（机械制造及其自动化专业论文）信息技术在刀具产业中的若干具体应用问题研究.pdf

华中科技大学硕士学位论丈 摘要 本课题、柬源1 “中国三江航天集团技术中心特种越野车虚拟设计，i 乏分机仿真系统 ( v d s ) ”之f 系统“零部件快速设计系统”，该系统是建立一个以p r o ，fl j 产品歼发平 台，基于组件技术的快速产品设计组件库系统以支持特种越野车虚拟设计和分析仿 真的产品快速设i f ，对提高产品的设计效率和质量起着重要作用，其成粜办叮推广到 其它相关领域，县有一定的理论意义和较高的实用价值。本文就建立支持产品快速设 计的可重用组件库系统的若干关键技术和方法探讨研究。 首先，介绍了基于组件的系统设计的特点、建立原则和一般设计模式：研究了组件 的检索、重用和配置技术以及与产品数据管理( p d m ) 系统的应用集成技术：探讨了 c a d 应用系统接 1 组件开发技术，借助于强大的c a d 设计系统实现设计组件库系统的建 模任务。 其次从应用角度，介绍了支持产品快速设计的可重用组件库系统的支撑环境包 括建模平台和相关p d m 系统，以及为零部件设计计算和工程出图提供支持的的工程材 料数据库和_ 二维标注国标符号库等。提出了设计组件库系统的体系框架，快速设计组 件库( 包括标准件和典型零部件组件库) 的设计原理和方法及其组件管理。 最后，针埘二江航天集团技术中心的实际情况，介绍了基于可重用组件库的产品快 速设计的思想和导航式界面设计方法。提出了可重用设计组件库与p d m 系统的集成方 案和接口设计，以及与后续分析系统的集成等问题；给出了包含标准件和典型零件的 并部件生成过程：验证了可重用组件库对产品快速设计的有力支持。 目前，该系统已在三江航天集团技术中心分阶段实施应用。，- 札 关键词t 设计组件；( 重量，零部矽组件接町产品叠设计，产品数据管理 9 7 、 华中科技大学硕士学位论文 a b e t r a o t t h i sp r o j e c tr o o ti nt h es u b s y s t e m ，t h ep a r t sr a p i dd e s i g ns y s t e m w h i c hb e l o n g st o v i s u a ld e s i g na n da n a l y s i ss i m u l a t i o ns y s t e m ( v d s ) f o rt h es p e c i a lc r o s s f i e l da u t o m o b i l e o fs a n 1 i a n g a e r o s p a c ei n d u s t r yg r o u pc o m p a n y ( s j a g c ) o fc h i n a t h i ss y s t e m i sa p r o d u c t sr a p i dd e s i g ns y s t e m o f c o m p o n e n tb a s e d ，e s t a b l i s h e do np r o e n g i n e e r i n gs y s t e m ，a p r o d u c t sd e s i g nf l a tr o o t ，s u p p o r t i n gf o rt h ep r o d u c t sr a p i dd e s i g no ft h ev i r t u a ld e s i g na n d a n a l y s i s s i m u l a t i o n o ft h e s p e c i a l c r o s s f i e l da u t o m o b i l e i t p l a y si m p o r t a n t r o l e si n e n h a n c i n gd e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y ，a n d i t sf r u i tc a na l s oa p p l yo t h e rc o r r e s p o n d i n g f i e l d s t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sp r o c e s s e ss o m ea c a d e m i cs i g n i f i c a t i o na n dp r a c t i c a l v a l u e f o l l o w i n gr e s e a r c h s a n dd i s c u s s e ss e v e r a l k e yt e c h n o l o g i e s w h i c ha r er e l a t e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h es y s t e mo fr e u s a b l ed e s i g nc o m p o n e n t sb a s e f o r s u p p o r t i n gp r o d u c t s r a p i dd e s i g n 1 f i r s t l y , i n t r o d u c e dt h ed e s i g nc h a r a c t e r s ，s e t u pp r i n c i p l e sa n d t h eg e n e r a ld e s i g np a t t e m o fb a s e d - c o m p o m e n t st e c h n o l o g i e s r e s e a r c h e do nt h es e a r c h e s ，r e u s e ，a n dc o n f i g u r a t i o no f d e s i g nc o m p o n e n t s ，a n dt h ea p p l i c a t i n gi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g i e sw i t hp d m s y s t e m p r o b e d i n t ot h ei n t e r f a c ec o m p o n e n t sd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fc a d a p p l i c a t i o ns y s t e m ，w i t ht h e a i do ft h i ss y s t e mt of i n i s ht h em o d e l i n gt a s ko f r e u s a b l ed e s i g nc o m p o n e n t sb a s es y s t e m s e c o n d l y ，f r o ma c t u a la p p l i c a t i o n ，i n t r o d u c e dt h eu n d e r l a y i n ge n v i r o n m e n to f r e u s a b l e d e s i g nc o m p o n e n t sb a s ew h i c h c a r l s u p p o r tp r o d u c t sr a p i dd e s i g n ，i n c l u d i n gt h em o d e l i n g e n v i r o n m e n ta n dc o r r e l a t i v ep r o d u c t sd a t am a n a g e m e n t ，a n dt h eb u i l d i n go fe n g i n e e r i n g m a t e r i a ld a t ab a s ea n dg bs y m b o lb a s et h a ts u p p o r tt h ec o m p u t a t i o no fp a r t sd e s i g na n d e n g i n e e r i n gd r a w i n g p o i n t e do u tt h es y s t e ms t r u c t u r eo fd e s i g nc o m p o n e n t sb a s e ，a n dt h e d e s i g np r i n c i p a l sa n dm e t h o d so fr a p i dd e s i g nc o m p o n e n t sb a s e ( i n c l u d i n gs t a n d a r dp a r t s b a s ea n dt y p i c a lp a r t sc o m p o n e n t s ) ，a n dt h em a n a g e m e n to fd e s i g nc o m p o n e n t s l a s t l y , a i m e da t s j a g c sa c u a lc o n d i t i o n s ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r di d e a so fp r o d u c t s r a p i dd e s i g n o fb a s e dr e u s a b l e d e s i g nc o m p o n e n t s a n d d e s i g n m e t h o d so fn a v i g a t i n g i n t e r f a c e o f f e r e dt h ei n t e g r a t i o ns c h e m ea n di n t e r f a c ed e s i g nb e t w e e nr e u s a b l ed e s i g n c o m p o n e n t sb a s ea n dp d ms y s t e ma n da n a l y s i ss y s t e m i nt h ef u t u r e a tl a s t ，i l l u s t r a t e dt h e g e n e r a t i n gp r o c e s so f c o n c r e t ed e s i g nc o m p o n e n t s ( i n c l u d i n g s t a n d a r dp a r t sa n d t y p i c a lp a r t s ) t or e f l e c to rs u p p o r tp r o d u c t sr a p i dd e s i g n a t p r e s e n t ，t h i ss y s t e m h a sb e e n p u ti n t op r a c t i c eo n d i f f e r e n t p h a s e s a ts j a g c k e y w o r d s ：d e s i g nc o m p o n e n t s ，r e u s e ，p a r t s ，c o m p o n e n t si n t e r f a c e ，p r o d u c t sr a p i d d e s i g n ，p r o d u c td e s i g nm a n a g e m e n t 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、研究目的和意义 本课题来源于中钨高新材料股份有限公司自贡硬质合金分公司资助的两个项目 “三坐标硬质合金可转位刀片周边磨床的技术改造”以及“硬质合金可转位刀片槽型 系列优化”项目的子项目“刀具数据库系统的设计与开发”。 研究的目的和意义是：研究计算机辅助制造( c 龇订) 技术在刀具第一线生产中 的关键应用问题，开发出一套在三坐标数控磨床下进行非标硬质合金可转位刀具精磨 的c a m 软件，解决该企业在刀具生产的底层自动化方面存在的瓶颈问题，提升硬质 合金刀具生产企业的生产效率和产品质量；研究数据库技术以及虚拟现实( v r m l ) 技术在刀具的研发和销售环节中的应用问题，为刀具企业的生产、研发和销售提供新 的手段和工具。 1 2 课题研究的背景 1 2 1非标准型( 异型) 硬质合金可转位刀片精磨c a m 软件的开发背景 1 ) 国内厂家的产品结构现状 我国现有硬质合金生产企业1 5 0 多家，年产量约9 0 0 0 余吨，占世界产量的2 l ， 是公认的硬质合金生产大国。但是我国在生产技术和工艺装备方面总体上还比较落 后，技术更新速度慢，技术开发能力不足，产品质量不稳定，产品结构不合理，深加 工产品仅占1 0 。世界先进厂家如s a n d v i k 、i s c a r 等硬质合金产量比我国少，但其 产值、销售额和利润却比我国厂家高十几倍乃至几十倍【l j 。 本项目的资助商自贡硬质合金公司是我国第二大硬质合金刀具生产企业，其硬质 合金年产量在1 0 0 0 吨以上，但产品品种和质量与国外相比差距较大。一方面硬质合 金粉末和毛坯等初级产品在产品总量中所占比例过大；另一方面深加工产品如精磨硬 质合金刀片、和非标异型精磨刀片等高附加值产品占合金总量的比例很小，无法占领 其应有的市场份额。 同时从金属切削刀具的技术发展角度来看，精密和超精密加工刀具已经成为未来 刀具的发展趋势之一【2 】。开发精密加工刀具，已经成为优化刀具生产企业提升产品档 次、优化产品结构、提高企业效益的必然选择。 2 ) 研究c a m 技术生产精磨刀片的背景 华中科技大学硕士学位论文 这次我们所改造的磨床型号为w a m 3 0 0 3 5 0 ，是自贡硬质合金公司八十年代从德 国引进的产品。这种设备也被大量装备于国内其它主要硬质合金刀具生产企业，是目 前国内厂家进行刀片精磨的通用设备。 w a m 3 0 0 3 5 0 磨床是德国万特( w e n d t ) 公 司1 9 6 5 年的产品，也是世界上第一种用于硬质合 金刀片周边磨的自动化磨床。图1 1 为与 w a m 3 0 0 ，3 5 0 同属一个系列的后继型产品 w a m e c o 型自动化磨床。 w a m 3 0 0 3 5 0 磨床拥有两个旋转轴和一个进 给轴，同时装备有德国博世( b o s c h ) 公司的控 制系统，该控制系统带有一个初级的“几何形状处 理器”【3 】，可以在数控系统中对一些简单图形( 如 图1 1w a m e c o 型磨床 标准的方形或三角形系刀片) 直接编制数控代码， 但只能实现加工过程的三轴两联动。 由于“几何形状处理器”在计算能力方面所固有的缺陷，这种机床在加工过程中 一直只能进行三轴两联动，无法实现三轴联动，因此也就无法磨制一些空间直纹曲面 ( 如斜圆柱面) ，而这些恰恰是磨制刀具圆角时经常要用到的。目前该公司有包括车 刀和铣刀在内的各种型号的刀片一百多种，原有的博世控制系统自带的“几何形状处 理器”中的几个函数远远无法满足生产的实际需要。而从德国重新进口这样的设备代 价又太高，因而最经济可行的办法就是对原有设备进行改造。 应用c a m 技术对原有机床进行改造可以给企业带来下列益处： ( 1 ) 可以加工出原有机床加工不出来的曲面 由于计算机有强大的运算能力，可以瞬时准确地计算出机床每个坐标轴瞬时应该 运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲面。 ( 2 ) 可以实现加工代码的自动化生成，其效率是传统手工编程所无法比拟的。 3 ) 国内外刀具c a m 技术研究与应用概况 我国的c a d c a m 研究工作始于7 0 年代，发展迅速，已取得了良好的经济效益。 少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的c a d c a m 系统，其应用水平 也接近国际先进水平。许多中小企业应用c a d c a m 技术在保证产品质量、提高劳动 率等方面也取得了显著的经济效益。但是总的说来，国内在c a d c a m 技术应用的深 度和广度方面与国外先进水平相比还有很大差距。随着市场经济的发展，国有企业需 要对传统的产品结构、生产设备和管理模式进行改造，以提高企业的活力和适应市场 的应变能力，而采用c a d c a m 技术被认为是唯一的出路。 2 华中科技大学硕士学位论文 具体就刀具行业而言，随着数控机床的普及和各种先进加工技术的发展，加工用 刀具的用量急剧增加，对刀具的要求也越来越高，各种新型的、复杂的刀具不断出现。 数控： 具磨床，特别是多轴联动的数控工具磨床是高效、高质量加工精密、复杂形状 刀具的关键设备。目前，国外的刃磨编程系统都是由刀具磨床生产厂家自行开发的， 属技术保密范围，价格昂贵，源代码不对用户开放【2 】。同时国内目前自主开发出机床 主机和数控系统均为国产化的数控刀具周边磨床产品较少，更缺乏成熟的刀具数控磨 削加：亡及编程软件。 从c m i t 2 0 0 1 展览会上我们可以了解到一些当前国外刀具c a m 技术的发展动 态。据统计【4 】，c m i t 2 0 0 1 展览会上共展出五轴联动数控机床1 4 台，其中有5 台为五 轴联动数控工具磨床。参展厂商有德国w a l t e r 公司、s a a e k 公司、瑞士r o l l m a t i e 公 司、e w a g 公司、瑞典j u n g n e r 公司以及首次参展的澳大利亚a n c a 公司。以上各 公司产品均采用w m d o w s n t 操作系统，操作方便、可靠，并加大了软件开放程度； 机床采用了光栅测量系统、闭环控制等先进技术，有的还可配置自动上下料机器人， 实现无人化生产。其中w a l t e r 公司的h e l i t r o n i c p o w e r 数控工具磨床新增加了模拟磨 削软件，可在模拟过程中获得刀具磨削数据，并直接传输到机床控制系统，从而实现 了快速开发非标刀具。 国内研究人员在该领域的研究也取得了一定的成绩。如山东大学的刘连山等开发 了“陶瓷刀片周边磨床数控加工系统”，提高了陶瓷刀片的加工精度和生产效率。该系 统应用软件在u c d o s 3 0 下用c 语言开发，以工业p c 机为控制核心，步进电机为执 行机构，能磨削国标中所规定的各种标准形状的可转位刀片的周边【5 l 。北京航空航天大 学在国家“八五”和“8 6 3 ”计划中承担了高性能开放式数控系统的开发任务，开发出 的基于w i n d o w s 操作系统的开放式数控系统c h - 2 0 1 0 ，不仅在车床、铣床、加工中心、 凸轮磨床等多种机床上获得了成功应用，并在该数控系统基础上开发了一种集成在开 放式数控系统上对用户开放的5 轴刀具刃磨编程系统f 6 】。华中科技大学的金建新利用面 向对象的分析方法对复杂形状刀具c a d ，c a m 系统进行了研究，导出了该c n c 系统 的信息模型【7 】。华中科技大学的熊烽、宾鸿赞等采用计算机三维仿真技术，对复杂形状 刀具前刀面数控磨削过程中刀位计算方法、磨削方式及磨削过程进行了研究峭j 。华中科 技大学国家数控系统工程技术研究中心的何耀雄、徐起贺、周云飞等成功地开发出了 一种三坐标刀具数控磨削加工系统。该系统具有在线编程、刀具测量和自动对刀功能， 可以对圆柱类铣刀、圆锥类铣刀、铰刀、钻头、成型刀具进行数控磨削加工【9 j 【1 0 】。 1 2 2 刀具数据库软件系统的开发背景 在本项目中，我们根据数据库服务对象的不同特点，为自贡硬质合金公司开发了 两个数据库：一个是面向刀具研究人员的，该数据库用于对刀具切削试验数据进行采 华中科技大学硕士学位论文 集、存储、管理，并对数据进行必要的后置处理以向开发人员提供必要的信息，帮助 刀具研究人员进行分析决策：另一个数据库是面向刀具用户的，也称为电子样本 ( e l e c t r o n i cc a t a l o g ) 。该软件为企业产品数据进行电子化管理、查询，用文字、图 形、图象以及声音和视频技术，向用户生动地展示产品的结构和性能。 】) 建立切削数据库的意义 金属切削是机械制造业中零件加工的最主要方法，在机械加工中占有举足轻重的 地位。而如何提高金属切削加工的生产效率，降低加工成本，直是机械加工领域的 专家和刀具开发者们不断探索和致力研究的重大课题“。 金属切削数据库是计算机技术与机械加工技术相结合的高技术产物1 1 2 1 ，它积累和 存储了大量的金属切削的生产和实验数据。根据用户提出的要求，它能够快速计算出 所需的、经过优化的切削用量、工时和成本等。应用金属切削数据库可以明显地提高 机械产品的加工质量和生产效率，降低成本，提高企业的经济效益，增强企业的竞争 能力。 建立切削数据库，为机械制造业提供合理或者优化的切削数据是提高切削加工效 率和经济效益的最有效措施之一；而且切削数据库还是发展计算机集成制造系统 ( c i m s ) 、柔性制造系统( f m s ) 、敏捷制造系统( a m ) 的一项基础性工作，它是 这些系统公共制造数据的重要组成部分。 世界上主要工业发达国家很早就开始着手建立金属切削数据库。上世纪6 0 年代 美国建立了世界上第一个金属切削数据库( a f m d c ，美国空军可加工性数据中心) ， 建库1 0 年间为美国工业部门节省了1 4 亿美元；德国i n f o s 车削数据库提供的切削 数据使单件加工时间和生产成本均下降了1 0 1 3 1 。 我国从1 9 8 2 年“六五”期间开始着手筹建我国第一座切削数据库，在“七五” 期间共完成6 5 套刀具工件材料副车削数据的采集与评估研究、生产验证。1 9 9 0 年1 0 月建成了适合我国国情的第一个通用车削数据库【1 4 1 ，并产生了良好的社会经济 效益。 d j 此可见，金属切削数据库的建设十分重要。同时应该看到由于建造大型通用的 金属切削数据库存在工作量大，数据采集困难等问题【l5 1 ，而且目前国内真正实用的大 型通用金属切削数据库并不多见，大多数还处于实验试用阶段，因此在建造大型金属 切削数据库的同时，建立一些实用的小型金属切削数据库是非常必要的。 2 ) 电子样本技术的发展概况 随着信息时代的到来，信息化技术不断发展，信息交流的手段已不再局限于古代 的铅与火，并已突破了声光电的约束，进入了数字化的时代；承载信息的媒体也已不 4 华中科技大学硕士学位论文 再仅仅限于纸张、电视、广播等等的传统媒体，电子样本作为一种新型的信息载体得 到了闩益广泛的应用。 所谓电子样本，是指为企事业单位度身定制的介绍企业产品、展示企业形象的宣 传多媒体光盘或者网页。与传统的印刷样本相比，电子样本具有如下优势： ( 1 ) 信息量远远大于印刷样本； ( 2 ) 用户可根据自己的需要和兴趣来浏览自己想要的内容，且可以存放纸制样 本所不能存放的声音、视频等其它信息，介绍生动、形象； ( 3 ) 制作单位成本低且更具时代气息。 这些特点已为很多国际上的许多大型刀具生产企业所认识到。由于它们对于刀具 电子样本的研究开发较早，目前已经有比较成熟的刀具电子样本在使用。比如瑞典 s a n d v i k 公司的c k 刀具电子样本系统，日本三菱公司的m t a s 等。这些电子样本各 具特色，主要都是结合企业的产品特点，将产品系列化整理、分类编码，建立产品的 信息数据库，然后利用高级语言开发数据库浏览界面，刻制成光盘，分发到用户手中。 有的功能更多一些，如提供产品订单制作功能。 国内的各大刀具厂商目前还没有为自己的刀具产品开发出相应的电子样本，但国 内某些院校已着手在该领域进行了一些研究，并取得了一定的成果。如华中科技大学 机械学院的李小平与汤漾平建立了机电产品电子样本数据库的概念模型和逻辑模型 “6 j ；9 7 级硕士研究生彭冰对单机版的刀具电子样本进行了开拓性的研究【1 7 】；9 8 级硕 士王振玲对基于w e b 的刀具电子样本进行了初步的研究 1 8 】。 然而以上这些电子样本在产品的展现形式上还显得过于单一。它们一般只能展示 静态的平面图像，虽然有一些电子样本能够存放视频，但是这些内容都是事先储存好 的，无法与用户实现实时的交互式操作。对于硬质合金刀片这种特殊的产品，仅仅通 过“平面阅读”的形式向用户展示这些资料，缺乏直观性。如果能够在电子样本中显示 具有真实感的刀片的三维图形，并且让用户对图形进行实时的操作，使他们可以从任 意的角度和距离观看刀片，则势必能大大加深用户对于该刀片产品的印象。所以在电 子样本的产品展现形式上寻求突破显得非常重要。 1 3 本文的主要内容 本文包括两个专题，即用于三坐标数控磨床加工复杂轮廓硬质合金可转位刀片的 c a m 软件的研究和刀具数据库系统的设计与开发。 第一部分围绕非标准型( 异型) 硬质合金可转位刀片精磨c a m 软件的开发这一 主题展开。按照c a m 软件的功能模块的结构划分情况，分别介绍了c a m 软件的前 置处理模块、后置处理模块以及数据传输模块的实现机理和实现过程。其中软件的前 华中科技大学硕士学位论文 第二部分围绕刀具数据库软件系统的开发这一主题展开。这一专题又分为两个子 部分：第一个子部分讲述了刀具试验切削数据的建立过程，提出了切削力数据采集的 方案以及软件接口。第二个子部分讲述了刀具电子样本的开发过程，并且对虚拟现实 语占( v r m l ) 在电子样本中的应用作了有益的尝试。 6 华中科技大学硕士学位论文 2c a m 软件的需求分析与软件功能模块的划分 2 1c a m 软件的需求分析 作为刀具c a m 磨削系统的组成部分，我们在开发c a m 软件时不仅仅要考虑软 件的算法实现。因为一个用于工程或产品制造的c a m 系统需要各种硬件和软件。系 统中的硬件与硬件之间或各种软件之间及硬件和软件之间将构成一个多层次的复杂 系统，这些直接影响c a m 技术的投资效益。因此在建立这样的系统之前必须进行需 求分析和技术上的可行性论证。 需求分析具体内容如下： 1 ) 对象分析 对象分析通过对需要应用c a d c a m 技术的产品或工程项目进行全面系统的分 析，以明确如何应用c a d c a m 技术来完成该产品( 或工程) 的设计或制造，这是需 求分析中最基本的一条。 产品生产的主要问题：传统的手工编程方法无法编制磨制空间直纹曲面的程 序。 对c a d c a m 的需求状态：目前产品生产过程中最急需解决的是刀片周边磨削 的自动编程问题，尤其是针对非标准型( 异型) 刀片的自动编程问题。 企业产品情况：产品分为若干个系列，涉及数百种形状的刀片，其中有大量的 非标准型( 异型) 刀片。 c a m 软件的使用者：本软件用于自贡硬质合金公司的第一线生产车间，操作 者为车间技术工人。他们关心的是所选择的c a m 软件能否满足他们工作的需要，是 否好用。而不大关心软件是怎样开发出来的，功能是否覆盖了c a d c a m 的所有领域， 是否反映了c a d c a m 技术研究的最新成果。 对c a m 软件的投资力度：自贡硬质合金公司的经济效益目前比较好，但是由 于技改的面比较大，花钱的地方多，加之对于计算机自动编程软件的重要性认识不够， 因此对c a m 软件部分的投资较之硬件部分要少得多。 数控加工设备及其他自动化设备状况：该厂现有w a m 3 0 0 3 5 0 型磨床4 台， 所有这些数控机床均未联网，也未与编程机联网。 c a d c a m 专业技术人员状况：该厂现有设计及工艺方面技术人员若干名，其 中部分人员使用过二维绘图软件a u t o c a d 和三维绘图软件u g ，对计算机有一定的 了解，但对c a d c a m 了解的人少；车间的技术工人对c a d c a m 基本不了解。 华中科技大学硕士学位论文 综上所述，本项目的关键在于解决用c a m 软件对各种刀片实现自动编程这一问 题，以替代该企业传统的手工编程方法，突破产品生产过程中的技术瓶颈。 2 ) 明确需求 国外的刀具c a m 加工技术虽然先进，但是其价格昂贵，而且其一般是为通用机 床开发，所以并不适合自贡硬质合金公司的生产实际情况。但国内又没有现成的与该 型号数控磨床配套的专用c a m 软件，因此开发拥有自主产权的专用c a m 软件是我 们较好的选择。 3 ) c a m 软件系统的总体分析 ( ：a m 软件系统的总体分析的目的在于：根据产品( 或工程) 设计和制造的需要， 初步确定软件应具备的功能。 由于c a m 软件的开发与整个c a m 系统的整体结构以及硬件都有密切的关系。 在此，我觉得有必要先介绍一下整个刀片c a m 磨削系统的结构。 如图2 1 所示，c a m 磨削系统的整体方案是采用p c 机作为它的前端机，来处理 人机界面、编程、通信等问题，由西门子8 1 0 d 数控系统承担数控任务。 幽2 1 刀片蘑削c a m 系统的结构 由于p c 机具有友好的人机界面，丰富的软件资源，以及强大的计算能力，因而 使得在p c 机上实现前置处理( 生成刀位) 和后置处理( 生成数控代码) 较为容易。 通过p c 机与西门子8 1 0 d 数控系统之间的通信接口，可以实现p c 机到数控系统的数 据传输，将数控加工代码和机床辅助动作代码传给数控系统。最后由数控系统控制机 床进行加工。 由上述可知，p c 机所完成的工作也就是c a m 软件所应具备的功能，即： ( 1 ) 参数的输入( 获取) ； ( 2 ) 刀位的计算； ( 3 ) 数控代码的生成： 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 数据的传输。 4 ) 硬件和软件的选型 ( 1 ) 开发软件的选取 本软件的界面部分采用d e l p h i 开发，计算引擎采用m a t l a b 开发。d e l p h i 是美国 b o r l a n d 公司推出的功能强大的应用程序开发工具。d e l p h i 是可视化应用编程歼发环 境、可重用型面向对象编程语言、快速编译器和数据库的完美结合，它具有功能强大、 运行速度快、易于学习和使用以及开发效率高等特点。应用d e l p h i 开发本软件的界面， 可以大大加快软件开发的速度。 m a t l a b 具有以下优点：具有高性能数值计算的高级算法，特别适合矩阵代数 领域：具有大量事先定义的数学函数，并且有很强的用户自定义函数的能力：适合个 人应用的强有力的面向矩阵( 向量) 的高级程序设计语言；与其它语言编写的程序结合 和输入输出格式化数据的能力。因为刀位计算过程基本上都是矢量运算，这无疑给 m a t l a b 提供了用武之地。用m a t l a b 编写的矩阵运算程序时，其编程的效率和算 法的稳定性是其它语言所无法比拟的。 ( 2 ) 对于外部系统的要求 对于硬件平台的要求如下： p e n t i u m i i6 6 7 m h z 处理器或更高，推荐p e n t i u m v1 7 g h z 以上的处理器； 1 2 8 m 内存，推荐2 5 6 m ： 1 5 寸v g a 或更高分辨率的显示器： 至少1 5 g 硬盘空间。 对于软件平台的要求如下： m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 ： d e l p h i 7 0 企业版； m a t l a b 6 5 。 2 2 c a m 软件功能模块的划分 在c a m 软件的实现过程中，我们根据生成数控代码的实现过程，将c a m 软件 在功能结构上划分为“前置处理”、“后置处理”和“代码的显示与传输”三个模块， 其中每个模块又包括若干子模块。 软件的具体功能结构如下： 9 华中科技大学硕士学位论文 刀片周边磨削c a m 软件 图2 2c a m 软件的功能结构图 如图3 中所示，系统实现大体分为三个步骤：首先根据所加工零件的结构特征， 结合机床参数，生成描述加工过程的刀具轨迹信息文件，这一过程被称为前置处理； 然后是根据前置处理得到的刀具轨迹和工艺参数信息，结合特定数控机床的性能及其 所要求的数控程序格式，生成该机床所能识别的数控加工程序，这一过程被称为后置 处理；最后操作者通过c a m 软件的显示模块察看生成的数控代码，在进行必要的修 改后通过软件的数据传输接口将数控代码发送到数控系统。 各子模块的功能与实现过程将在后续章节中详细论述。 2 3 本章小结 本章首先对c a m 软件的开发进行了需求分析，明确了如何应用c a m 技术来完 成该产品制造；初步确定了系统软件应具备的功能；并对本软件开发所需的硬件和软 件进行了选型。在本章第- - + 节中根据生成数控代码的实现过程对c a m 软件进行了 功能模块的划分，并对相关模块的功能进行了说明。 华中科技大学硕士学位论文 3 c a m 软件各功能模块的实现 3 1 前置处理的实现 莳置处理的作用是根据获得的所加工零件的结构特征，结合工艺决策( 包括刀具 选择、迸给量等工艺参数的决定) ，生成描述加工过程的刀具轨迹信息文件。在上一 章我们已经介绍过前置处理模块主要实现两个功能，即切削获取加工信息和计算刀位 轨迹。下面介绍各个功能子模块的实现原理以及具体的实现过程。 3 1 1 刀片几何模型信息的获取 c a d c a m 所基于的几何模型主要有三类：线框几何模型，曲面几何模型以及实 体几何模型，在我们的c a m 系统中所采用的是线框几何模型。 线框结构的几何模型是在c a d 刚刚起步时惯用的几何模型，因为对线框结构的 几何模型研究比较多，所以它也是一种较为广泛采用的模型，现在很多2 维的软件 图3 1 针对标准型刀片建立的数据库 部是基于这种几何模型。这种模型描述手段是以线段、圆、弧和一些简单的曲线为描 述对象，通常人们也把线段、圆、弧和一些曲线称为图形元素。因此对软件来浣，特 华中科技大学硕士学位论文 g q 是2 维软件，其实现手段比较简单。 c a m 软件在计算刀位之前首先要获取加工信息，其中包括刀片的几何尺寸信息。 对于标准型硬质合金刀片由于同一类型的刀片几何形状基本相同，同一类型不同型号 的刀片的差别只是在于它们尺寸的不同，其几何尺寸的数据结构很有规律。因此对于 标准型的硬质合金刀片，我们在c a m 软件系统中建立了一个数据库，将与加工过程 有关的标准型刀片几何形状和尺寸的数据都存贮在系统的数据库中，如图3 1 。 这样，工艺人员或机床操作者只需调用被加工零件及有关数据，或通过人机对话 方式少量输入有关加工信息，便可准确迅速地完成零件的自动化加工。 对于非标准型( 异型) 硬质合金刀片，由于其外形轮廓的特殊性和多样性，给刀 片模型信息的提取工作带来了一定的困难。下面介绍一下我们对于这一问题的解决方 案和思考过程。 我们一共设计了三种方案来获取非标准型刀片几何模型信息，实现了其中的前两 种方案，并且对第三种方案的可行性进行了探讨。 方案a ：通过手工进行参数化编程 这是一种最直接的思路，也是目前国外的刀具c a m 软件普遍采用的方案，通过 参数化的半自动编程可以尽量的减少人工介入，提高加工效率。 从非标刀片的上端面看，构成刀片轮廓形状的基本几何元素主要是直线和圆弧。 而所有这些直线和圆弧在工件坐标系下的准确位置，都可以通过几个最基本的“元素 参数”推导出来，我们将这些“元素参数”称为非标准型( 异型) 刀片的几何特征参 数。但是这里又有个问题，就是我们首先要确定一批特征参数，这些参数并非只针 对某一种特定型号的非标准型刀片，而是可以适用所有非标准型刀片。简单的说就是 如何在几何特征参数的选取问题上做到“以不变应万变”。 通过研究我们发现，只要确定了下列特征参数，就可以唯一确定刀片的轮廓。这 些参数如下： r l 刀片的边数； d 刀片的基圆直径； 刀片各个后刀面的后角； 口各个刀尖的刀尖角； 刀片后刀面与前刀面相交的条边到基圆的距离； r ，各个刀尖处的过渡圆弧半径； a ? 。各个刀失处的过渡圆弧圆心的x 坐标； r ，各个刀尖处的过渡圆弧圆心的y 坐标。 华中科技大学硕士学位论文 根据上面的这些特征参数以及刀片加工的工艺要求，我们设计了非标准型刀片的 特征参数及工艺参数用户界面，如图3 2 所示。 这种数据输入方案最大的优点就是适应范围比较广，但是由于是采取手工输入数 据，所以在处理几何形状较为复杂的刀片时，数据的提取和输入比较繁琐而且不直观。 为了完善系统功能、提高系统应用效率，必须开发一种操作方便、形象直观的输入方 法。这就是我们下面将要介绍的另外一种数据获取方案。 图3 2 非标准型刀片的特征参数及工艺参数用户界面 方案b ：从a u t o c a d 的d x f 矢量图形文件中直接提取几何信息 国内外大量的经验表明，c a d 系统的效益往往不是从其本身，而是通过c a m 系 统体现出来；反过来，c a m 系统如果没有c a d 系统的支持，设备往往很难得到有效 地利用。因此，人们着手将c a d 、c a p p 、c a m 等系统有机地、统一地集成在一起， 从而消除“自动化孤岛”，取得最佳的效益。目前集成化是c a d c a m 技术发展的一个 最为显著的趋势。它是指把c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 以至e e c ( 生产计划与控制) 等各种功能不同的软件按照一定的标准，通过数据接口的通信有机地结合起来，用统 一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流 的畅通并协调各个系统有效地运行。 我们选择美国a u t o d e s k 公司的c a d 产品a u t o c a d 与我们的c a m 软件进行集 华中科技大学硕士学位论文 成。k u t o c a d 是目前国内外最流行的p c 级计算机辅助绘图和设计软件包，自贡硬质 合金公司的绝大部分刀片是使用该软件进行的二维平面设计。将a u t o c a d 绘图软件 与刀具c a m 软件相结合，使c a m 系统能自动识别a u t o c a d 的图形信息，从而实现 某种程度的c a d c a m 一体化，能够简化数控编程过程，大大提高生产效率 2 0 i 。 但是a u t o c a d 绘图软件与我们开发的刀具c a m 软件之间不能直接实现信息共 享，i 羁为它们是两个相对独立的系统。如何在这两者之间如何实现信息的提取、传递 和再现是一个必须首先解决的问题拉”。所以，我们的首要工作就是在c a m 软件与 a u t o c a d 绘图软件之间建立数据接口。 1 ) 数据接口原理 首先介绍一下什么是数据接口。数据接口是实现不同软件之间的相互调用以及与 高级语言进行数据交换的重要方式22 1 。其工作方式如图3 3 所示【”l 。 图3 3 数据接口原理图 ( 双向传递) 当采用数据接口来进行信息集成时，各系统之间是通过前、后置处理器和具有标 准交换格式的文件来联系的。即一个系统产生的数据文件被接口软件的前置处理器处 理后，转变为标准数据交换文件，该文件又通过后置处理器进行分析，转换为其它系 统能够识别的文件格式，从而实现了不同系统之间的信息交互。与上述原理图不同的 是，在本软件中数据的传输方向是单向的，即从a u t o c a d 传向c a m 软件。 a u t o c a d 提供的接口有三种f 2 2 】：第一种是通过中性文件实现高级语言与 a u t o c a d 图形文件之间的转换，如d x f 文件等；第二种是批处理文件，如s c r 文件， 其实质是将a u t o c a d 的一系列作图命令组合在一起，成为一个扩展名为s c r 的文本 文件，按批处理方式进行；第三种是直接把高级语言( 如a u t o l i s p ) 嵌入a u t o c a d 内部进行计算和绘图。由于我们的目的是实现从a u t o c a d 图形文件中获取刀片的几 何信息，所以在这里我们选择了第一种接口方式，即通过读取d x f 文件获取所需信 息，数据的处理流程如下： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图3 4 从a u t o c a d 中提取数据的流程图 2 ) d x f 文件的格式 d x f ( d r a w i n gi n t e r c h a n g ef i l e ) 是a u t o c a d 图形交换文件的a s c i i 码或者二 进制代码格式的描述，是一种具有严格文件格式的顺序文件，文件格式为国际公认 标准。要从d x f 文件中读取数据，首先必须弄清楚d x f 文件的格式，以及代码的 意义。 d x f 格式( d f o r m a t ) 是一种代表了a u t o c a d 图形文件中所有信息的标记 数据( t a g g e d d a t a ) 【2 5 】【26 1 。而标记数据是指文件中的每个数据元素( d a t ae l e m e n t ) 由一个被称为组码( g r o u pc o d e ) 的整数引导，每个数据元素中的组码和组值都各占 一行，组码和组值之间用一个换行字符分开【2 7 1 。其格式如下： g r o u pc o d e g r o u p 眦u e 组码( g r o u pc o d e ) 是一个a s c i i 整数( 二进制d x f 中为二进制) ，组码以及与之相 关联的值确定了一个对象( o b j e c t ) 或者实体( e n t i t y ) 的某一个特定的方面。紧跟在 组码后面的一行是组值( g r o u p v a l u e ) ，组值可以是字符串、整数或者浮点值( 例如 点的x 坐标) 。组码的值表明了它的后面所跟随的数据元素的类型。同时组码的值还 表明了一个给定的对象类型( o b j e c tt y p e ) 或记录类型( r e c o r dt y p e ) 中的数据元素 的意义。例如，范围0 - 9 的组码表示后面跟的是个a s c i i 字符串；特定的码指该字符 串代表了什么( 如：图层名称、线形名称、文本格式名称等) 。 d x f 文件中的数据按照表3 1 中的格式组织【2 5 1 ： 表3 1d x f 文件的格式