（机械制造及其自动化专业论文）剃前插齿刀cad系统的研究与开发.pdf

中英文摘要 y 7 7 9 1 8 7 剃前插齿刀c a d 系统的研究与开发 机械制造及其自动化专业 研究生廖映华指导教师李方信 在各种机械中应用最广泛的还是圆柱齿轮机构，它用来传递空间平行轴间 的运动和动力。随着技术的发展对齿轮的加工精度要求越来越高，为了加工出 符合要求的齿轮，齿轮的加工方法也不断的提高。对于一些特殊齿轮，如汽车、 拖拉机变速箱中双联齿轮的小齿轮，或者精度要求较高、表面粗糙度要求较小 的齿轮，必须插一剃一珩工艺。由于剃齿对齿轮齿形误差的修正能力有限，因 此备用的剃前齿轮精度一般都不低于8 级，而剃前插齿刀的精度大都制成a 级。 由于齿轮的留剃余量形式决定了剃前插齿刀齿形复杂，设计计算工作量非 常的大，传统的设计采用人工试算，设计者依据一定的经验，采用许多复杂的 公式反复计算。设计效率低，周期长、计算量相当大，对设计者的要求也较高， 而且设计精度也不能很好的保证。 在今天，随着市场全球化、经济一体化进程的加快，在制造业中的竞争不 断的加剧。为了赢得竞争优势，刀具企业必须采用先进设计和制造技术。因此， 在刀具设计中为了缩短设计周期、提高刀具设计的可靠性、实现刀具生产的 c a d c a p p c a m 集成，全面提高刀具企业的效益，必然要采用c a d 技术。 本文就是基于这样的考虑，运用软件工程、系统工程的原则和方法，利用 o o p ( 面向对象的编程) 技术，a d o 技术和a r x 技术，开发剃前插齿刀c a d 系统。 剃前插齿刀c a d 系统采用功能模块的设计思想，把整个系统分成了剃前插齿刀 实例管理系统、剃前插齿刀设计计算予系统、刀具图生成子系统、知识库管理 和维护子系统四个模块。通过实例管理系统查询已有的刀具，决策是否进行新 的刀具设计；通过剃前插齿刀设计计算模块实现剃前插齿刀的结构参数选择、 齿形的参数计算、主要技术条件的查询选择，为刀具图形的生成产生数据；通 四i l 大学硕士论文 过刀具图生成子系统生成刀具设计图纸，用于刀具的生产指导；知识库管理和 维护子系统主要用于剃前插齿刀设计知识，刀具结构参数、主要技术条件、刀 具设计实例的管理和维护。 通过以上四个模块建立一个完整的剃前插齿刀c a d 系统，实现如下目标：】用 户输入已知参数后，系统自动完成特殊参数选择和设计计算过程；2 自动根据 计算结果和刀具标准自动选择技术条件；3 自动生成刀具工程图( 符合国家制 图标准) ；4 能够管理已有的刀具。 剃前插齿刀c a d 系统能够提高剃前插齿刀的设计水平、质量和效率，从而为企 业赢得了时间，增强刀具产品的市场竞争力；同时能有效的管理已有的刀具， 为刀具生产企业现代化奠定坚实的基础，具有很高的使用价值和广阔的市场前 景。 关键字：刀具c a d 剃前插齿刀面向对象的编程( o o p ) 齿轮传动机构先 进设计 中英文摘要 t h ec a d s y s t e m ss t u d ya n dd e v e l o p m e n t o fa p r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e r m a j o r m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t el i a oy i n g h u as u p e r v i s o rl if a n g x i n c o l u m ng e a rm e c h a n i s m sa r ew i d e l ya p p l i e di nm u l t i f a r i o u sm a c h i n e ；t h e ya r e u s e dt ot r a n s f e rd r i v e sa n ds p o r t sb e t w e e na r b i t r a r yt w oa x e si ns p a c e w i t h d e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , i tr e q u i r e dt h a tg e a rm a c h i n i n ga c c u r a c yb e c o m eh i g h e r a n dh i 曲e li no r d e rt op r o d u c eq u a l i f i e dg e a r , m a c h i n i n gm e t h o d sa l s oc o n t i n u o u s l y a r ei m p r o v e d f o rs o m es p e c i a lg e a r s ，e g d o u b l e g e a ro rg e a rw i t hr e q u i r e m e n to f h i g hs u r f a c er o u g h n e s s w em u s tm a c h i n ei tb yp i n i o n s h a p e dc u r e le s p e c i a l l y , f o r t h o s es p e c i a lv o l u m e p r o d u c eg e a r si na u t o m o b i l ea n dm o t o ri n d u s t r y ，g e n e r a t i n g p r o c e s s ，s h a v i n gp r o c e s sa n dg e a rl a p p i n gw i t hc o r u n d u mp r o c e s sa r eo f t e nu s e d a s t h ea b i l i t yt oc o r r e c tt h eg e a r - s h a p e de r r o ro fg e a rl a p p i n gi sf i n i t e ，a c c u r a c yo fs p a r e l a p p e dg e a ri sn o tl e s st h a n8 - r a n ka n da c c u r a c yo fp r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e r t h a ti su s e dt op r o d u c ei ti so f t e na - r a n k b e c a u s ea c c u r a c yo fp r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e ri s v e r y h i g ha n di t s g e a r - s h a p e di sv e r yd i f f i c u l t ，f o r m u l ao fd e s i g ni sv e r yc o m p l e x ，m a n u a lc a l c u l a t i o n i su s e di nt h et r a d i t i o n a ld e s i g no fp i n i o n s h a p e dc u t t e r , w h i c hi st e s t e df o rm a n y t i m e sa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e so fd e s i g n e r s t h ed e s i g nm e t h o di si n e f f i c i e n t ， t a k e sm u c ht i m e ，a n dr e q u i r e sh i g h l yo fd e s i g n e r s ，a n dc a no n l yd e s i g nap r e s h a v i n g p i n i o n - s h a p e dc u t t e re v e r yc a l c u l a t i o n c u r r e n t l y , a st h ec o u r s eo fm a r k e tg l o b a l i z a t i o na n de c o n o m i ci n c o r p o r a t i o n q u i c k e n ，c o m p e t i t i o ni nm a n u f a c t u r i n gb e c o m es e r i o u s i no r d e rt o w i nt h e c o m p e t i t i o n ，s h o r t e nt h ed e s i g nt i m ea n di n c r e a s et h ed e s i g nr e l i a b i l i t y ，c a d t e c h n o l o g yi sn e c e s s a r yt ou s ei nt h ed e s i g no fc o m p l e xc u t t i n g t o o l s a c c o r d i n g l y ， i i i 四川大学硕士论文 c u t t i n g t o o lc a d c a p p c a mi n t e g r a t i o nc o m e st r u e ，a n db e n e f i to fc u t t i n g t o o l e n t e r p r i s ei si m p r o v e d c o n s i d e r i n ga b o v er e a s o n s ，t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g a r ef o l l o w e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ec a ds y s t e mo fp r e s h a v i n gp i n i o n - s h a p e dc u t t e r i sd e v e l o p e dw i t ht h et e c h n i q u e so fo o p , a d oa n da r x t h em o d u l a rp r o g r a m m i n gm e t h o di su s e di np r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e r c a ds y s t e m ，w h i c hd i v i d e sf o u rm o d u l e so ft h ew h o l es y s t e m ：i n s t a n c e m a n a g e m e n tm o d u l e ，d e s i g na n dc a l c u l a t i o nm o d u l e ，g r a p h i cm a n i p u l a t i o nm o d u l e a n dr e p o s i t o r ym a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c em o d u l e b yi n s t a n c em a n a g e m e n t m o d u l e ，s y s t e m d e c i d e st ow h e t h e rd e s i g n i n gn e wc u t t i n g t o o li sr e q u i r e d b y d e s i g na n dc a l c u l a t i o nm o d u l e ，d e s i g na n dc a l c u l a t i o no fp r e s h a v i n gp i n i o n - s h a p e d c u t t e rc a nb ea c c o m p l i s h e d b yg r a p h i cm a n i p u l a t i o nm o d u l e ，c u t t i n g t o o ld r a w i n g i s c o m p l e t e b yr e p o s i t o r ym a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c em o d u l e ，d e s i g n i n f o r m a t i o ni sm a n a g e d t a r g e to fp r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e rc a ds y s t e m ：1 a f t e rc u s t o m e ri n p u t p a r a m e t e r s ，s y s t e m e a r l a u t o m a t i c a l l yc o m p l e t ep a r a m e t e r s s e l e c t i o na n d c a l c u l a t i o n ；2 s y s t e mc a na u t o m a t i c a l l y s e l e c tp r i m a r yt e c h n o - c o n d i t i o no f p r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e r ；3a u t o m a t i c a l l y t od r a w ；4t om a n a g et h e c u t t i n g t o o lp r o d u c t w i t ht h ep r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e rc a ds y s t e m ，t h ed e s i g nl e v e l ，q u a l i t y a n de f f i c i e n c yo fp r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e rd e s i g nc a l lb ei m p r o v e d ，t h e c o m p e t i t i o np o w e ro fn e wp r o d u c t sc a nb ee n h a n c e d w h i c hs e t t l e st h ef o u n d a t i o n f o rt h ep r o d u c i n g - - m o d e r n i z a t i o no fc u t t i n g - t o o l sa n dh a sh i g hu s a g ev a l u ea n dw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：c u t t i n g - t o o l sc a dp r e s h a v i n gp i n i o n s h a p e dc u t t e ro b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) g e a rm e c h a n i s m a d v a n c e dd e s i g n i v 第一章绪论 i 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 先进制造技术对产品设计的影响 2 1 世纪，经济竞争是世界各国的焦点和世界发展的重要推动力。对制造业 而言，每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争，竞争的 核心是以知识为基础的新产品的竞争。面对激烈的竞争，近二十年来，特别是 近十年来人们将制造技术和飞速发展的信息技术、自动化技术、现代管理技术 与系统技术有机的融合，推动着制造业进入信息化、自动化、智能化、敏捷化 的历史新时期“1 。 为了提高竞争力，企业不仅要解决好产品的t 、q 、c 、s 、e 难题，即以最 快上市速度t ( t i m et om a r k e t ) 、最好的质量q ( q u a i t y ) 、最低的成本c ( c o s t ) 、最优的服务s ( s e r v e r ) 及最清洁的环境e ( e n v i r o n m e n t ) ，还要考 虑产品的创新。因为没有产品的创新，没有适销对路的新产品，即使做到了t 、 q 、c 、s 、e 也是枉然，也会在竞争中失败。因此，先进制造技术必然十分重视 产品设计问题，采用先进制造技术的企业必然将产品设计这个环节视作生命线， 先进设计必然成为先进制造技术核心之一。可以这样说：市场竞争促进了先进 制造技术的发展，先进制造技术的发展推动了先进设计技术的发展。先进设计 离不开c a d 技术，因此在产品设计中广泛地采用c a d 技术。 1 1 2 剃前插齿刀在齿轮加工中的应用 剃齿法为齿轮精加工方法之一，它比磨齿的生产率要高得多，且剃后的齿 轮精度可达6 7 级，所以剃齿法在大量生产中也被广泛应用。 剃齿加工广泛应用于汽车、拖拉机齿轮制造，但是剃齿效率、剃前质量和 剃齿刀的使用寿命都与剃前刀具有很大关系。剃前刀具能否为剃齿刀创造良好 的工作条件，主要在于剃前刀具的设计。剃前刀具主要有剃前滚刀和剃前插齿 刀。 】 四川大学硕士论文 汽车、拖拉机齿轮属于大批大量生产，齿形加工常采用剃前加工一剃一珩 齿工艺，在生产中使用的剃前刀具一般设计成专用刀具。剃前刀具究竟选用滚 刀还是插齿刀根据被加工齿轮结构和齿轮齿面的表面粗糙度决定，一般内齿轮、 多联齿轮的小齿轮、人字齿轮、齿条以及多种形式的齿轮精度要求较高，而且 表面粗糙度要求较低的圆柱齿轮都采用插齿刀加工“4 “”。齿轮滚刀呈蜗杆 状，加工的齿轮传递运动准确性精度高，生产率很高，常用于大批大量生产； 插齿刀呈齿轮状，加工的齿轮的齿形精度高，表面粗糙度低，加工齿轮的精度 高，插齿加工生产率也高，但不及滚逸。可以用来加工生产批量大，而又不适 合滚齿加工的情况下使用。 因此，剃前插齿刀的使用，虽然远没有像剃前滚刀那样广泛，但是对于一 些结构特殊的齿轮的加工，却离不开剃前插齿刀了。 1 1 3 剃前插齿刀的设计现状 传统的剃前插齿刀设计方法，主要是靠人工通过计算器计算插齿刀的齿形 参数，计算完成后再进行刀具设计图纸( 手工或者计算机辅助绘图) 的绘制。 也有一些剃前插齿刀设计计算辅助程序用于辅助设计，主要用于剃前插齿刀齿 形参数的计算和优化，而且计算和绘图是分开来的“1 ，不是由计算机自动从设 计计算开始到图形的绘制完成结束。对于大型的完善的剃前插齿刀c a d 系统更 是鲜见。 1 1 4 本文研究问题的提出 基于以上的分析可以看出，为了提高剃前插齿刀的设计质量、设计效率、 实现c a d c a p p c a m 的集成、加快剃前插齿刀投放市场的周期，提高刀具生产企 业的效益，从而提高刀具生产企业的市场竞争力。有必要开发出完善的、高效 的、高质量的剃前插齿刀c a d 系统。 1 2 本文研究的内容 本文研究的主要内容是：通过剃前插齿刀设计现状的分析，收集综合剃前 插齿刀的设计资料、运用先进的c a d 技术，开发出一个功能完善、实用的剃前 插齿刀c a d 系统。 2 第一章绪论 1 2 1 剃前插齿刀设计理论 插齿刀的设计有三种情况“1 ： l 设计标准插齿刀，在此情况下，我们不知道所切齿轮的参数，所以只考 虑加工常用的齿轮，即其齿数大致在1 7 1 2 0 范围内的标准齿轮副。剃前插齿 刀由于有倒缘刃，而齿轮的齿顶倒棱值随齿轮齿数的变化非常敏感。所以不做 成标准刀具。 2 设计某几对齿轮副通用的插齿刀。 3 根据一对指定的齿轮设计专用插齿刀。 一般情况下，剃前插齿刀都是设计成专用刀具。专用剃前的插齿刀的设计 主要是对其齿形的设计计算。对于其结构参数和主要技术我们一般都参照普通 的插齿刀的结构参数和主要技术条件来选取。由于剃前齿轮要求较高，为了给 剃齿工序加工一个优质的剃前齿轮，剃前刀具就有一些特殊的要求，比如：要 增加凸角设计和倒棱切削刃，这样就增加了刀具设计的难度。 剃前插齿刀的设计主要有三个内容：基本齿形的设计计算、凸角设计计算、 倒缘切削刃的设计计算”1 。基本齿形的设计计算可以同一般插齿刀设计相同， 但是为了减少剃前插齿刀设计过程中的部分验算，我们一般采用第二章所述的 方法；凸角设计主要考虑连接的光滑；倒缘刃的设计设计成渐开线齿形。 l2 2 先进设计方法 设计有广义、狭义之分。狭义的设计认为图样完成即算设计完成，这是一 种孤立的保守的观点。广义的设计是指在工程实践中行之有效的七事( 实验、 研究、设计、制造、安装、使用、维修七事) 一贯制的设计方法，这种方法以 设计为主来综合权衡，而后设计制图和说明”1 。 现代设计方法与传统的设计方法之间没有明显的界限，因为传统的设计方 法会不断的发展；而新的设计方法可能因为迅速和大量的普及而被认为是很一 般的设计方法。目前所涌现出来的新的设计方法是在以往的设计方法的基础上， 随着科学技术的不断发展和时代的不断进步，而不断地提出来的。因此先进设 计方法有两类：发展后的传统设计方法和新近涌现的设计方法。 1 2 2 1 发展后的传统设计方法 3 四川大学硕士论文 l 综合设计 综合设计是相对于设计分柝而言的，指在产品设计初期，设计者想完成某 一功能而将各种和产品有关的事物综合在一起以便确定方案的过程，因此，它 是在完成一定功能的前提下，对产品拟定或选择一个方案的结构形式、外形。 材料、尺寸、以及制造和装配工艺的创造性过程。它强调的是产品初期阶段和 创造性。常用的综合设计方法有：参数化工程设计、原模型法、稳健概念探索 法、反向映射法、假设推理法。 2 概念设计 概念设计是指设计者的思维中具备了一个初步的设计方案的设想但尚未 形成具体方案的阶段。它的目的是尽快地帮助设计者将其头脑中的设想转变成 具体的方案。 3 反向工程 反向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 是对已经存在的实物生成c a d 模 型的一种工程设计方法。 4 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 计算机辅助设计是工程技术人员以计算机系统为工具，综合应用多学科专 业知识进行产品设计、分析和优化等过程问题求解的先进数字信息处理技术， 是专家创新能力和计算机硬件功能有机结合的产物。 5 优化设计 优化设计在我国工程设计领域中得到推广应用。工程优化的目标是以尽可 能高的效率求得技术系统或尽可能优的设计方案及尽可能优的解。 6 有限元分析 有限元是一种新的现代数值计算方法。它将连续的求解域离散为由有限个 单元组成的组合体，用以模拟和逼近求解域。 1 2 2 2 新近涌现的设计方法 随着科学技术的飞速发展，新的设计方法不断的涌现“1 ，主要的些 新的设计方法如下： 1 创新设计 创新设计是技术创新的重要内容，可分为开发型创新、变异设计和反求设 4 第一章绪论 计三种类型。 2 并行设计 并行设计是一种产品开发全过程的系统化方法，它要求产品从设计一开始 即考虑产品生命周期中的各种因素。 3 虚拟设计 虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计，主要表现设计者可以用不同 的交互手段在虚拟环境中对参数的模型进行修改。 4 稳健设计 稳健设计亦叫鲁棒设计，是关于产品质量和成本的一种设计方法。 5 智能设计 在设计过程中采用人工智能和专家系统来处理知识的理论。智能设计系统 就是以知识处理为核心的c a d 系统。 6 生命周期设计 产品生命周期设计( l i f ec y c l ee n g i n e e r i n gd e s i g n ，l c e d ) 从并行工 程思想发展而来，其目标是所设计的产品对社会的贡献最大，而对制造商。用 户和环境的成本最小。 7 机电一体化设计机电一体化设计是微电子技术向机械工业渗透逐渐形 成的一个新概念，目前比较成熟的主要有散热设计、电磁屏蔽设计。 1 2 3 c a d 技术 1 2 3 1c a d 系统 圈卜1c a d 系统功能模型图 四川大学硕士论文 c a d 系统是应用现代计算机技术，以产品信息建模为基础，以计算机图形 处理为手段，以工程数据库为核心，对产品进行定义、描述和结构设计，用工 程计算方法进行性能分析和仿真等设计活动的信息处理系统。人们通常将c a d 系统功能归纳为建立几何模型、分析计算、动态仿真和自动绘图四个方面。c a d 系统功能模型见图l l 所示。 1 2 3 2c a d 基础技术 传统的c a d 技术涉及如下一些基础技术“1 ： 1 产品信息建模技术。如概念模型、装配模型、特征模型和几何模型： 2 图形处理技术。如参数化绘图，图形仿真岌图形输入输出技术等； 3 工程分析技术。如有限元分析、优化设计、以及其它的工程分析； 4 数据库与数据交换技术。如数据库管理、产品数据管理( p d m ) 、产品 数据交换接口标准( 如：图形交换规范、产品数据交换标准) 等； 5 文档处理技术。如文档制作、编辑及文字处理等； 6 软件设计技术。如界面设计、软件工具、软件工程规范等 i 2 4 刀具c a d 技术 刀具c a d 系统是针对刀具设计所开发的专用c a d 系统。一个功能完备的刀 具c a d 系统应该为刀具的设计提供一套包括方案构思、几何建模、分析计算、 结构设计和图形绘制等面向整个设计过程的分析和图形显示工具、同时应该具 有用户熟悉的人机交流界面和支持网络协同设计。有效的协助设计人员更加现 有的设计经验和成熟的设计技巧优质、高效的完成刀具设计工作。 刀具c a d 技术是随着计算机技术，尤其c a d 的相关技术的发展而发展的。 在2 0 世纪5 0 年代，美国的b a r b e rc o l m a n 和f e l l o w s 等公司，就已经应用计 算机进行齿轮刀具齿形的设计计算，有效地提高了齿轮刀具的设计速度和设计 精度。2 0 世纪7 0 年代，由于计算机技术的飞速发展和刀具产品市场的激烈竞 争，刀具c a d 技术开始得到广泛的应用并逐渐成熟起来。2 0 世纪8 0 年代，刀 具c a d 技术进一步发展并开始与其他计算机辅助集成，成为计算机集成生产系 统的计算基础“0 1 “”，大大推动了刀具设计和生产水平的提高。 6 第一章绪论 1 3 国内外的发展状况 131c a d 的发展状况 c a d 技术产生于2 0 世纪世纪5 0 年代后期。c a d 技术的发展与工业实际应 用和需求密切相关，随着实际应用的需要，一些计算机应用的新技术和一些新的 算法在c a d 中不断出现和发展，主要表现在：建模技术的研究和发展；数据管 理技术的研究和发展；标准化技术的研究和发展、设计概念上的研究和发展四 个个方面。 1 3 1 1c a d 建模技术的研究和发展 建模技术是c a d 的核心技术，建模技术的研究、发展和应用，就代表了c a d 技术的研究、发展和应用。从2 0 世纪5 0 年代至今建模技术的发展经历了二维 建模、三维几何建模( 包括线框建模、曲面建模、实体建模) 、特征建模( 包 括参数化和变量化建模) 及产品集成建模的发展过程。 特征建模是c a d 建模方法的一个新发展。特征建模是着眼于更好地表达产 品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征包含了 产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差 要求等。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理 解和组织生产。 产品集成建模是面向产品生命周期的关系型产品模型的概念。这一概念的 提出，较好地解决了信息在设计、制造、检验和装配等环节的共享问题，完整 地描述了产品在概念设计装配设计零件设计全过程中的各种属性和相 互关系，实现了产品生命周期中的内部描述信息( 如产品设计、计划、加工、 检验等信息) 和外部过程信息( 如内部描述信息所依赖的环境、知识和规则等) 的集成。这种产品集成建模技术仍在研究中 1 2 1 f 1 3 1 。 1 3 1 2 数据管理技术的研究和发展 c a d 技术的研究和应用中，数据管理技术是其又一重要的技术，特别是在 c a d 集成系统中更为重要。数据管理的研究开发经历了文件管理、数据库管理 和产品数据管理( p d m ) 三个阶段。在2 0 世纪7 0 年代之前，主要靠文件系统对 7 四川大学硕士论文 数据进行管理；到 9 6 8 年美国i b m 公司研制了第一代数据库管理系统层次 型数据库管理系统i m s ；1 9 6 9 年美国的数据库研究小组c o d a s y l 发表了d b t g 报告，建立了第二代数据库管理系统网状数据库管理系统。到2 0 世纪7 0 年代，第三代数据库技术的研究和开发集中在关系型数据库技术上，2 0 世纪7 0 年代末2 0 世纪8 0 年代初，出现了商品化的关系型数据库管理系统，目前仍很 流行。2 0 世纪8 0 年代后期，开始了第四代数据库技术的研究，即工程数据库 和面向对象数据库的研究和开发。 尽管在数据管理方面作了大量的工作，但仍然满足不了企业对数据管理的 实际要求。到2 0 世纪8 0 年代后期，在企业计算机制造环境中数据管理及设计 过程自动化的需求的驱动下，人们开始寻求一种崭新的产品数据管理技术，它 能够提供一个产品开发的协作环境，在该环境下，能够实现过程控制下的信息 传递并实现数据的有序管理，即产品数据管理( p d m ) 系统。p d m 系统一出现， 就成为企业关注和应用的热点，近几年来，p d m 技术在国外已取得了突飞猛进 的发展“”n 5 1 。目前，p d m 技术在网络上的应用、c a d 系统集成、m r p e r p 的集 成方面进行研究开发。 1 3 1 3 标准化技术的研究和发展 由于c a d 技术的发展和广泛的应用，数据交换的格式和标准化技术也发展 起来，并且越来越重要。在c a d 领域出现了图形级的标准、图形交换级的标准、 产品级的数据表达和交换标准等“”。 图形级最早的标准有p b i g s 、g k s ，它们是i s o i e c 推出的图形信息系统标 准。目前还有一些其它的三维图形支持标准，如p e x 和o p e ng l 等也很受重视。 i g e s 是国际上最早、最成熟的数据交换标准，它主要是用于不同的c a d 系 统之问进行数据交换的标准。从1 9 8 0 年到1 9 9 2 年已先后发布了五个版本。i g e s 目前还在广泛应用，其目的只是传输几何图形及相应的尺寸标准、说明等，即 只是传输工程图。无法描述工业环境所需要的产品定义数据的全部信息。 2 0 世纪9 0 年代初，i s o 公布了产品数据表达与交换标准s t e p 。s t e p 是一 个系列的国际标准，它提供了必要的机制和定义，使得产品的数据表达能够在 不同的计算机系统及与产品定义和制造有关的环境中进行通信。它可用于产品 数据的传输、共享和存档。s t e p 标准是目前c a d 领域中最完整的标准，该系列 r 第一章绪论 标准还未全部完成，已公布了一部分。 1 3 1 4 设计概念上的研究和发展 由于先进制造技术对c a d 技术的影响，以及当前c a d 技术的发展，c a d 技 术正由传统c a d 技术向现代c a d 技术转变。现代c a d 技术的概念可以表述为， 在复杂的打系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法，设计环境、 设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化，网络化和智能化， 达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的“1 。 13 2 刀具c a d 的发展状况 金属切削刀具是先进制造技术的关键和基础。面对日益激烈的全球化市场 竞争，各国都竞相在刀具工业采用最新的技术，从刀具材料、刀具加工方法和 刀具设计技术。尤其是刀具设计上采用先进的刀具c a d 技术，不仅大大改善了 刀具设计的质量、还大大缩短了设计周期，具有很高的经济效益。同时也促进 了刀具c a d 技术的不断的发展。我个人认为刀具c a d 当前发展的趋势主要有以 下三方面： 1 3 1 1 刀具智能c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ，i c a d ) 系统 设计一般包括两类工作：一类为数值计算，包括计算、分析、绘图等，主 要依靠建立设计对象的数学模型并进行数值处理：另一类为符号推理，包括方 案设计、评价、决策、结构设计等，它们属于创造性活动，必须依靠思考于推 理。传统的c a d 技术都以数值计算为基础，处理第二类工作很困难。因此，引 入人工智能原理和方法，采用专家系统技术，将c a d 发展为i c a d 技术，以适应 创造性设计的要求。 i c a d 是一种由多个智能体( 或称专家系统) 与多种c a d 功能模块有机集成 的支持产品设计的复杂系统“”“”。它主要解决以下三个基本问题： 1 设计知识模型的表示和建模方法； 2 知识利用； 3i c a d 的体系结构。 智能c a d 系统的出现对c a d 技术的发展显得尤为重要了，因为它体现了人 9 四川大学硕士论文 的思维方法，更加贴近实际的设计。但是目前设计领域的智能c a d 系统并不多 见。 刀具智能c a d 系统主要实现几个功能：( 1 ) 刀具设计；( 2 ) 刀具设计专家 经验知识管理；( 3 ) 友善的界面和其他的辅助管理功能。专家系统是刀具智能 c a d 系统的核心，它包涵了刀具行业的专家们的先进经验，结合了刀具标准资 料，使刀具设计具有专家水平。基于这个原因，刀具智能c a d 系统是刀具c a d 技术的一个重要方向。 1 3 2 2 刀具c a d c a m c a p p 集成技术 刀具c a d c a m c a p p 的集成系统【1 7 1 在国外的主要刀具厂普遍采用。如 何把刀具制造中的c a d c a m c a p p 技术集成起来，真正发挥c a x 技术在刀具制造 系统中的作用是刀具c a d c a m c a p p 的系统集成需要解决的问题。刀具 c a d c a m c a p p 完成系统集成后，操作者只需要输入刀具图号，数控加工机床即 可自动从中心计算机提取机床调整参数和相应工艺数据，实现自动加工，利用 先进的c a j ( 信息技术，使刀具的加工和测量融为一体，构成了一个刀具的闭环 制造系统，p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改 变了机械c a d c a e c a m 的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械 c a d c a e c a m 领域的新标准，实现从设计至生产全过程集成到一起，让所有的 用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。 1 3 2 3 刀具c a d 系统之间的网络协同设计 当今计算机网络技术和产业发展迅速，网络系统日新月异。网络不紧紧是 把人们之间距离缩短了，还实现了资源的共享。 协同设计c s c w ( c o m p u t e rs u r p p o r t e dc o o p e r a tj v ew o r k ) 1 和异地设计 技术正成为研究的热点，并逐步改变企业技术和组织管理模式。传统的c a d 系 统的局限性得到有效改善，信息共享方便快捷。采用这种设计理论能够综合多 个人的经验，实现人与人之间的信息和经验的交流，提高设计的质量和速度。 因此，支持网络环境下的刀具c a d 系统具有高效率、高质量和高效益的特点。 具有巨大的市场前景。 1 0 第一章绪论 1 4 研究的必要性 产品c a d 技术是产品设计的一个重要的发展方向，它对于提高产品的质量 和效率、有着重要的意义。刀具c a d 的研究与开发对刀具产业主要有如下几个 方面的重要意义： 1 缩短刀具产品的设计周期： 2 提高刀具产品的设计质量； 3 通过刀具c a d c a m c a p p 集成大大缩短了产品问世的时间； 4 为制造业的自动化提供技术上的支持。 因此，刀具c a d 系统的研究与开发有助于提高企业的市场竞争力，使之在 激烈的市场竞争中立于不败之地。 1 5 剃前插齿刀c a d 系统的配置要求 1 5 1 硬件配置 计算机：c p u 采用p i i i 或c i i 以上，内存1 2 8 m 以上，硬盘2 0 g b 以上的 p c 机。打印机：h p l o l o 激光打印机等。 15 2 软件配置 操作系统：w i n d o w s 2 0 0 0 。 开发工具：v i s u a lc + + 6 0 、o b j e c t a r xf o ra u t o c a d2 0 0 2 。 支撑软件：a u t o c a d2 0 0 2 、s q l2 0 0 0 1 6 本章小结 本章从先进制造技术对c a d 的影响、先进设计方法在c a d 中的应用以及剃 前插齿刀设计理论和方法的复杂性几个方面论述了开发一个实用、高效、正确 的剃前插齿刀c a d 系统的必要性和迫切性，并且分析了相关的c a d 技术的发展 现状和发展趋势。 四川大学硕士论文 第二章剃前插齿刀设计理论 在各种机械中应用最广泛的齿轮机构是圆柱齿轮，它用来传递空问平行轴 问的运动和动力。随着技术的发展对齿轮的加工精度要求越来越高，为了加工 出符合要求的齿轮，齿轮的加工方法也不断的改进。对于一些特殊齿轮，如汽 车、拖拉机变速箱中的双联卤轮的小齿轮，精度要求较高( 多为8 77d c ) 、 表面粗糙度要求较小，必须插一剃一珩工艺“1 。剃齿法为齿轮精加工方法之一， 常用于加工6 8 级精度齿轮，它比磨齿的生产率要高得多，所以剃齿法在大量 生产中被广泛应用。但是，由于剃齿对齿轮齿形误差的修正能力有限，因此备 用的剃前齿轮精度一般都不低于8 级，而剃前插齿刀的精度大都制成a 级或b 级。而且剃前齿轮的留剃余量和留剃余量形式都有一定的要求。 2 i 留剃余量及留剃形式的选择 2 1 1 留剃余量选择 剃齿是齿形的精加工方法，所以剃齿余量应适当，其选择原则如下： ( 1 ) 剃齿余量应尽量取得小，过分大了会引起剃齿刀容易磨损，使用寿命 缩短；齿轮在剃后表面质量低劣。 ( 2 ) 必须保证能将剃前齿轮上的各项误差修正到所要求的数值，因此加工 余量不能取得太小。 在正常情况下，剃齿加工余量可根据表2 1 选取。在实际的生产中根据剃 前齿轮的加工工艺和齿轮的齿数，可以根据表2 一l 适当增大或减小。 表2 - 1 齿轮分度圆上的齿厚留剃余i t 2 2 1( 毫米) 模数 1 1 7 52 2 7 53 55 5 66 ，5 8 齿厚留剃余量d o 0 8 0 1 00 1 20 1 5 o1 8 2 1 2 留剃形式的选择 为了使剃齿工序能够得到预期的效果，对剃前齿轮齿形提出如下要求：( 1 ) 1 2 第二章剃前插齿刀设计理论 必须在齿轮齿形上留有一定的剃削余量；( 2 ) 在保证齿轮有效齿形高度的基础 上，应将齿根部分作出少量的沉割，以避免在剃齿时剃齿刀的齿顶角处参加工 作，否则将会影响剃齿精度以及剃齿刀的寿命：( 3 ) 在齿轮齿顶处作出小的到 棱，也避免剃齿后该处残留毛刺”1 。为了满足这些要求，设计留剃余量形式通 常有一下两种： ( a ) 剃前齿轮齿形在齿根处有少量沉切，使剃齿时剃齿刀能自由出来，改 善了剃齿刀的工作条件。这种留剃形式要求剃前插齿刀齿顶处设计有凸角，如 图2 一l ( a ) 所示。 ( b ) 剃前齿轮齿形在齿根处少量沉切，改善剃齿刀齿顶处工作条件；齿轮 齿顶处有少量顶切( 倒角) ，使剃齿后齿轮齿顶处没有毛刺；留剃量是沿齿轮齿 面均匀分布，剃前齿轮精度易于检查，容易保证齿轮的精度，如图2 1 ( b ) 所示。 这是较好的留剃余量形式，生产中用得较多。 瘁黼羚 ( a )( b ) 图2 - 1 留剃余量的形式及其相应的剃前插齿刀的齿彩 2 2 剃前插齿刀设计原始参数 剃前插齿刀设计原始参数主要是被加工齿轮和与其啮合的共轭齿轮的参 数，被加工齿轮和与其啮合的共轭齿轮的参数如表2 2 所示。 1 3 四川大学硕士论文 表2 2 被加工齿轮参数及其共轭齿轮参数 己知参数 分圆 齿顶齿全顶圆分圆根圆分圆 中心 名称 模数齿数 压力 高高直径直径育径齿厚距 角 被加工齿轮 z l a f h e l h 1 d e l d f ld 订s f l 参数符号 a 共轭齿轮参 z 2a fh e 2h 2 d e 2 d f 2d i 2s f 2 数符号 2 3 基本渐开线齿形的设计计算 对于基本渐开线齿形的设计我们可以按照一般插齿刀的设计方法设计，在 这里我们采用插齿刀最小曲率半径p 。取定值的设计方法。这种设计方法，从 保证被加工齿轮齿形的有效啮合部分为出发点，首先选定旧插齿刀的p ：。值， 然后再确定新插齿刀的参数。这样，不但保证了被插齿轮不会发生顶切，而且 保证了被加工齿轮副啮合时，不会产生过渡曲线干涉，因此，减少了插齿刀设 计过程中的一部分验算“，。 2 3 1 被加工齿轮辅助参数 l 中心距彳 若4 = ! 生 堕为标准中心距：若爿! 生；量为非标准中心距，此时啮 合角按下式计算： ：!芷生(2-