模型飞机设计及其数控加工

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CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

毕业设计（论文）

题目： 模型飞机设计及其数控加工

学生姓名：

学 号：

班 级:

专 业：

指导教师：

2012 年 3月

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题目

模型飞机设计及其数控加工

学生姓名：

学号：

班级：

所在院(系):

指导教师：

完成日期:

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模型飞机设计及其数控加工

摘要

飞机外形设计是飞机设计过程中不可缺少部分，在提高飞机速度方面起着不可替代的作用，随着空气动力学的发展和各种高端技术的介入，飞机的外形逐渐向流线型和多层机翼等方向演变，大大降低了空气阻力、加大了推力及升力，并提高了飞机的灵活度，数控技术在飞机加工制造方面的应用和发展，使得飞机制造走向高精度化、高效率化和自动化。本课题通过Pro/E的三维建模和曲面造型等方法设计飞机外形，使得飞机外形设计面向可视化，然后通过Pro/E的NC模块，自动生成NC序列后转化成数控加工G代码，再经过后续处理便可模拟机床加工，实现在虚拟的环境中进行飞机外形的设计和加工。

关键词：飞机外形；三维建模；曲面造型；数控加工；NC序列

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目录

1. 绪论 (1)

1.1设计、研究的背景及目的 (1)

1.1.1设计及研究的背景 (1)

1.1.2设计及研究的目的 (1)

1.2 国内外研究状况和发展趋势 (2)

1.2.1 飞机外形设计发展趋势 (2)

1.2.2 国内外数控技术发展趋势 (3)

1.3 设计、研究采用的方法 (4)

1.4 设计的重点与难点 (4)

1.4.1 设计的重点 (5)

1.4.2 设计的难点 (5)

2. Pro/E与模型飞机外形设计 (6)

2.1 Pro/E软件概述与特点 (6)

2.1.1 Pro/E软件的概述 (6)

2.1.2 Pre/E软件的特点 (6)

2.2 模型飞机整体设计思路 (7)

2.3 模型飞机机身设计 (9)

2.3.1 新建零件文件 (9)

2.3.2 建立草绘 (9)

2.3.3 创建曲面组 (10)

2.3.4 镜像操作 (13)

2.3.5 合并与实体化操作 (13)

2.3.6 创建旋转特征 (14)

2.3.7 创建拉伸特征 (15)

2.3.8 创建机尾的边界混合特征 (18)

2.3.9 驾驶舱及其它部位设计 (19)

2.4 模型飞机机翼设计 (21)

2.4.1 新建零件文件 (21)

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2.4.2 草绘 (21)

2.4.3 创建拉伸特征1 (21)

2.4.4 创建边界混合特征 (22)

2.4.5 创建拉伸特征2 (24)

2.4.6 鸭翼与尾翼的创建 (24)

2.5 模型飞机各组件的组装 (25)

3. 模型飞机数控编程及模拟加工 (27)

3.1 数控加工的原理及特点 (27)

3.1.1数控加工的原理 (27)

3.1.2 数控加工的特点 (27)

3.2基于Pro/E的NC加工操作流程和模拟仿真 (28)

3.2.1 创建工艺文件 (29)

3.2.2 制造设置 (30)

3.2.3 模型飞机毛胚的粗加工 (32)

3.2.4 模型飞机毛胚的精加工 (34)

3.2.5 后置处理与NC序列的生成 (38)

3.2.4 仿真加工 (46)

4. 结论 (48)

参考文献 (49)

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1. 绪论

1.1设计、研究的背景及目的

1.1.1设计及研究的背景

随着社会的发展和人类科技文明的进步，飞机已越来越成为人们生活中不可或缺的一部分，不论是在航空运输还是用于军事战争，航空领域已越来越受到人们的重视，因此，飞机的研究和设计应运而生，并迅速发展，成为继汽车、航海后的又一重要领域。其中，飞机外形的设计不仅影响飞机整体的审美观，更对飞机的高速性、灵敏性起着至关重要的作用。

近年来，随着数控行业的不断兴起和发展，数控技术的不断完善，其高效性、高精度性和高自动化性，吸引越来越多的飞机制造企业走进数控加工时代。同时，飞机业的发展也推动了数控技术的前进，从以前的3轴数控加工到现在的5轴联动数控技术，实现了数控技术向通用性、柔性、适用性、可扩展性发展，并可以轻易的实现智能化和网络化。

目前,数控加工技术已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。数控加工的最大特征有两点:一是可以极大地提高精度,包括加工质量精度及加工时间误差精度;二是加工质量的重复性,可以稳定加工质量,保持加工零件质量的一致。数控加工具有如下优点:提高生产效率; 不需熟练的机床操作人员;提高加工精度并且保持加工质量;可以减少工装卡具; 可以减少各工序间的周转,原来需要用多道工序完成的工件,用数控加工可以一次装卡完成,缩短加工周期,提高生产效率;容易进行加工过程管理;可以减少检查工作量;可以降低废、次品率;便于设计变更,加工设定柔性;容易实现操作过程的自动化,一个人可以操作多台机床;操作容易,极大减轻体力劳动强度。

1.1.2设计及研究的目的

(1).通过三维绘图软件进行模型飞机的设计和优化，并模拟其数控加工；

(2).通过此次设计，使自己掌握飞机外形设计和数控加工的相关知识，并提高自己分析和解决问题的能力；

(3).熟悉数控加工技术在模型飞机方面的应用；

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(4).熟悉Pro/Engineer数控加工，设计零件模型，绘制零件三维图和工程图，进行零件数控加工工艺分析。

1.2 国内外研究状况和发展趋势

随着计算机技术的不断发展,使得飞机外形设计处于不断变革之中,传统技术不断精化,新材料、新结构加工、成形技术不断创新,集成的整体结构和数字化制造技术构筑了新一代飞机外形设计的主体框架。目前的飞机制造业的数控技术应用水平高,不仅数控设备利用率高,而且加工效率极高,加工周期短,劳动生产率也不断提高。飞机制造业中数控技术发展现状和应用水平主要体现在: 广泛采用C A D / C A M 系统和D N C 技术,达到数控加工高效率,建立了柔性生产线和发展了高速切削加工技术。

1.2.1 飞机外形设计发展趋势

近年来，飞机的发展方向进入了超音速时代，飞机速度的提高，除了归功于喷气式发动机技术的进展外，更重要的应归功于超音速空气动力学的突破，飞机外形随着空气动力学的发展而不断变化，由于飞机是在大气层内飞行，主要依靠空气产生的升力来平衡飞机的自身重力、利用各种气动力来操纵飞机的飞行，因此空气动力学的发展对飞机的诞生和飞机外形的演变起着决定性的作用。首先是机翼外形，在以前低速飞机的时代，机翼外形一般为矩形的直机翼，而现代超音速飞机的机翼除了采用薄翼外，还采用向后斜的后掠机翼，以减少阻力，可直接使飞机速度提得更高，后来由后掠机翼演变而来的三角机翼已在战斗机中广泛采用。其次在机身外形方面也有很大变化，典型的超音速飞机机身是“蜂腰”行的，这种机身外形可以大大减小阻力，尖的机头、蜂腰机身和三角机翼已成为飞机发展的典型布局。

空气动力学业越来越着眼于飞机机体的设计方面，提高飞机的巡航组比，最有潜力的是机翼翼面流动的层流化，如能将飞机上翼保持全弦长层流，则可提高巡航组比10%.20%。要得到实用的层流机翼的设计方法，须弄清楚附面层转动的机理，以便建立模型，用CFD（计算流体力学）方法进行精确的实验验证，对于机身等不易获得层流的气动部件，要研究实用的紊流减阻措施，因此随着空气动力学的发展，飞机机翼的发展经过了直机翼、后掠翼与变后掠翼，S形机翼与边条翼，正常式布局与鸭式布局，单垂尾与外倾双垂尾的发展变化。

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随着现代计算机技术的不断发展完善，计算机辅助设计（CAD）技术、CAE 技术以及可用于飞机外形设计和结构布局研究计算的流体力学（CFD）、CFX设计技术使飞机外形和结构设计手段更加先进、完善。目前，通过高性能计算机可以完成飞机结构和外形设计、强度计算和性能分析一体化设计，通过计算机网络技术能够实现结构设计、计算、生产工艺控制和产品加工一体化。

1.2.2 国内外数控技术发展趋势

1949年美国的Parson公司和美国麻省理工学院合作，用时三年研制出能进行三轴控制的数控加工铣床样机，取名为“Numerical Control”。

1953年美国麻省理工学院研发出了只要确定零件轮廓，并指定切削路线，便可生成NC程序的自动编程语言。

1959年美国的Keaney&Trecker公司开发了能进行自动换刀的刀库，一次装夹中就能进行钻、铣、镗、攻丝等多种功能集于一身的数控机床，这就是加工中心。

1968年英国首次将无人化搬运小车、自动仓库和多台数控机床，在计算机的控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统（FMS）。

1974年，机床的数控系统中开始使用微处理器，从此CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。

1976年美国的Lockhead公司开始使用图像编程技术，利用CAD绘制出加工零件的模型，在显示器上“指定”被加工的部位，同时输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径并进行模拟加工状态，获得NC程序。

DNC(直接数控)技术开始于20世纪60年代末期，它是利用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。DNC群控技术是柔性制造技术的基础，如今数控机床上的DNC接口就是用来给机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。当今，随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为了无人控制工厂的基本组成单元。

20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均是由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。其中，数控是其基本控制单元。

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20世纪90年代，基于PC.NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家封闭式专用系统结构模式，提供了开放式基础，使升级换代变得较为容易。充分利用了现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得到实现。

我国虽早在1958年就开始研制数控机床，但是由于种种原因，研究一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，我国曾掀起研制数控机床的热潮，但那时是采用分立元件，性能不稳定及可靠性差。1980年北京机床研究所引进了日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进了美国GE公司的MTC －1数控系统，辽宁精密仪器厂引进了美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统系统，我国航天部706所研制出了MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织了近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，为数控技术产业化建立了基础。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC.NC的HNC数控系统，这达到了国际先进水平，增加了我国数控机床在国际上的知名度。

据1997年不完全统计，全国拥有了数控机床12万台。目前，我国数控机床的生产企业有100多家，数控机床的年产量增加到1万多台，品种满足率达到了80%，同时在有些企业实施了FMS和CIMS工程，我国数控机床及其加工技术进入了实用阶段。

1.3 设计、研究采用的方法

本设计主要采用Pro/Engineer进行复杂曲面类零件的设计,绘出模型飞机的三维外形图，并采用Pro/Engineer提供的体积块加工、局部铣削、曲面铣削、轮廓加工、刻模加工、孔加工等方法进行加工编程以及实现整个加工过程的过切检测和切削仿真过程。

1.4 设计的重点与难点

毕业设计作为大学本科教育的最后实践教学环节，所以难度必定胜于以往的一些设计，因为这个设计的选题涉到的知识面相当的广阔，从理论学习到实践，还包括一些辅助软件的学习。其次，设计对可行性要求很高，有的甚至需要做出实际产品，这个过程困难重重。所以，我认为毕业设计是我们从理论校园到社会

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运用的一个过渡阶段，是对我们四年来所学知识的一次综合性检验，是对我们所学知识的掌握与应用程度的考验。

1.4.1 设计的重点

本设计主要采用Pro/E进行三维建模和模拟数控加工，而且飞机外形的各个面都是曲面，因此要求用Pro/E进行曲面建模与设计，并且在模拟数控加工时须采用5轴数控机床，采用曲面铣削功能，所以对Pro/E的熟悉与掌握程度要求较高，尤其是Pro/E的三维建模与曲面铣削模块。

因本设计是面向社会化的，因此可行性也是本设计的重点，在实际数控加工过程中，我们必须考虑过切性，因此，在Pro/E的数控模拟中，我们必须进行过切检查，以保证实际加工过程中不会出现损坏刀具或机床的故障。

在模拟数控加工时，要求我们对5轴数控加工机床有一定的了解，以便我们如何选择机床和数控加工程序的后处理

1.4.2 设计的难点

首先，本次设计的主要内容是模型飞机，此前我们很少接触这方便的内容，所以须得参考大量资料和书籍，整理绘出有关飞机的尺寸与结构图，再通过Pro/E 绘出各个部件，再加以装配，我想这是此次设计的最大难点。

其次，本设计主要采用Pro/E绘图的方法分别绘出飞机给个部件的结构尺寸图和三维图，然后通过Pro/E的模拟加工模块，生成飞机各个部件的数控加工程序代码，并进行模拟数控加工。

最后，我们之前接触的机床大多是3轴加工的，对5轴机床的了解存在盲区，因此在最后的模拟数控加工时难免遇到各种问题，比如：机床型号的选择、刀具的选择、Pro/E中NC序列的后处理和G代码的后续处理等。

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2. Pro/E与模型飞机外形设计

2.1 Pro/E软件概述与特点

2.1.1 Pro/E软件的概述

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块，以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

2.1.2 Pre/E软件的特点

(1)单一数据库

Pro/E是建立在统一基层的数据库上，而一些传统的CAD/CAM系统是建立在多个数据库上，用Pro/E进行设计时，在整个过程中任何一处发生任何变动，都可反映到整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使得产品的设计更方便、更优化、更高质、成本更低。

(2)基于特征的参数化建模

参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。参数化建模通过调整几何参数来修改和控制几何图形，从而自动实现产品的精确造型，这些几何参数包括模型定型、定位尺寸等。不同于CAD设计以图形线条为设计元素，Pro/E以参数为设计元素，从构建特征入手，建立零件数字化模块，参数化技术以约束为核心，优点主要有：

a．对设计人员的初始设计要求低，提高了设计的柔性；

b．便于系列化设计，同种规格的零件，不同尺寸系列可在一次设计成型后

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7 通过修改尺寸得到，节省了大量的重复设计时间，简便快捷，为数字化制造建立了基础；

c ． 便于随时编辑、修改，满足反复设计要求。

(3)完全相关行

相关性是指所有的Pro/E 功能都相互关联，用户在产品开发和设计过程中的任一环节进行的修改都将影响到整个设计，同时自动的将模型装配、平面工程图、模型加工数据等工程文档进行更新。

(4)工程数据在利用

三维实体造型将三维实体模型用于机械产品的CAD/CAE/CAM 过程，用户可随时计算出产品的质量、体积、惯性矩等相关的物理量、几何量，可迅速了解产品的结构，掌握产品的信息，减少人为计算时间。

2.2 模型飞机整体设计思路

本设计要完成的模型飞机外形如图2.2.1、2.2.2所示，在该模型飞机设计中，只要求设计飞机的基本整体外观效果，而不用涉及机体发动机部件和内部一些配件的设计。

图2.2.1模型飞机整体外观

本设计主要用Pro/E 分别构建模型飞机的机翼、机身等，然后利用Pro/E

的

……………………………………………………………精品资料推荐………………………………………………… 8 组装功能，组装成一个完整的模型飞机，再把飞机上的一些部位细化，如：圆角、倒角等。

在该设计中，将综合应用到拉伸工具、旋转工具、边界混合工具、倒圆角工具、实体化工具、基准平面工具、基准点工具、偏移工具和镜像工具等。

图2.2.2

模型飞机整体外观

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9 2.3 模型飞机机身设计

2.3.1 新建零件文件

(1) 在工具栏中单击（创建新对象）按钮，或者在菜单栏中选择【文件】

→【新建】命令，打开“新建对话框”；

(2) 在“类型”选项组中选择“零件”按钮，在“子类型”选项组中选择“实

体”按钮；在“名称”文本框中输入 “plane.jishen.PRT ”,将“使用缺省模板”复选框取消选择，然后点击【确定】按钮；

(3) 在弹出的“新文件选项”对话框中，选择mmns_part_solid 模板，点击【确

定】按钮，进入零件设计界面。

2.3.2 建立草绘

(1) 选择要作为草绘平面的TOP 基准面，接着在右工具箱中点击

（草绘工

具）按钮，弹出“草绘”对话框；

(2) 接受以RIGHT 基准平面作为“右”方向参考，点击【草绘】按钮或者单

击鼠标中键，进入草绘；

(3) 绘制如图2.3.1所示的草图，单击

（完成）按钮完成草绘，并继续完成图2.3.2所示的草图；

(4) 点击右工具箱的(基准平面工具)，或者选择【插入】→【模型基准】→【平面】命令，以RIGHT 面为基准面，向右偏移350插入平面“DTM1”；

(5) 以DTM1为草绘平面，以TOP 基准平面作为“左”方向参考，完成如图

2.3.3的草图。并继续完成图2.3.4、2.3.5、2.3.6、2.3.7所示的草图。

图

2.3.1

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图 2.3.2

图 2.3.3

图2.3.4 图2.3.5 图2.3.6 图2.3.7

2.3.3 创建曲面组

(1) 点击右工具箱的(边界混合工具)按钮，或选择菜单栏中的【插入】→

【边界混合】命令，打开边界混合工具操控板；

(2) 结合【Ctrl 】键，选择要进行混合的边界（如图2.3.8）；

(3) 在边界混合工具操控板中点击按钮，完成如图2.3.9所示的曲面，并

继续完成图2.3.10、2.3.11、2.3.12、2.3.13所示的曲面；

(4) 最终完成的曲面组如图2.3.14所示。

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图2.3.8

图2.3.9

图

2.3.10

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图2.3.11

图2.3.12 图2.3.13

图

2.3.14

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13 2.3.4 镜像操作

(1) 结合【Ctrl 】键，在模型树中选择要镜像零件的名

称（如图2.3.15），从而选中该模型的所有特征，

单击右工具箱的（镜像工具）按钮，或选择菜单

栏中的【编辑】→【镜像】命令，打开镜像工具操控

板；

(2) 选择TOP 基准平面作为镜像参考平面；

(3) 在镜像平面工具操控板中单击

（完成）按钮，镜像结果如图2.3.16所示。

图2.3.16

2.3.5 合并与实体化操作

(1) 结合【Ctrl 】键，在模型树中选择要合并的边界混合

曲面（如图2.2.17）；

(2) 点击右工具箱的（合并工具）按钮，或选择菜单

栏中的【编辑】→【合并】命令，打开合并工具操

控板；

(3) 在合并工具操控板中单击（完成）按钮，完成

曲面合并，合并结果如图2.3.18所示。

图2.3.15

图2.3.17

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(4)在模型树中选择合并特征，再在菜单栏中选择【编辑】→【实体化】命

令，打开实体化工具操控板；

(5)在实体化工具操作板中点击（完成）按钮，完成实体化操作，

其结果如图2.3.19所示。

图2.3.18

图2.3.19

2.3.6 创建旋转特征

(1)点击右工具箱中的（旋转工具）按钮，打开旋转工具操控板；

(2)在旋转工具操控板中点击“放置”选项标签，打开“放置”面板，再

点击【定义】按钮，打开“草绘”对话框；

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图2.2.20 图2.3.23

(3) 选择TOP 平面为草绘平面，点击【草绘】

按钮，进入草绘模式；

(4) 绘制出如图2.3.20所示旋转剖面，并绘制

一根中心线，用以定义旋转轴，点击

（完成）按钮；

(5) 因系统默认的旋转角度为360°，直接点

击操控板中的（完成）按钮，之后再选择实体化，完成创建的旋转实体如图2.3.21所示；

(6) 以同样的方法完成机尾（图2.3.22）的旋转实体特征的创建。

2.3.7 创建拉伸特征

创建拉伸特征1

(1) 点击右工具箱的（拉伸工具）按钮，打开拉伸

工具操控板；

(2) 在拉伸工具操控板中点

击“放置”选项标签，打

开【放置】面板，接着点击“放置”面板中的【定义】按钮，在弹出的“草绘”对话框中选定TOP 平面作为草绘平面，RIGHT 平面作为“右”方向参考，选定之后点击【草绘】按钮，进入草绘模式；

图2.3.21 图2.3.22

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3klq.html