（化工过程机械专业论文）数控刻楦机的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着制鞋业的发展，鞋楦的生产方式发生了极大的改变。开发数控刻楦机就是为 了适应品种多、周期短的现代鞋楦生产的需要。 数控刻楦机综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床结构设 计技术等方面的最新成就的高效自动化精密机床：它是鞋植c a d c a m 系统的最终输 出设备是鞋楦c a d c a m 系统中最关键的一环。 本文以浙江省重大科技攻关项目“鞋楦c a d c a m 系统及数控刻楦机的研制”为 背景，围绕数控刻植机的研制展开。全文主要从以下几个方面进行研究： 1 分析了国内外鞋楦设计制造的现状和存在的问题，在此基础上提出了解决 我国制鞋业技术设备落后问题的关键一一抓紧研制有我们自主知识产权 的数控刻楦机。 2 从实现鞋楦数控加工的关键技术出发，论述了数控机床的构成和工作原 理。 3 机床制造业传统的设计方法严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低 和对市场的占有。为了克服传统机械设计制造过程的弊端，缩短设计制造 周期，降低成本，本文将c a d 技术应用于数控刻楦机的设计过程中，在 数控机床的研制方法作了较成功的探索。保证了数控刻楦机样机一次试制 成功。 4 详细叙述了刀具系统、主轴系统、进给系统、数控刻楦机整体结构的研制； 对重要部件和装配体进行了静力效应和动力效应分析并进行了仿真模拟。 5 对数控系统的选型和控制线路的设计作了较详细的探讨。 夺：艾关于数拧刎楦机研制方法的探索，对于工程机械行业实现高效的现代设计作 了一。些实用意义的尝试。 关键词：鞋楦数控刻楦机c a dc a m 浙江人学坝j ? 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fs h o em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h e g r e a tc h a n g e h a sb e e n t a k e np l a c ei nt h em o d eo fm a k i n go ft h es h o e - l a s t i no r d e rt om e e tt h ev a r i e t ya n d s h o r tt h ec y c l ei nt h em o d e r ns h o e - l a s ti n d u s t r y t h en cs h o e - l a s tm a c h i n et o o ih a s b e e nd e v e l o p e d t h en cm a c h i n et o o li sa n i n t e g r a t e da p p l i c a t i o n o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a c c u r a t em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g ya n dl a t h es t r u c t u r et e c h n o l o g y i ti sae q u i p m e n t t h a ts h o e - - l a s tc a d c a ms y s t e me x p o r t sf i n a l l y ；i ti st h em o s tk e yi ns h o e - - l a s t c a d c a ms y s t e m b a s e do nt h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c tf u n d e db y z h e j i a n gp r o v i n c et e c h n o l o g y f o u n d a t i o n 一”d e v e l o p m e n to fs h o e l a s tc a d c a ms y s t e ma n dr e s e a r c ho fn c s h o e l a s tm a c h i n e t o o l , t h i st h e s i sm a k e s as t u d yo ft h en cs h o e l a s tm e c h i n et o o l j s r e s e a r c h t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si sp r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do na n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n de x i s t i n gp r o b l e m ，t h et h e s i s p u tf o r w a r dt h ek e yt oi m p r o v es h o e sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yo fo u r c o u n t r y d e v e l o p n c s h o e l a s tm a c h i n et 0 0 1w i t ho u ri n d e p e n d e n t i n t e t t e c t u a ip r o p e r t yr i g h t 2 f r o mt h e k e yt e c h n o l o g y o ft h en cs h o e l a s tm a c h i n et o o l ，t h e c o m p o s i t i o na n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h em a c h i n et o o l h a v eb e e n d e s c r i b e d 3i no r d e rt oo v e r c o m et h ed r a w b a c ko ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，s h o r t t h ed e s i g n i n ga n dt h em a n u f a c t u n n gc y c l ea n dl o wt h ec o s t s ，t h et h e s i s c o m b i n e dt h et r a d i t i o n a id e s i g nm e t h o do r g a n i c a l l yw i t hc a d i th a sd o n e s u c c e s s f u ie x p l o r a t i o ni nt h em e t h o do ft h en cm a c h i n et o o l sp r o d u c t i o n i tg u a r a n t e e dt om a k et h en cs h o e l a s tm a c h i n et o o is u c c e s s f u l l y 4 t h ec u t t e rs y s t e m ，m a i f is h a f ts y s t e m ，e n t e r i n gs y s t e ma n dt h ew h o l e s t r u c t u r e sr e s e a r c hh a v eb e e nn a r r a t e di nd e t a i l ：t h es t a t i cs t r e n g t h e f f e c ta n dd y n a m i cf o r c e e 仟e c to ft h ei m p o r t a n tp a r ta n da s s e m b l yh a v e b e e na n a i y z e da n ds i m u l a t e d 5t h ep a p e rh a sd o n em o r ed e t a i l e dd i s c u s s i o nh o wt os e l e c tt h e t y p eo ft h e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dh o wt od e s i g nt h ec i r c u i to ft h en cm a c h i n e t o o i i no r d e rt oi m p r o v et h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt r a d i t i o n a le n g i n e e r i n g p r o d u c t ，w e h a v ed o n ee f f e c t i v ew o r ki nt h ee x p l o r a t i o no ft h em e t h o do fm a k i n g o ft h es h o e l a s tm a c h i r et o o i k e y w o r d ：s h o e l a s t ，n cs h o e 。l a s tm a c h i n et o o l ，c a d ，c a m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章概要】本章回顾制楦工艺的发展过程，指出我国制鞋业落后主要原因之一在于 大多制鞋企业还是采用手工制楦和拷模加工方式，不仅成本高、周期长、而且质量差。 提高鞋楦制造工艺水平是我国制鞋业当务之急! 我们要赶超鞋业强国必须花大力气抓 好投资少、见效快的数控刻楦机和鞋楦c a d c a m 系统的研制。 1 1 引言 人类的祖先为了生存，在长期同自然界搏斗和劳动中，创造性地使用兽皮做衣、 裹足御寒，以适应在自然界地生活。现代，鞋是人民生活必需品之一。在日常生活中 它既是消费品也是一种较好的装饰品。谚语中就有“脚下没好鞋，身上穷半截”的说 法。在生产劳动和体育锻炼过程中它又是一种很理想的防护用品。它的穿着条件也很 严格，俗有“衣不差寸，鞋不差分”的说法。随着工农业生产迅速发展，人民生活不 断提高，对鞋的要求自然也提高了舒服、美观、耐用成了新的标准。 制鞋业既要提供质量好、品种多、数量足的各种用途的鞋，以满足城乡人民生活 日益增长的需要，又要扩大出口，提高经济效益。制鞋业要完成这样繁重而又艰巨的 任务，必须按照专业化协作原则调整、整顿制鞋生产企业，加速技术改造步伐，使制 鞋业向信息化方向发展。 鞋楦是制鞋的基础和重要模具。鞋楦 的设计应以人体脚的形状为依据，一般以 木材、塑料或金属为材料。在整个制鞋设 计与生产中，鞋楦的造型决定了鞋的式样 和型号，鞋新品种开发也是基于鞋楦来设 计的。我国是当今世界的制鞋大国但制 楦技术的落后严重制约了我国制鞋业的 发展和技术的进步。要提升我国鞋类产品 毫星譬盟蝥摭黧望妻妻妻妻乎黧掣萋 图1 - 1 鞋楦的三维模型 强国，分析制楦的工艺发展过程，找出关 “8 一“2 键技术，意义十分重大。 随着先进制造技术的迅速发展，专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，界 线逐渐淡化甚至消失，制造技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、 信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科 c a d c a m 、数控技术已开始广泛应用到各行各业的产品设计制造当中，并 发挥了巨大的作用。先进制造技术的应用，从根本上改变了传统的设亡 生产方式， 大大提高了产品的设计水平，缩短了产品的生产周期，加快了产品的更新换代的 浙江大学硕士学位论文 速度。增强了企业的核心竞争力。 努力提高生产技术、提高产品质量、增加花色品种、降低生产成本、提高劳 动生产率、提高信息化的生产水平。这就要求我们积极研究制鞋生产新技术、新 工艺、新材料、新i 殳备切实加强企业管理。将先进制造技术引入我国鞋楦的制 造业，从根本卜改进鞋楦的设计生产方式，必将提高鞋楦质量、缩短鞋楦设计和 生产周期，加快产品的更新能力，增强市场的竞争力，从而带动鞋业的整体发展， 产生巨大的经济效益，对于提升我国鞋业在国际市场上的竞争力具有莺要的现实 意义。 1 2 传统鞋檀业设计制造方法 传统的鞋楦没汁制造方式大致可分为两种：手3 ：f j l 楦和拷模加工制楦。当然 各种制楦方式是年h 互渗透没有严格的时间界限，本文将其分开仅为叙述方便。 1 2 1 手工制楦 千j ：制楦是最早的制楦方式，其它加工方法是从手工制楦上发展起来的。手 t 制楦时 i 一个植型底设计般分为三个阶段。第一阶段是楦体造型的构思阶 段，对楦体造型的整体构思、设想及对各部位造型尺i j 。的确定；第二阶段是楦体 造型没计阶段，根据对楦体造型的形象构思、设想和己基本确定造型尺寸，进行 楦底样设计和造型斟纸设计；第三阶段是楦体造型的完成阶段，根据设计出来的 楦底样，造型图纸及造型尺寸，利用手工刻制： 艺将楦体的造型刻制完成。如果 样楦与设想棚距甚远又需要重新设计，直到样檀满意为止。 鞋楦是不规则的复杂的j l 何体，手工制植时期对其外观设讨常以目测判断为 主，结合手感检查。对其造型的检测，综合应用外观和规格尺寸的检测方法。实 际工作中还常采用比较方法，如：用样板检测楦底盘的造型，用曲线卡规检测曲 线造型。用楦卡板测割面部位的轮廓造型“1 。这些显然是一种较原始的检验方式， 鞋楦的质量自然难以得到保证。 手- e n 楦的基本工艺程序： 砍毛坯呻划底样_ 斩正视线( 砍细坯，即初步成型) _ 初刨( 基本定 型) 斗细刨( 精1 _ 整修) 4 锉楦身 基本工具：板斧、刨子、木锉、挖锯、木敦和马扎、木马式工作台、蹬带。 常用量具：游标卡尺、高度游标卡尺、三脚平行规、钢真尺、宽座直角尺、 鞋用带尺等“1 。 国家技术监督局1 9 9 8 颁布的鞋檀尺寸检测方法( g b t2 2 9 4 - 1 9 9 8 ) 还是沿 j = = | 传统方法。浚方法中设计仪凭工， 、的经验和简单的测量，使用些简单的工具 反复修正才能定型。技术交流和传授及其困难，生产效率极低，很难保证大批楦 型的一致性，因此浚方法还处于原始的手工作坊时代，不便于大规模生产。 浙汀人学坝i j 学位沦望 1 2 2 拷模加工 拷模加工制楦的设计过程还足手工制模，加工是出机械装置来完成。刻植机 是以拷模仿形为原理根据标准楦模仿形加工成为与需要相符的各种鞋楦。国内外 还有大量的厂家采用这种方法，我国目前9 0 以上皮鞋厂家还在使用这种方法。 粗楦机是加工三角木坯成粗楦的仿形铣削机械。它为刻楦机提供切削用的粗 植以作细刻加工。粗楦机按铣削的结构划分为横铣和立铣加工两种。横铣加工的 粗楦机，每次铣削。舣粗楦。立铣式加工的粗楦机，每次刻铣两双粗楦。各类刻 楦机仿形原理基小相同，但它的机械结构和操作方法稍有不同。 刻楦机和粗楦机的加工基本原理是：d w i m 寸扳动拉杆使弹簧拉紧的刀架拖板 靠模接触，母楦转动带动刀架作横向运动，同时刀作仿形铣削。 拷模加工的基本程序： 原木锯断_ 锯三角坯斗毛坯铣削成形( 由粗楦机加工) 斗楦坯干燥处 理斗定型精加 ：铣削( 由刻楦机加工) 寸后处理”1 从手工制楦到拷模加工是一个很大的飞跃。它具有生产效率较高、产品质量 较好、规格定型准确，能较好保持同一批次鞋楦规格的一致，劳动强度较轻等特 点。但母楦的设计还停留在原始手工制楦时代，品种适应性很差；精度不高，加 工时有一定程度的失真，无法实现误差的补偿；设计周期长，不能适合小批量多 品种的现代消费市场的需要；检测还是凭借常规的楦型检测工具对主要部位进行 测量，至1 二鞋楦其余部分尺、j 和形状仅能凭经验和眼力来鉴别。 1 3c a d 技术发展概况 1 3 1 c a d c a m 等技术概论 c a d c a m 足h 算机辅助没计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 和计算机辅助制造 ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 的简称，指的足以人为本，以计算机为主要辅助 手段米进行产晶的改i t 和制造”j 。c a d c a m 技术是设计人员和组织产品制造的工 艺技术人员i 引贸机系统的辅助之下，根据产船的设计和制造程序进行设计和制 造的“。项新技术，链传统技术与计算机技术的结合。设汁人员通过人一机交互操 作方式进行产品设汁构思和论证，进行产品总体设计，技术设计，零部件设计， 有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和零件加工信息( 工程图纸或数 控加：【信息等) 的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制。而工艺设计人员 则可以根据c a d 过程提供的信息平i ic a m 系统的功能，进行零部件加工工艺路线的 控制和加2 e 状况的预显，以及生成控制零件加工过程的信息，完成传统机床难以 达到的高难度、高精度的加工。 c a d c a m 技术产生于本世纪5 0 年代后期美国的航空和军事工业中，随着计 一 塑婆叁兰竺坐：! 些兰墨 算机软硬件和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来，当今c a d c a m 技术已从 军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小型企业推广，由高技术领域向日用 家电、轻工业产品的设计和制造中普及“1 。 1 3 2 机械c a d 支撑软件 c a d 支撑软件要解决几何图形设计、工程分析与计算等问题，主要包括： ( i ) 圈形资源软件 这是一些根摧备年i 】图形标准或规范实现的软件包，大多是供应用程序调用的 图形子程序包或函数库。由于是根据标准研制而成的，因此与计算机硬件无关。 利用它们所编写的应用程序原则上可以在具有这些图形资源的任何计算机上运 行，因此具有优良的可移植性。用户在应用开发时不应忽视这部分图形资源的利 用，尤其在从事某些深入的应用开发时更是如此。这些图形资源比较流行的有 c g i ( c o m p u t e rg r a p h i c si n t e r f a c e ) 、p h i g s ( p r o g r a m m e r sh i e r a r c h i c a li n t e r a c t i v e g r a p h i c ss y s t e m ) 、o p e n g i ，等。 ( 2 ) 二、三维绘图软件 这类软件主要解决零部件图的详细设计问题，输出符合工程要求的零件图或 装配图。它们分为交互式绘图和程序调用两种方式，目前主要采用交互式图形系 统，在这些系统。p 电常常提供程序调用的接口。交互式绘图系统在微机上有 a u t o c a d 及众多国产软件，在工作站上大多属于c a d c a m 系统中的一个模 块，如1 d e a s 软件f i d r a f t i n g 模块等。 ( 3 ) 几何造型软件 这类软件主要解决零部件的结构设计问题存储它们的三维几何数据及相关 信息。目前大多采用实体造型系统解决一般零部件的造型；采用曲面造型系统解 决复杂曲面的造型：正在大力发展参数化特征造型系统，以满足c a d c a m 集 成的要求。常见几何造型软件有与a u t o c a dr 1 4 版配套的m d t 3 0 三维软件， p r o e n g i n e e r 。1 _ j f 内三维模块，i - d e a sj p 的m a s t e rm o d e l e r 实体造型、m a s t e r s u r f a c i n g 曲面造型，a d a m s v i e w 中的实体造型模块等等。 ( 4 ) 工程分析及计算软件 汁算方法库。解决各种数学计算问题。女i i a d a m s s o l v e r 。 优化方法库及常用零部件优化模型库。 通用或专用的有限元分析及其前后置处理程序，如a n s y s ，n a s t r a n 等。 机构分析及机构综合软件。机构分析是要确定机构的位置、轨迹、速度、加 速度等运动学规律及节点力、弹簧力等动力学性能，常用软件有a d a m s 。机构 综合足根据产品要求自动设计出种机构。 系统动态分析软件。广泛采用模态分析法分析系统的噪声、振动等问题。 目前，c a d 支撑软件中，二、三维交互式绘图系统技术已经成熟，并被广 泛应用。以实体缱模为基础的c a d 肥a m 集成系统将三维实体造型、三维装配、 浙江火学硕士学位论文 模拟仿真、机构运动分析、数控编程等模块集成在一起，提供功能强大的解决问 题的能力，是当日i j c a d 支撑软件的主流。以特征建模、变量化设计为特点，具 有内部统一数据模型的c a d c a m 集成系统正在不断发展，特征建模、变量化 设计等技术已能局部实现，但整体系统尚需完善。遵照s t e p 标准，以统一产品 数据模型为核心，以产品数据管理( p d m ) 为平台，以国际互联网为集成环境 的高级c a d c a m 集成系统尚不成熟，许多技术尚待解决是未来追求的目标。 1 3 3 主要c a d 软件功能的比较“”“”。 杂 1 d e a su 0p r o ，ea d a m sa n s y s 建模功能具备各种建具备各种建具备各种建功能一般，功能强大 模功能，功模功能，功模功能，功不适于复杂的有限元 能强大能强大能强大模型的建分析软件 造。 机构分析可集成分析内置a d a m s内置最强大的机 带有复杂运模块，通过a d a m s构分析软 动副的机构p a r o s o l i d 文模块，能实件，可分析 垤瑚件格j 与现火部分机力和运动 a d a m s结构分析功能 动力学分含有限元分包含有限元功能较少可进行机构可柞动力 析析模块，支功能钓动j 3 学分学和热力 持弹性动力析，计算力学分析 学和热力学和加速度等 分析变量 运动过程可作机构运可模仿真实可作干涉检可作机构运 仿动仿真，可运动进行动查，仿真中动仿真，仿 真模仿真实运态干涉检不能施加力真中可以施 动进行动态验，仿真中加力，不能 干涉检验，不能施加力做干涉检 验。 切削成型具备基本功内嵌 ”、 有n c 后置无 仿能模块v e r i c u t处理模块， 真切削仿真模不能完成切 块内嵌于削机理的分 u g 中，可析 完成切削仿 真 与其它软u g c a t i a 。提供与其他有a d a m s支持i g e s 。与其他软 件 p r o e a n s y s 软件的标准模块 s t e p ，及件有较好 的接口 s t ep d x f d w g 格式的接口 浙江人学f i o ll 。学位论立 二次开发能提供二次能提供多层能提供二次提供二次开 开发环境 次的二次开开发环境，发接口，提 发环境，可可用v c 十+供一些函数，可 用c 、c + + 丌开发用c 、f o r t r a n 发开发 1 4c a d c a m 等高技术应用鞋楦加工现状 汁算机辅助设 i ( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 技术的发展十分迅速，至今 已有较为广泛的应用。进入九十年代，现代c a d c a m 技术、激光技术、计算机数 控技术、新材料技术及精密仪器技术等应用到制鞋业。特别是在缩短产品的开发 周期、提高产品的性能、质量和可靠性、降低产品成本等方面起到了决定性的作 用。 ( 1 ) 鞋楦的测量： 对已有的鞋楦进行测量，将模型数据化。按测量方式可分为接触式测量和非 接触式测量。 接触式的常用方式是借助机械制造业高精度三坐标机或对其它设备改造扩 展应用于鞋楦的测量。圈内很多高校等研究机构从事这方面的研究，较典型的有： 黄耀志”。等采用基于数控检测原理采用触发式测头，开发的具有自学功能的智 能鞋楦三维检测系统。葛培“采用在数控铣床上加装鞋檀三维面数控检测装置， 采用接触式测量。 ：4 l 非接触式测量常用方式是应用现代的激光测量技术或摄影测量技术研制开 发的专用鞋植的测鞋设备。较典型的有：苏显渝等采用基于三角测量原理，应 用光扫拙技术，使圳埠列型光电探测器件，丌发的鞋楦三维数控检测系统。施建 刚“”等采用近摄影获取数据进行摄影法测量鞋楦。 ( 2 ) 鞋楦三维模型的构建和设计： 鞋楦是一个山复杂的刁i 规则的曲面所组成的自由型闭合曲面体，其形状不能 山初等解析曲面组成，如何建立鞋楦的数学模型对其进行合理的数学描述是构建 鞋楦c a d 模型首先必须解决的问题。高潮“等采用离散法造型生成鞋楦的曲面体 模型。李思益“”等按鞋楦形体的特点，将其划分成若干张性质比较接近的面片 再按要求拼接成整体，在a u t o c a d 环境下以v i s u a c 十十为编程语言实现鞋楦面 的没计。杨广全“”等用非均匀b 样条( n u r b s ) 建模，利用o p e n g l 渲染环境，对 鞋楦曲面进行三维实体造型。 意大利的n e w i a s r f 公司“已经成功开发鞋楦三维造型软件，该辅助设计软件 具有以下功能： 1 ) 输入输出数字化文件的功能； 2 ) 将一个楦头连接到不同的鞋植模型； 3 ) 选取裁剪剖面并可进行最完美的连接： 浙江大学珂：学位论文 4 ) 修改鞋楦侧面外形的相应长度，能使侧面图形的数字参数可以通过使用 扫描仪读取，写入剪贴扳；每个模型都可做到最完备的测量，测量所得的数据贮 存于一个精确的技术文件中： 5 ) 根据鞋楦外形提供一个数字化模型反之亦然； 6 ) 修改鞋桓以制作个新的楦头，可以由一个扫描仪来输入输出鞋楦侧面 三个不同方向的截面； 7 ) 输入楦外形及模板，输入楦跟、楦底、楦头等等，模板使用扫描仪或剪 贴板； 8 ) 楦跟编辑器。修改桓跟的外形，提供使用扫描仪或文件的模板： 9 ) 楦底曲线编辑器，可根据不同的楦侧面及楦底来计算、修改、裁剪檀底的 周边曲线： 1 0 ) 增加或移除楦底曲线，当必要刊可以进行一连串修改： 1 1 ) 局部编辑器，在一个精确定义且封闭的区域内，可进行或大或小的修改。 英国达尔康( d e i c a m ) 公司“，是集成系统的专业供应商，在c a d c a m 三维系 统研究上很有造旧，其产品在通用行业和专业行业上都有普遍应用。该系统在鞋 类行业上主要是鞋楦、鞋底三维c a d c a m 的应用。该系统软件有以下主要特点： 中文w j n d o w s 平台，易于安装，储有任意造型的花纹库等。在对鞋底形状设计时， 可根据不同的鞋尖、鞋跟的组合设计出新的鞋楦，再以该楦体的数据作为基本数 据，配以系统任意造型的花纹库，可对鞋底的底纹、徽标进行设计。而其自动放 码并不是简单缩放，可以确保鞋底的徽标或标志不被扩缩。该系统是开放的，并 支持快速原样成型，因此设h 出的鞋底参数实用性强，花纹美观徽标清晰。其 它国家还有较成熟的系统如1 ：德国的t i b i s 系统“0 1 、法国的w o r k - - n c 2 系统。”、 h 本的c 1 i c k s 系统“、加拿大的v o r u m 系统“和韩国的z - - m a s t e r 系统。”等。 传统鞋产品的设计过程，只有经过做出样品楦这一环节才能看到设计效果， 这是传统设计的致命缺陷。现在这一环节则可由计算机完成。计算机屏幕可以显 示样品楦的立体图形，不满意的地方设计师可以随意修改。这样，既可充分发挥 设计人员的想象能力，设计出更好的产品，义可以省去试制样品实物的全过程， 节省了人力、物力，大大提高了经济效益。 ( 3 ) 鞋楦的加工： 这模块的功能是将计算机屏幕上的鞋楦图形加工成鞋楦实物。它是鞋楦 c a d c a m 的最终输出设备，是整个系统的最关键的一环，它的可靠性和精度直接 影响到所加工的鞋楦的外形。实现这过程方式很多，较典型的有采用传统三轴 数控铣床加工、采用快速原型法加工和采用专门开发数控刻楦机加工。下面简单 介绍各方式的基本原理。 ，一 加拿大的v o r u m 公司和国内周宏甫“”等把三轴数控铣床应用于鞋楦加工。大 致过程是将鞋楦曲面分成上下曲面，采用铣床分别加工，将上下曲面粘结，再用 手工打模成型鞋楦母模。 浙江大学硕士学位论文 图卜2 三轴数控铣床应用于鞋檀加工 图卜3 快速原型l o m 法 基本工作原理简图 美国h e r i s y e 公司”把快速原型法中层合物制造法l o m ( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ) 应用于鞋楦的制造。其基本原理如图卜3 所示，先将片材( 纸) 和热敏胶通过层压辊加压粘结在一起，同时位于上方的激光器按照计算机c a d 模 型所获得的数据，移动为位移控制器，将其切割成鞋楦轮廓形状，抛光后表面涂 一层光亮剂就可作为母楦。切割的顺序也是从底部纸层开始 即模型底部分层顺 序向上 、工作台连续下降。 ， 上面两种方法都只能用于母楦的设计卷造，不能用于批量生产，专用的数控 刻植机就克服了这一弊端。 加工好的成品鞋楦后，再对鞋楦用前面提到测量设备进行测量，将得到数据 和要求数据比较，找出产品的缺陷，r i j 0 定改进方案，最大限度的保证产品和设计 师的模型问的一致性。 一 1 5 国内外制楦技术发展趋势 鞋楦的设计听n 生产已取得令人瞩目的进步，随着科技的发展制楦技术会更快 向前发展”“1 “”。“1 。本文认为鞋檀设计和生产的发展应把握集成化、智能化、 防同化和绿色化趋势。 集成化趋势( i n t e g r a t e dc a d 、是指鞋楦的计算机辅助设计、制造和测量 的集成是未来的寸：要模式。c a d c a m 的集成将大大提高系统运行的效率。这一集 成可以实现信息流的畅通，产品可咀从设计到制造在同一系统内完成，减少信息 的冗余和传输转换产生的差错，更好地提高生产效率；智能化趋势( i n t e l l i g e n t c a d ) 就是采用接近人类思维表达方式的设计造型和制造。借助媒体技术设计模 型，将c a d c a m 专家系统融为一体，实现人机一体化智能设计建模和优化。从根 本上提高鞋楦设计系统建模质量和效率；协同化趋势( c o c a d ) 是指借助信息高 速公路( i n f o r m a t i o nh i g h w a y ) 互连的叻、同c a d c a m 系统( c o l l a b o r a t i v e c a d c a ms y s t e m ) 实现计算机协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v e 浙江入学坝l 学位论文 w o r k ) ，达到远程制造( r e m o t em a n u f a c t u r i n g ) 的目的。没有完善的产品开发 能力的厂。家可以直接从网上得到鞋植c a d 模型。利用自己的技术和设备迅速制造 出原型。没有加工设备的厂家也可以从网络上将自己的设计结果送到其它厂家制 造出产品，使自己的设计早日市场化。从而社会资源得到最大限度的优化配置； 绿色化趋势( g r e e np r o d u c t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r e ) 产品的绿色化已成为 全球不可抗拒的潮流，是人类可持速发展的核心内容之一。鞋檀的设计和生产过 程中应尽量减少对自然资源的损害。在八十年代初由于合成材料的发展，应用新 的人工合成材料代管术木彳制檀，节省了宝贵的木材资源。塑料制楦是制楦工艺的 新发展，是绿色化趋势的具体体现。 我国制鞋业近年来有很大的发展，但同欧洲等制鞋强国相比还处于低档水 平，可以说提高制楦技术是我国制鞋业必须解决的首要问题。只要采取的措施恰 当，在短时涮促成我国制植技术的飞跃是完全可能的。 有资料显示：意大利生产的鞋每双的出口价比我们的产品高出几十倍，这就 意味着同样的工作，我们付出的汗水和代价比人家高的多! 这主要是设计和生产 设备的差距太大。引进国外设备得耗去太量的外汇，不适合推广。这就要求我们 打破行业界限同时联合高校秘研院所筹组数控刻檀机的研究机构研制有自主知 识产权的数控刻楦机。 数控刻楦机是机电一体化现代高科技先进装备，需要机、电、液、气、微电 子、计算机技术各方面配合，孤军作战是不可能顺利发展的。所以我们必须加强 国民经济有关各部门的配合与企业、研究院所和知名大学三方面的结合，使理论 与实际结合! i 二产与需要结合，主机与各种配套件结合，争取与制鞋强国在 c a d c a m 技术1 i 的应用站在同一起跑线上，赶超制鞋强国。而且，数控刻楦机的 研制成功后推向市场在j 翌产鞋机市场又燃起一道新的生机。 1 6 课题意义、论文研究内容、特色及创新 1 6 1 选题意义 在国际鞋类l 前场中，中国鞋类占据着相当重要的地位。据统计，目前全世界 鞋业产量达到i 20 亿敝，而我国鞋类总产量已超过60 亿双，占全世界总产量 的1 2 ，在全球鞋类贸易中，我国鞋类出口额也占到2 5 ，均居世界第一位。 浙江省是产鞋大省，其中温州生产皮鞋的企业总数达4 0 0 0 余家，雇员4 0 余万， 年营业额约1 8 5 亿，年产皮鞋约8 亿双，占全国总量的1 5 随着生活水平的提高，人们对时尚的追求。鞋子的需求量仍将不断扩大，鞋 子款式创新和变更的速度越来越快。同时，鞋是我国轻工业类产品中首屈一指的 大宗出l l 商品。制鞋业是全球性的行业，鞋业生产正越来越多地转向拥有丰富的 原材料资源和廉价劳动力资源的国家，中国进步在数量和价格上占领欧盟、日 浙江大学硕十学位论文 本及美国的市场有着很大的发展余地。但据业内人士介绍，我国制鞋业的生产和 出口却存在不少问题，其中最主要的就是出口价格低。目前，我国同类型的鞋平 均价格不仅远远低于意大利、巴西、韩国、台湾等国家和地区，甚至低于越南等 国家。与此同时，我国鞋类出口价格还有下降的趋势。例如意大利出口鞋的平均 价格为1 6 一1 8 美元一双，而中国的出口鞋为4 5 美元一双。造成这种现象的原因 是多方面的。首先，国内生产能力过剩、出口企业过多、竞相削价出口，造成出 口经营秩序混乱。其次足不注重科研、开发和设计，不注重提高档次，不注重自 己的品牌、科技含量低。最后，出口市场过于集中也是问题所在。我国鞋类出口 市场大多集中在美国、欧盟、日本、香港特区，出口香港特区的也大多转口去美 国和欧盟，对非洲市场、南美市场、原中东地区的市场多元化开发还远远不够。 针对上述问题，专家一致认为，我国制鞋业主要应该在进步提高质量档次、加 快产品的更新换代、努力创立自己的名牌上下功夫，以重振中国鞋类产品在国际 市场上的地位。据统计，鞋类质量档次低主要体现在穿着的舒适感差、款式少， 不能适应多变的市场需求，这当中一个极其重要的原因是鞋楦设计和生产技术的 落后。 因此，将现代先进制造技术、信息技术、自动化技术、数控机床技术引入鞋 楦的设计和制造，r 发鞋楦c a d c a m 系统及数控刻楦机，实现优质、高效、低耗、 清洁、敏捷的鞋楦制造，必将提高鞋楦质量、缩短鞋檀设计和生产周期，加快产 品的更新能力，增强市场的竞争力，从而带动鞋业的整体发展，产生巨大的经济 效益，对于提升浙汀：鞋业在国内和国际市场上的竞争力具有重要的现实意义。 随着w t o 的加入，国内市场的开放，制鞋企业在国内外市场的竞争越来越激烈。 谁的产品质量高，款式新颖，谁就能够抢得市场先机，争取用户的青睐，并在市 场上屹立不倒，这已经成为大家的共识。对鞋类商品来说，特别是时装鞋，用户 需求门新月异，变化特别快，时效性也短。如此一来，就更加要求尽可能的缩短 新款式的设计、生产周期。由于鞋与鞋楦的特殊依赖关系，鞋生产周期的缩短， 也意味这鞋楦生产周期的缩短。 鉴于目前我国制楦业的落后现状，鞋楦的设计还停留在手工刻模阶段，鞋楦 的加：1 r = 还处于传统机械一电气靠模阶段，使得鞋楦的生产周期长，生产效率低， 质量、尺寸不稳定。其后果是我国的鞋类产品在高档鞋市场基本上处于竞争劣势 地位。为扭转这种败势，提升我国鞋类产品在国际市场上的竞争力，必须提高鞋 的档次，加快产品创新，缩短设计生产周期。与国内形成鲜明对比的是，国外的 制楦业已丌始应用c a d c a m 、数控技术，实行鞋楦的计算机辅助设计、制造，大 大缩短了鞋植的设计周期，提高了鞋楦的质量，加快了产品的上市时间。 由以上的分析可以知道，虽然国内外都在大力开展制楦c a d c a m 技术的研 究，但从制楦设计希i 生产的总体要求来看，国内尚没有个从鞋楦设计和加工全 过程的较为完整的c a d c a m 系统，国外虽已有相关成品问世，但是价格高得离谱， 二是系统功能仍不合我国国情、功能不全面三是如果走购买国外得整机的路， 势必让我国的制鞋业k 期受制于人，从而在c a d c a m 技术在制鞋业方面的应用无 0 浙江人学嘲一i 学位论义 法得到发展的机会。为此浙汀省科委2 0 0 2 年将鞋楦c a d c a m 系统开发及数控 刻楦机研制列为浙江省重大科技攻关项目。 根据标书要求，整个项目主要研究内容包括：( 1 ) 计算机辅助鞋楦设计( 2 ) 数控刻楦机研制( 3 ) 鞋楦数控加工程序生成( 4 ) c a d c a m 系统集成 传统的观点通常认为制造技术的发展就是致力于研究开发高效、高精度和自 动化的加： 设备和一i ：艺。用r 业工程的眼光看，这只是一个方面，只有与另一方 面即行业需求、市场需求有机地结合起来，以实现系统整体优化和提商生产技术 为目标，爿能得到有效地发展。鞋楦数控加工技术是针对特定需求的产物，这种 面向中小企业的实用、可靠的、投资少、见效快的底层制造自动化技术。这种面 向市场，以产业化为日的的鞋楦数控加工技术的研究，不仅具有一定的学术价值， 而且具有相当的实用意义。 1 6 2 论文研究的主要内容 鞋楦数控加1 技术是目前提商鞋楦生产效率及质量的良好选择，改变传统鞋 楦制造模式，实现数控加一是个相当复杂的系统：【程必须从先进制造技术思 想入手，设计珂f 制虮i ：的专用数控设备。其核心是将训算机技术、信息技术与传 统制造设备、制造过程和制造系统的集成。 伞文j 分屯章，具体安排如下： ( 1 ) 第一章绪论 本章回顾制楦工艺的发展过程，指出我国制鞋业落后主要原因之一在于 大多制鞋企、还是采用手工制楦和拷模加工方式，不仅成本高、周期长、而 且质量差。提高鞋楦制造工艺水平是我倒制鞋业当务之急! 我们要赶超鞋业 强国必须花人力气抓好投资少，见效快的数控刻楦机和鞋楦c a d c a m 系统的 研制。 ( 2 ) 第二章鞋楦数控加工原理 本章简单地介绍数控机床的组成和发展历程、数控系统的分类；详细论 述数控系统的构成、j 【：作过程、对插补原理、刀具补偿原理和可编程控制器； 最后对鞋楦数控加r 原理作深入的研究。 ( 3 ) 第三章数控刻楦机整体结构 小章盘：传统机眯结构设计技术的基础上，结合刻楦机这种具体产品殴计 j r 胜数控刻植机整体结构的研制。 ( 4 ) 第四章刀具系统和主轴系统 本章在i j i l | = i 几章论述的基础上详细讨论刀具系统和主轴系统的研制，并 成功构建刀具系统和主轴系统的三维模型。 ( 5 ) 第五章进给运动系统和辅助装置 本章开始埘进给运动系统和铺助装置研制作一些说明。进给运动系统可 进一步细分为x | f i j 水x i 进给系统、z 向垂直进给系统等，实现对刀具系统的 横向和纵向进给。 ，- z 浙江太学硕，l 学位论文 ( 6 ) 第六章控制系统 本章主要阐述数控系统选型和控制电路的研制。控制系统产生指令，“指 挥”电机运动完成复杂加工过程，它是产生智能化全自动加工的关键，是数 控刻楦机的重要组成部分。 ( 7 ) 第七章总结与展望 本章是全文的总结，在概括总结全文研究成果的基础上，指出了数控刻 檀机今后的研究重点和方向。 1 6 3 论文特色与创新 本论文在如下方面具有自己的特色； 通过对国内外制楦技术的分析研究，指出我们要赶超鞋业强国必须首先研制 出有自主知识产权的数控刻植机和鞋楦c a d c a m 系统： 在深入研究国内外制楦技术的基础上，提出螺旋环切式走刀加工鞋楦。由于 它是连续的，从而减少了空程，保证了切削的平稳性，提高了加工效率。 在国内首次采_ 1 1 | j 三轴联动技术应用到鞋植加工； 特殊的组合式川具成功解决鞋楦加工的特殊需要： 首次将蜗打传动副应用到刻楦机的主轴箱的设计，完美解决刻楦机多头加工 鹱求： 首次将电动央紧装置应用到刻楦机的夹具中，简化了夹具设计和制造难度； 在刻楦机的研制过程中传统设计技术和c a d 技术有机结合，设计、装配、测 试等均事先在算机上进_ j ：模拟，保证了样机次装机调试成功，最大限度 地缩短开发时划昶r 肖约了研究经费。 浙“大学硕上学位论文 第二章鞋楦数控加工原理 【术章摘要】本：草简单地介绍数控机床的组成和发展历程、数控系统的分类；详细论 述数控系统的构成、：i 作过程、对插补原理、刀具补偿原理和可编程控制器；最后对 鞋楦数控加工原理作深入的研究。 2 1 数控系统概述 数字控制( n t m i e l ic a lc o n t r 0 1 ) 是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制 的一种方法，简称数控( n c ) 。国际信息处理联盟( i f i p ，i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o nf o r i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) 对数控机床下了如下定义：数控机床是装有程序控制系统 的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用编码，或其他符号指令规定的程序。定义中 所说的程序控制系统，实际是台专用计算机系统，其功能包括：从输入载体上阅读 事先给定的编码或符号，将其译码为数字值，并产生相应的控制脉冲，从而使机床动 作，进行零件加工。”1 。 随着科学技术的发展和社会经济的进步，人们