，控制設計過程;計算機則可以發揮其分析計算和存儲信息的能力，完成信息管理、繪圖、模擬、優化和其他數值分析任務。人和計算機相結合，在設計過程中兩者發揮各自的優勢，有利於獲得最優設計結果，縮短設計週期。
計算機輔助製造是利用計算機對製造過程進行設計、管理和控制.一般說來，計算機輔助製造包括工藝設計、數控編程和機器人編程內容。
計算機輔助設計和製造關係十分密切。開始，計算機輔助幾何設計和數控加工自動編程是兩個獨立發展的分支。但是隨著它們的推廣應用，二者之間的相互依存關係變得越來越明顯了。設計系統只有配合數控加工，才能充分顯示其巨大的優越性。另一方面，數控技術只有依靠設計系統產生的模型才能發揮其效率.所以，在實際應用中二者很自然地緊密結合起來，形成了計算機輔助設計與製造集成系統。在CAD/CAM 系統中，設計和製造的各個階段可利用公共數據庫中的數據。公共數據庫將設計與製造過程緊密聯繫為一個整體。數控自動編程系統利用設計的結果和產生的模型，形成數控加工機床所需的信息。CAD/CAM可大大縮短產品的製造週期，顯著提高產品質量，從而產生巨大的經濟效益。
CAD/CAM系統可以從不同的角度加以分類。
按系統的功能範圍，CAD/CAM 系統可分為通用系統和專用系統兩類。通用的CAD/CAM系統功能全面，適應範圍較廣，例如，CATIA, IDEAS，Pro/E, EUCLID, UG等系統均屬此類。這類CAD/CAM系統通常包括線框、實體和曲面造型模塊、繪圖模塊、裝配與零件設計模塊、有限元分析模塊、數據交換與傳輸模塊和NC加工模塊.專用的CAD/CAM系統指的是那些為特定的應用而開發的系統。這類系統通常只能適用於一定的專業，或用於解決某一類問題.例如，沖模CAD/CAM 系統和注塑模CAD/CAM系統皆屬此類。
按運行方式，CAD/CAM系統可分為交互式系統和自動化系統。雖然人們正在研究以人工智能方式為基礎的CAD/CAM系統，但在目前的技術發展水平方面計算機尚難以自動完成設計和製造中的全部工作。因此，絕大多數CAD/CAM系統屬於交互式系統。這種系統以交互方式進行，由於計算機檢索數據，分析計算，並將運算結果的圖形或數據的形式顯示在屏幕上，利用鍵盤和圖形板等交互設備輸入參數，選擇方案、修改設制、控制運行的進程。
另外，CAD/CAM系統從硬件角度可分為主機系統、工作站系統和微機系統;按軟件的開放性可分為交鑰匙系統(Tum-key System)和可編程系統(Programmalbe system).
1.3 本課題零件介紹
鍛模材料為5CrNiMo，如圖1.1是鍛模零件圖。
第2章 鍛模零件工藝分析
2.1鍛模零件結構形狀分析
這是一磨擦楔塊鍛模零件，零件中間凹，兩邊有凸臺，而且是一個2°的斜臺，四周有一圈深6mm的飛邊（跑料）槽，中間凹下去的部分是零件最核心的型腔部分，Z-56最深處的形狀是個矩形，它的四周是四個不同角度的斜面，這是整個鍛模零件最核心的部分。為了避免應力集中，整個鍛模曲面的交接處和四周角落都倒有3mm的過渡圓角。
2.2鍛模零件工藝分析
這是一磨擦楔塊鍛模零件，材料為5CrNiMo，該材料具有優異的韌性和良好的冷熱疲勞性能，毛坯外形為已加工成形。為提高加工效率，先採用較大的θ32R6的圓鼻刀（硬質合金可轉位刀具）對鍛模零件進行粗加工（型腔銑），生成IPW“過程毛坯”（In Process Workpiece）,然後換φ10mm的立銑刀進行殘料加工。粗加工之後，採用固定軸曲面輪廓銑中區域銑削驅動方式，用φ8mm的球頭刀對跑料槽和型腔進行半精加工，用同樣的驅動方式對鍛模左右兩凸檯面進行半精加工，然後複製上述兩個半精加工刀具軌跡，通過修改切削參數的方式，把半精加工的刀具軌跡修改成精加工刀具軌跡。最後用θ20mm的立銑刀對鍛模的分型平面進行精加工。工藝方案見表2.1
表2.1 工藝方案
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第3章 鍛模零件CAD建模
3.1鍛模零件實體建模方案
圖樣中確定零件形狀的關鍵截面有四個：主視圖的左端面、右端面和中間的B-B、C-C截面。圖樣中提供的最關鍵的尺寸是C-C截面尺寸和2°傾斜角，根據這些數據我們可以推算出其餘三個截面，最終根據這四個截面來造型。具體建模方案是：
（1） 做出四個截面。
（2） 根據左右二端的截面線做拉伸，得到整個造型的主體。
（3） 根據中間二個截面做拉伸切除，做出型腔中8.7mm部分。
（4） 根據Z-56深處的長方形和四周的斜度做出延伸到上面的截面並做拉伸切除，得到Z-56型腔。
（5） 做出6mm深槽的凸形，與已經做好的模型進行布爾運算。
（6） 倒出各圓角。
3.2鍛模零件CAD建模過程
(1)生成底部截面線
進入建模界面後，選擇【曲線】中【矩形】命令，在【點構造器】中，輸入第一頂點座標XC為【160】，YC為【130】，第二頂點座標XC為【-160】，YC為【-130】。點擊確定，完成底部的矩形截面線。
圖3.1 生成底部截面線
為便於畫出鍛模關鍵的四個重要截面（左、右端面，B-B、C-C端面），我們需要切換旋轉工作座標系。先用【原點】命令移動座標系原點，移動值YC【-65】，ZC【110】。再用【旋轉】命令，選中【XC軸：YC--﹥ZC】，旋轉【角度】輸入【90】，點擊確定，座標系變換如圖3.1所示。
(2)畫出C-C截面內的圖形
先進入繪製草圖環境，先畫出大概輪廓，再添加草圖約束和標註尺寸如圖3.2所示。
圖3.2 C-C截面草圖
圖3.3 截面輪廓選取
圖3.4 變換對話框
(3)畫出其他三個面的輔助面
先選擇【隱藏】命令，在【分類選擇】中點擊（類型），在【類型選擇】中點選【基準】，點擊確定，回到上層菜單，再點擊（選擇所有的），最後點擊確定，把草圖中基準全部隱藏起來。
作左端面的截面輔助線：選擇【變換】命令，點擊（類型），在【類型選擇】中選擇【曲線】，點擊確定後選擇如圖3.3所示草圖中所作的幾條線段，點擊確定出現【變換】對話框，如圖3.4所示。在其中選擇（平移），再點擊（增量），在ZC中輸入【65】後用（複製）方式完成左端面輔助線。
用同樣的方法把C-C截面的圖形平移到B-B截面和右端面，分別在ZC中輸入【-197】和【-63】後用（複製）方式完成變換操作，如圖3.5所示。
圖3.5 平移複製效果圖
圖3.6 作2°的直線
(4)作出2°的直線
先在【工作座標系】的【旋轉】命令中選擇【XC軸：YC--﹥ZC】。旋轉【角度】為【2】。然後在【曲線】中【基本曲線】命令中選擇畫（直線）方式，在【點構造器】中第一點ZC輸入【70】，第二點ZC輸入【-210】。如圖3.6所示。
(5)作出左端面線
用【基本曲線】命令中（直線）方式捕捉上方圓弧象限點和下方直線中點畫直線。然後用【變換】命令中（平移）方式，捕捉剛作的直線上方頂點和交點，複製出左端面等距圓弧線如圖3.7所示。
再用【基本曲線】命令中直線方式，畫等距圓弧與兩端點的切線，刪除上方一圓弧和兩直線。
最後用【基本曲線】命令中（直線）方式畫出左端面線，先以一端上方端點為起點，過程中點選【平行於】欄中XC，再捕捉左下角端點，自動生成平行線端點，再把兩點相連，用同樣方法作出另一端的線段，最終如圖3.8所示。
圖3.7 左端面等距圓弧線
圖3.8 作左端面線
(6)作出右端面線
作右端面線可參照第5步中的方法，將右端面的等距線完成。其中平移圓弧線可參照第5步中的方法，連接端面線可參照第5步中的方法，最終如圖3.9所示。
圖3.9 作出右端面線
圖3.10 B-B剖視截面圖
(7)作出B-B剖視截面圖
作B-B剖視截面線可參照第5步中的方法將B-B剖視截面的等距線完成。其中平移圓弧線可參照第5步中的方法，連接端面線可參照第5步中的方法，最後結果如圖3.9所示。
(8)作B-B剖視中8.7等距部分的截面圖
(9) 作C-C剖視中8.7等距部分的截面圖
步驟與上面第8步的繪製相同，其中需要用點選曲線來選擇要偏置的三條線，作出後如圖3.11所示。
(10)拉伸得出整個主體
圖3.11作C-C剖視中8.7等距部分的截面圖
在【層設置】的【工作】欄中輸入【2】，使2層為工作層。用【自由形式特徵】中【通過曲線】命令，選擇左端面的截面線為第一曲線，右端面的截面線為第二曲面。選擇過程中起點和箭頭方向要一致，如圖3.12所示。其餘參數按默認設置，最後可得出整個主體，如圖3.13所示。
圖3.12 選取左右端面線
圖3.13 拉伸出主效果圖
(11)拉伸出8.7部分的型腔
選擇【工作座標系】的【原點】命令，在【點構造器】的YC中輸入【50】。
用【曲線】中【基本曲線】命令的（直線）方式，在【點構造器】中輸入第一點的XC為【80】，第二點的XC為【-80】，如圖3.14所示。
用同樣的方法將B-B截面中的上方直線延伸，此時結果如圖3.16所示。
圖3.14 生成頂部直線
圖3.15 平移複製頂部直線
圖3.16 分割曲線
圖3.17 選擇曲線
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4.3.10後處理NC程序輸出
確認加工刀具軌跡正確後，再次選中【操作導航器-程序次序】下拉菜單中加工程序圖標，然後點擊【加工操作】中
（UG/後處理操作），彈出圖4.20所示後處理對話框，在【可用機床】中選【MILL_3_AXIS】機床，確認輸出路徑後點擊確定，生成NC程序。其中如圖4.42和4.43分別是粗加工和跑料槽及型腔半精加工NC數控程序
圖4.40 選擇加工面
圖4.41 分型平面的精加工刀具軌跡
圖4.42 粗加工NC程序
圖4.43 跑料槽及型腔半精加工NC程序
結 論
論文對一鍛模零件進行了分析和研究，通過對實例建模和加工的全過程研究，讓自己對於UG的CAD和CAM功能都有了進一步的認識，同時也深刻體會到UG的CAD/CAM功能在對零件設計和加工中的高效率、高便捷。
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