（机械电子工程专业论文）激光淬火热处理cad系统研究.pdf

， f7， 青岛科技大学研究生学位论文 激光淬火热处理c a d 系统研究 摘要 激光淬火技术是一项高新技术，因其与传统淬火技术相比具有加工精度高、 加工变形小、加工柔性好、无污染、噪音小等优点，使其在轮船、汽车等许多工 业生产部门得到广泛应用。通过对激光淬火知识的理论研究得知，工件获得均匀 硬化层需要满足三个基本条件：( 1 ) 离焦量需始终保持不变；( 2 ) 激光束需始终沿 轮廓面的法线方向入射；( 3 ) 激光光斑在工件表面的相对扫描速度保持恒定。 鉴于当前的数控系统均是针对数控机械零件加工进行设计的，难以满足激光 淬火的基本要求。根据激光淬火工件的加工需要，解决当前复杂轮廓零件的淬火 问题，开发出一个面向激光淬火技术的c f f 岫删系统很有必要。 由于这个系统是一个非常庞大的系统，本文只是针对激光c a d 肥a m 系统中 的c a d 系统的关键技术进行了研究，如系统的总体设计，图元的表示与绘制，非 圆曲线的生成算法，分析了系统采用的数据结构，讨论了图元选取、编辑的原理 和方法，讨论了d x f 文件的数据接口技术，介绍了激光加工纹路的设计方法。基 于此，设计了友好的人机交互界面，同时，为了加快绘图速度，提高效率，引入 了参数化设计的思想，分析了参数化设计中的关键技术即几何约束问题。 本系统基于模块化的设计思想，采用面向对象的程序设计方法，以d e l p h i 7 为开发工具，同时利用该开发工具的类库，在w m d o w s x p 环境下研发完成。系统 的图形生成、编辑和等分模块基本满足了图形的设计需要，开发的可供用户选择 使用的参数化图库方便可靠，选中图库的例图，输入相关参数，得到期望的图形。 c a d 系统中所绘制的二维图形可作为后续的c a m 系统加工仿真的对象，图形 绘制的好坏直接关系到加工的质量及精度。本系统为c a m 系统加工打好了基础。 该系统界面友好，具有一定的实用性，操作方式简单易行，可降低企业对员工的 培训时间及成本。 关键词：激光淬火c a d 系统d e l p h i 7 图元数据存储结构 激光淬火热处理c a d 系统研究 青岛科技大学研究生学位论文 r e s e a r c ho fc a ds y s t e mf o r l a s e rq u e n c h i n g l a s e rq u e n c h i n gt e c h n o l o g yi sah i 曲a n dn e wt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lm e t h o d so fq u e n c h i n g ，i th a sal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hp r e c i s i o n ， s m a l ld e f o r m a t i o n ，n op o l l u t i o n ，l i t t l en o i s e ，s oi ti sa p p l i e dt os t e a m b o a t , a u t o m o t i v e ， l o t so fp r o d u c t i o nd e p a r t m e n t t h r o u g ht h et h e o r yr e s e a r c ha b o u tl a s e rq u e n c h i n g ，t o g e tt h eu n i f o r mh a r d e n e dl a y e r , t h r e ec o n d i t i o n ss h o u l db es a t i s f i e d t h et h r e e c o n d i t i o n sa sf o l l o w s ：f i r s t ，t h ed e f o c u sc a p a c i t ys h o u l db e k e p tn o tc h a n g e a b l e ； s e c o n d ，t h el a s e rb e a ms h o u l di n c i d e n c ea l o n gt h en o r m a lo ft h es u r f a c eo ft h e w o r k p i e c e ；l a s t , t h es c a n n i n gv e l o c i t yo ft h el a s e rs p o to nt h es u r f a c eo ft h ew o r k p i e c e i ss u p p o s e dt ok e e pi n v a r i a b l e n e s s t h ec u r r e n tn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e df o rt h en u m e r i c a lc o n t r o l p r o c e s so fm a c h i n ec o m p o n e n t s ，s oi t sn o ts a t i s f i e df o rt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fl a s e r q u e n c h i n g a c c o r d i n gt ot h em a c h i n i n gd e m a n do fl a s e rq u e n c h i n g ，t os o l v et h el a s e r q u e n c h i n go fp a r t sw i t hc o m p l i c a t e dc o n t o u r , i t sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h ec a d c a m s y s t e mf o rl a s e rq u e n c h i n gt e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi sah u g es y s t e m ，s ot h ek e yt e c h n o l o g i e so fc a ds y s t e mf o rl a s e r c a d c a ms y s t e ma l er e s e a r c h e d d i s c u s st h et o t a ld e s i g no fs y s t e m ，t h ew a yo f e x p r e s sa n dd r a w i n go fg r a p h i c i l l u s t r a t et h ea l g o r i t h mo ft h ec u r v e a n a l y z et h ed a t a s t r u c t u r et h a tt h es y s t e ma d o p t s d e b a t et h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o do fg r a p h i c s e l e c t i o na n dc o m p i l i n g d i s c u s st h ei n t e r f a c et e c h n o l o g yo fd x f i n t r o d u c et h e d e s i g nm e t h o do ft h eg r a i no fl a s e rp r o c e s s i n g o nt h eb a s i so ft h e s e ，t h ef r i e n d l y m 激光淬火热处理c a d 系统研究 h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ei sd e s i g n e d a tt h es a n l et i m e ，t oa c c e l e r a t e t h ed r a w i n g s p e e da n de f f i c i e n c y , t h e i d e ao fp a r a m e t r i cd e s i g ni si n t r o d u c e d ，a n dt h ek e y t e c h n o l o g yn a m e l yg e o m e t r yc o n s t r a i n ti sa n a l y z e d b a s e do nt h em o d u l ed e s i g ni d e a s ，t h r o u g ha d o p t i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n m e t h o d ，u s i n gt h ed e v e l o p m e n tt o o ld e l p h i 7a n dt h ef o u n d a t i o nc l a s s e s ，t h es y s t e mi s d e v e l o p e di nt h ew i n d o w s x p c o n d i t i o n t h em o d u l e so fg r a p h i c sd e s i g n ，e d i t ，e q u a l l y d i v i d ea r es a t i s f i e dt od e s i g nr e q u i r e m e n to fg r a p h i c s p a r a m e t r i cf i g u r es t o r a g es y s t e m t h a ti sc o n v e n i e n tf o ru s e rt os e l e c tt h eg r a p h i c si sd e v e l o p e d s e l e c t i n gt h ee x a m p l eo f f i g u r es t o r a g es y s t e m ，i n p u t t i n gt h er e l e v a n tp a r a m e t e r , g e tt h ee x p e c t e dg r a p h i c t h et w o d i m e n s i o n a lg r a p h i c sf o r m e db yt h ec a d s y s t e mi sr e g a r da st h et a r g e t s o ft h ec a m t h eq u a l i t yo ft h ed r a w i n gd i r e c t l yi n f l u e n c e st h eq u a l i t ya n dp r e c i s i o no f p r o c e s s t h i ss y s t e mm a k e sg o o df o u n d a t i o nf o rc a ms y s t e m t h es u r f a c eo f t h e s y s t e mi sf r i e n da n dh a sac e r t a i np r a c t i c a l i t y i t so p e r a t e de a s i l y a tt h es a m et i m e ，i t c a nr e d u c et h ec o s ta n dt h et i m eo ft h ee n t e r p r i s e so nt h et r a i n i n go fs t a f f k e yw 0rd s ：l a s e rq u e n c h i n gc a ds y s t e m d e l p h i 7g r a p h i c d a t as t o r a g es t r u c t u r e i v 青岛科技人学研究生学位论文 目录 l 综述1 1 1 弓i 言1 1 2 激光淬火加工技术简介1 1 2 1 激光淬火加工技术的特点及应用范围1 1 2 2 激光加工技术的发展趋势2 1 2 3 激光淬火的国内外研究现状3 1 3 国内外c a d 技术的现状及发展趋势4 1 3 1c a d 技术的现状5 1 3 2c a d 技术的发展趋势6 1 4 课题研究的主要工作8 1 4 1 本课题背景8 1 4 2 本课题研究对象、目的及意义9 1 4 3 本课题研究的内容1 0 1 5 本章小结11 2 激光淬火技术研究12 2 1 激光淬火的装置简介12 2 2 激光淬火的工艺参数13 2 3 激光淬火的工艺方法14 2 3 1 淬火扫描方法对比研究14 2 3 2 激光淬火的工艺参数控制及对淬火质量的影响15 2 4 激光淬火对数控机床的要求1 8 2 4 1 实现均匀硬化的要求18 2 4 2 实现均匀硬化的措施2 0 2 5 本章小结。2 1 3c a d 系统结构及操作界面2 2 3 - 1 系统的需求分析和功能描述2 2 3 2 系统总体设计。2 3 3 2 1 系统设计的基本原则。2 3 3 2 2 系统运行环境及编程语言2 3 v 激光淬火热处理c a d 系统研究 3 2 3 系统总体结构设计2 5 3 2 4 系统数据结构设计2 7 3 3 系统界面设计及功能模块简介2 9 3 3 1 界面设计原则2 9 3 3 2 整体界面3 0 3 3 3 其他输入界面3 1 3 3 4 功能模块简介3 2 3 4 本章小结。3 3 4c a d 系统模块的开发3 4 4 1 图元表示及绘制3 4 4 1 1 图元表示3 4 4 1 2 图元绘制3 4 4 2 系统的数据存储结构4 2 4 2 1 概j l 盎4 2 4 2 2 本系统采用的数据存储结构4 4 4 3 图元选取及编辑一4 5 4 3 1 图元的选取。4 6 4 3 2 图元的编辑。4 9 4 4 图元的其他操作5 4 4 4 1 图元的等分。5 4 4 4 2 特征点的捕捉5 5 4 5d x f 文件的保存输出。5 5 4 5 1d x f 文件的说明5 5 4 5 2d x f 文件的调用5 7 4 6 本章小结。5 9 5 二维参数化图库6 0 5 1 参数化设计6 0 5 1 1 传统c a d 绘图技术的不足6 0 5 1 2 参数化设计简介6 0 5 1 3 参数化设计的基本原理。6 1 5 1 4 参数化设计的基本思想6 2 5 1 - 5 几何约束、过约束和欠约束6 4 青岛科技大学研究生学位论文 5 2 参数化图库的建立6 6 5 2 1 图形参数的确定6 7 5 - 2 2 输入模块的设计6 7 5 2 3 几何约束的分析6 8 5 2 4 参数化图库设计7 1 5 2 5 参数化图库的优点7 3 5 3 系统绘图实例一7 4 5 4 本章小结7 4 总结与展望7 5 全文总结7 5 工作展望7 6 参考文献7 7 致谢8 1 攻读学位期间发表的学位论文目录8 2 独创性声明8 3 v 激光淬火热处理c a d 系统研究 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 引言 1 综述 热处理是将固态金属( 包括纯金属和合金) 在一定的介质中，通过特定的加 热、保温和冷却方法，使之获得需要的组织，从而获得工程技术上所需性能的工 艺过程的总称，是零件生产中不可缺少的工序，具有悠久的历史。随着科学技术 的不断进步和生产发展的功能需求，作为传统加工制造业的热处理正面临着新的 挑战，发展先进的热处理技术己成为时代的要求。 1 2 激光淬火加工技术简介 自2 0 世纪6 0 年代美国休斯公司梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以 来，由于激光具有的独特性能，使其在机械、电子、汽车、航空航天、钢铁、造 船、军工等行业获得较为广泛的应用，而且对其的应用研究也受到了世界各国科 研工作者的普遍关注【1 1 。尤其是各工业发达国家给予了大量的人力、物力和资金 的投入，并取得了突出的成就。以激光为热源的激光加工技术也随之兴起，其主 要包括：激光熔覆、激光相变硬化、激光切割、激光焊接、打孔和激光快速成型 等。目前以激光淬火为核心的零件修复、加工、强化、制造技术发展较为迅速， 成为激光加工技术研究的热点。 1 2 1 激光淬火加工技术的特点及应用范围 激光淬火技术是近年来迅速发展起来的一项高新技术，它利用高能量的激光 束快速扫描工件，光束能量被表面极薄的一层小区域快速吸收而使温度急剧升 高，然后移开激光束，在瞬间实现自冷淬火，使激光加热形成高温奥氏体转变成 马氏体，实现激光相变硬化。激光淬火由于加热速度快，易使金属表面过热，并 且冷却速度也快，碳来不及扩散因而使残留奥氏体增加。随着奥氏体向马氏体的 转变，得到高碳马氏体，从而提高了淬火硬度。 激光淬火技术与普通淬火方法相比，激光淬火热处理技术有如下优点【2 】： ( 1 ) 可获得质量优良的高精度硬化层。硬度比常规淬火提高1 5 蝴，铸铁经 淬火后耐磨性可提高弭倍，并且淬火深度可以精确控制。 ( 2 ) 仅在工件的关键部位作局部的、薄的表层加热，输入工件的热量少，节 能效果好。 激光淬火热处理c a d 系统研究 ( 3 ) 热处理变形小，无机械变形，适合于高精度零件处理，可作为材料和零 件的最后处理工序。这是由于激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短， 故零件的热变形区和整体的变化小。对于长形工件、薄壁工件而言，此优点尤为 突出。 ( 4 ) 由于光束照射工件，属于无接触加热，又是自冷淬火，所以此技术是洁 净的热处理。 ( 5 ) 加工柔性好，适用面广。可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理 部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等难加工区域和空间非常小的 局部区域。 ( 6 ) 没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小，污染小，无公害处理方式， 劳动条件好。 ( 7 ) 工艺周期短，生产效率高，成本低，整个工艺过程可以采用计算机进行 控制，自动化程度高，可纳入生产流水线，易于批量生产。 以上特点都是常规热处理工艺望尘莫及的，同时也是其他先进热处理工艺难 以达到的，但这并不意味着激光表面淬火可以全部取代其他的表面热处理技术。 作为表面局部硬化处理，激光硬化处理具有其独特的优点，可适用于其他硬化技 术所不能完成或难于实现的某些零件及其局部部位的表面硬化处理。 由于激光淬火技术的优越性，激光淬火技术广泛应用于汽车、机车、机床、 模具及其配件、道具、军工等许多工业部门。用以提高产品的硬度、耐磨性、耐 腐蚀性以及其它机械性能，大大提高了产品的质量，成倍地延长了产品的使用寿 命同时降低了成本，取得了巨大的经济效益。 1 2 2 激光加工技术的发展趋势 激光加工技术正向着数控化和综合化、小型化和集成化、高频度和高可靠性、 短波长和高精度方向发展【3 卅。 ( 1 ) 数控化和综合化 把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定 位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。目 前，已经研发出了激光加工系统，而整个关键的部分就是激光器和控制器。 ( 2 ) 小型化和集成化 可进行几种工艺研制和生产加工的激光加工系统，已成为激光加工的另一发 展趋势。国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，研制出 激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效性，可完成零件的 打孔、打标、划线和切割等功能。 2 青岛科技大学研究生学位论文 ( 3 ) 高频度和高可靠性。 激光加工系统的可靠性是实现稳定加工的关键技术和前提条件。目前，国外 y a g 激光器的重复频度已达2 0 0 0 次s ，二极管阵列泵浦的n d ：y a g 激光器的平 均维修时间已从原来的几百小时提高到1 2 万小时。 ( 铆短波长和高精度 波长短是实现高精度加工的前提。目前，国外发达国家激光加工的成熟技术 是0 1 3 u m ，而同本有波长为9 0 r i m 的激光报道，美国摩托罗拉公司有波长为3 0 n m 的激光报道。 随着激光加工技术的不断发展和成熟，激光加工新技术以及应用新领域有待 进一步的研究和开发，例如，无粒子数反转激光机制、激光选择化学反应、光计 算机、激光电视等。 目前，我国激光加工技术虽然得到了飞速的发展，但从总体来说还处于相对 落后的水平。激光器质量、激光加工工艺、导光系统以及高速传动和精密定位系 统等方面的技术不够先进，是制约我国激光加工技术发展的关键难题晦1 。 为了更快更好地发展我国的激光加工技术，使之迅速赶上世界先进水平，应 当制订长远的战略发展目标，把制约激光加工技术发展的关键难题作为科学研究 的主攻方向，同时进行具有规模效益的产业化发展，还要具有良好的政策和外部 环境。一些发达国家的经验和做法，也是可以借鉴的。比如，日本对激光加工技 术的研究开发，是建立工业界、大学和政府联合开发体制，在重要领域由国家选 定目标，集中国家、企业界和高等学府的优势，共同研究开发激光加工技术睁 。 美国和欧洲发达国家政府都专门拨款用于研究开发激光加工技术，许多实力雄厚 的跨国公司，也竞相投资开展激光加工技术研究，以提高其产品的市场竞争力哺3 。 如果可以在技术上获得优先，在产品上重视产业化及规模化生产技术的研 究，强化工艺技术，规范化生产，注重质量及可靠性，大力提升激光加工技术的 竞争水平，不断创新，那么我国激光加工技术必将在新环境和新技术中获得成功， 并在激光加工技术领域取得突飞猛进的进步和发展。 1 2 3 激光淬火的国内外研究现状 早在7 0 年代美国通用汽车公司s a 酉n a w i 厂就已将激光淬火加工方法应用于 工业生产【9 】。随着激光淬火技术的发展和广泛应用，目前的激光淬火加工方法， 已广泛应用于汽车、制造、重型机械、冶金等许多工业部门。 在诸多的工业部门中，尤以汽车制造业的使用较为普遍，创造的收益较大。 激光淬火可处理汽车的转向器、发动机缸体内壁、曲轴等，通过处理可使金属零 件表面的机械与力学综合性能得到改善，零件的表面强度、耐磨性和耐腐蚀性得 3 激光淬火热处理c a d 系统研究 以提高，零件的使用寿命得以延长。美国通用汽车公司自1 9 7 4 年首次将c 0 2 激 光器用于激光淬火以来，先后建立了1 7 条激光热处理生产线，每日可处理零件3 万件。该公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激光处理出五条耐磨带，克服 了磨损问题，且基本无变形【1 叭1 1 。国内的一些单位也将激光淬火应用于汽车行业， 例如西安内燃机配件厂在“七五 、“八五 期间与华中理工大学合作建成6 条缸 套热处理生产线，耐磨性比各种合金铸铁缸套及中频淬火缸套提高4 2 ，与之相 配活塞耐磨性提高3 0 以上【1 2 1 。青岛中发激光加工中心采用了m 3 千瓦级横流 c 0 2 激光器，对柴油机气缸进行表面淬火后，耐磨效果优良，经济效益显著。 近几年激光淬火在模具制造方面也发挥了它的优势。模具形状各异，制造精 度和材料性能要求高，工艺复杂，但我国缺少具有特殊性能要求的钢种，如耐高 温材料的。况且由于我国加工条件的限制，一些要求高硬度的模具只能精加工到 一定的尺寸后再进行淬火、回火处理，对大型、精密复杂的模具，控制热处理变 形及防止开裂的问题也很突出。对模具进行激光淬火热处理，不受模具形状以及 尺寸的限制，加工变形小，灵活可控，能显著改善模具的耐磨性能，提高表面硬 度和使用寿命，对生产实践有极大的实用价值【1 3 以6 】。我国天津渤海无线电厂采用 美国8 2 0 型1 5 k w 横流c 0 2 激光器对硅钢片模具进行表面淬火，大大提高了耐磨 性，使用寿命提高了1 0 倍旧。 激光淬火技术的推广应用所带来的经济效益十分可观，在应用中将有巨大的 潜力。但是，由于激光淬火处理的过程十分复杂，激光与金属材料相互作用的机 理还不完全清楚，不同材料之间又有很大差异，从目前的状况来看，激光淬火处 理技术离大范围推广应用还有一定的差距，针对应用过程中的一些关键技术问题 展开研究，无疑对促进激光淬火的应用有重要的意义。 当前，激光淬火技术和数控技术逐步结合，形成了激光淬火系统。该系统包 括两部分：机床和编程。目i j 的加工机床只是普通机床，能够较为容易的加工一 些外形轮廓相对简单的轴类、盘类等工件。对于轮廓复杂的，如带有曲线弧的工 件，淬火处理起来较为麻烦。为了使工件获得较好的加工效果，不妨将淬火工件 用图形表示出来，然后对图形模拟仿真，生成激光头的运动轨迹，而后将运动轨 迹通过编译生成用于机床识别的n c 代码，再把n c 代码送入加工机床，进行实 体加工。这就需要对激光淬火系统进行c 筒删的集成。 1 3 国内外g a d 技术的现状及发展趋势 q 如脚是产品设计与制造过程中用计算机完成某些功能的技术，是随着科 学技术的发展应运而生的。c a d 是整个过程的基础，只有经过c a d 的绘图，才能 4 青岛科技大学研究生学位论文 完成c a m 的加工。本文就是研究整个过程的基础c f 岫系统。 1 3 1c a d 技术的现状 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，即计算机辅助设计，在生产加工过程中是一 种生产辅助工具，它将计算机高速而精确的运算功能，大容量存储和处理数据的 能力，丰富而灵活的图形、文字处理功能与设计者的创造性思维能力、综合分析 及逻辑判断能力结合起来，形成一个设计者思想与计算机处理能力紧密配合的系 统，大大加快了设计的进程，缩短了制造周期，同时提高了产品质量【1 8 】。c a d 技 术包括下列功能：几何建模、计算分析、绘图及技术文档生成、工程数据库的管 理与共享。计算机的更新换代及软件业的发展，推动着计算机辅助设计软件的不 断改进。c a d 技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展，在各行各业的 运用也越来越广泛【1 9 】。 从q 应用的软件角度出发，q 如系统就其结构而论经历了五个历程，分别 对应于五代c a d 系统。 ( 1 ) 单功能c a d 系统 工程和产品的设计往往分成若干个设计阶段，人们按照工程设计的各个阶段 分别提出了有关c a d 的课题，这些课题的研究工作都是独立开展的，各自建立能 够实际应用的系统，这就形成了各种独立的单功能c a d 系统。 ( 2 ) 基于文件的多功能q 岫系统 单功能c a d 系统虽能满足实际应用，但使用效率很低。而且会使数据的出错 率加大，数据的一致性和设计质量得不到保证。为此，人们将这些单功能系统连 在一起，构成一个统一的c a d 系统。 ( 3 ) 基于工程数据库技术的集成化c a d 系统 第二代多功能q 系统，虽然解决了数据反复抄写问题，但由于其结构是串 行结构，数据冗余度较大，因而使用起来仍不方便，并且数据一致性也难以保证， 再加上应用程序的功能不全，整个系统的使用效率仍然不高。而第三代c a d 系统 是一个以工程数据库为核心、具有层次结构的系统，使用效率可大大提高。 ( 4 ) 基于专家系统及人工神经网络的智能化集成系统 人工神经网络可概括定义为由大量简单元件广泛互连而成的复杂网络系统。 在c a d 系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专 家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智f l 邑c a d 新科学。 ( 5 ) 基于产品信息共享和分布计算的网络c a d 系统 计算机的网络化是计算机技术发展的一个大趋势，i n t e m e t 和i n t r a n e t 已经把全 世界各个角落连成一体。通过网络可以实现产品的国际化开发和生产，其前景是 5 激光淬火热处理c a d 系统研究 无法估量的。 基于以上情况，本文设计了一套基于d e l p h i 的激光淬火c a d 系统。该系统采 用面向对象技术，开发出了能适用于激光加工的c a d 系统。该系统的出现，可以 为激光淬火加工实现高精度、高效率、高度自动化和智能化，这具有重大的实用 价值和意义。 1 3 2c a d 技术的发展趋势 c a d 技术产生于上个世纪5 0 年代后期，是经过多年的计算机技术及外围设备 的发展而形成的- t o 新的技术【砌。目前c a d 技术已经广泛地应用在机械、电子、 航天、航空、汽车、船舶、轻工、纺织、建筑、g i s 、矿业等领域。8 0 年代初， 由于超大规模集成电路的发展，3 2 位微机和大容量存储芯片投入实际应用，出现 了超级小微机、工程工作站、超级微机和个人计算机，各种商业化的支撑软件， 如绘图软件、有限元分析软件、数据库管理软件等相继投入市场，带动了包括c a d 技术在内的大批新兴技术的快速发展。由于c a d 技术的迅速发展，现在已经形成 了一个以研究开发、生产制造、推广应用到销售服务的一整套的高新技术产业。 国# b c a d 技术发展的主要特点表现在【2 1 l ： ( 1 ) 基础软件商品化。国外的一些高新技术产业公司，在基础软件商品化方 面，做了大量的工作。例如，在图形系统方面，美国a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 图形软件包，已经发展到了2 0 0 9 版本，成为微机绘图的主要基础软件。此外，如 s d r c 公司的i - d e a s ，i b m 公司的c a d a m ，p r o e n g i n e e r 等都是在工程工作站上 应用的具有很强绘图功能的图形基础软件。除此之外，在有限元分析、优化设计、 数据库管理系统等方面，近年来，也相继推出了许多很实用的商品化软件。由于 这些商品化软件大量投入市场，极大地促进了c a d 技术在企业中的应用。 ( 2 ) 推广应用普通化。由于硬件技术和软件技术的不断发展和完善，持别是 商品化基础软件的不断推出，c a d 技术在国外企业中应用十分普遍。据统计，在 发达国家中，c a d 技术在制造企业中的应用，覆盖率高达7 0 以上，一些大中型 企业的产品设计，全部由计算机完成。例如，美国的通用汽车公司、日本的大限 公司、m a z a k 公司等，在c a d 技术的应用方面，均已达到了非常高的水平。 ( 3 ) 极力推进智能化、集成化。国外的c a d 技术发展很快，目前已经推出了 第三代c a d 软件产品。第三代c a d 软件产品以三维设计为基础，引入了人工智能 技术，并把所有的功能在单一的公共数据库下集成起来，在数据库的支持下工作， 实现了c a d 系统的真正集成。 国内c a d 技术的发展情况： 我国的c a d 技术起步于上世纪6 0 年代末，可以说与工业发达国家基本同步。 6 青岛科技大学研究生学位论文 在“六五 和“七五 期间，我国在c a d 技术的各个方面，开展了许多研究、开 发和推广应用工作，取得了巨大的成果，为生产力的发展注入了技术进步的因素， 起到了可喜的促进作用。“八五”期间，根据抓应用、促发展的方针，又重点进 行了c a d 技术的推广应用工作。根据2 0 0 4 年抽样调查的结果得知，机械电子行业 已经拥有q 系统1 6 0 7 6 套，航空航天工业系统约有9 0 以上配备了不同档次的计 算机，工程设计院9 0 以上的计算工作量、5 0 左右的方案设计、3 0 左右的绘 图工作量是通过c a d 软件来完成的【2 2 】。近几年来，我国在国产化c a d 软件的开发 方面，也取得了新的发展。这对进一步促进a 技术在我国企业中的应用起到了 很大的推进作用。尽管我国在c a d 技术的研究、开发和在企业中的推广应用等方 面，取得了很大的成绩，但是与工业发达国家相比，在应用和开发的广度和深度 上，还存在着较大的差距，主要表现在： ( 1 ) 我国自主版权的c a d 软件，其商品化程度低、可靠性较差、功能单一、 集成化程度低，难以进入市场。 ( 2 ) 国内c a d 技术的推广应用还很不普遍。据统计，在制造业领域，真正使 用c a d 技术辅助进行产品设计的，其覆盖率还不足5 。 ( 3 ) 虽然引进了不少的c a d 软件，但是其功能都没有被充分利用。而且c a d 软件的引进和应用，在行业之间和地区之问的发展也很不平衡。 总体来说，c a d 技术目前正向集成化、网络化、智能化方向发展。具体表现 有以下几个方面。 ( 1 ) 面向设计过程的智能化。设计人员希望c a d 系统在控制产品的设计过程、 应用工程设计知识、实现优化设计和智能设计的同时，也具有丰富的图形处理功 能，实现产品的“结构描述”与“图形描述”之间的转换。因此，在以几何模型 为主的现代通用c a d 技术基础上，发展面向设计过程的智能q 岫技术是一种必然 的趋判捌。 但) c a d 软件的模块化。随着信息技术的发展，c a d 技术面临数据传输、交 换和互用性的问题。作为一项以软件为主的技术，其标准化工作又不同于工业产 品的标准化。自从1 9 8 0 年i g e s 面世以来，为了共用不同的c a d 系统的产品设计信 息，技术开发人员一直在努力制订一种中性的数据转换，如s r i e p 标准。近年来， 围绕零件供应商和企业之间的信息集成和工程数据共享，针对开放性零件库的国 际标准i s 0 1 3 5 8 4 也在不断完善中，基于此标准的零件库资源已经部分实现了网络 化共享。 ( 3 ) 支持更广泛协作的c a d 网络化。当前迅速发展的互联网为软件的应用提 供了更大的平台和更多需要开发利用的资源。软件企业由于从业务到运作全方位 地受到互联网的影响，故而纷纷调整策略，以各种方式向互联网靠拢，以实现产 7 激光淬火热处理c a d 系统研究 品的网络化。其一方面表现为计算机支持的协同设计方面的技术研究，目的是支 持设计群体成员间交流设计思想、讨论设计结果、发现成员间接口的矛盾和冲突 并及时加以协调解决，减少以至避免设计的反复。另一方面是在基于网络协同完 成设计任务的同时，与制造、商务等的全面融合。企业用户可以通过企业网和互 联网应用体系，直接作用于企业内外各相关部门的业务流程，甚至可以直接与客 户的业务流程交互，这将根本性地提高数字化设计信息对企业价值链全程的增值 贡献。 ( 4 ) 虚拟产品开发与企业间的协同设计。对于一个应用c a d 技术的单位来讲， 随着c a d 技术及相关技术的发展成熟，需要从整体的角度来考虑这项技术的发 展。利用基于网络的c a d c a p p c a m p d m 集成技术，实现真证的全数字化设计 与制造。目前传统的零部件级的c a d g 钲i c l a m 已发展成面向企业、面向产品全 过程以及可视化的p d m 体系，旨在为用户提供一个企业级的协同工作的虚拟产品 开发环境。设计人员在设计产品对象的过程中，运用虚拟设计技术实现数据的可 视化表示和多维的信息交互，大大减少实物模型和样机的制造。为此虚拟产品开 发在产品概念设计、装配设计等方面的突出优势，使其成为c a d 技术发展的一种 重要趋势。 ( 5 ) 集成化的整体解决方案成为新要求。随着国民经济信息化整体水平的推 进和企业信息化基础设施建设的逐步完善，越来越多的企业在c a d 应用中面临的 问题就是需要集成化的整体解决方案。虽然c a d 技术的集成化特点多年来一直得 到广泛的重视，但信息技术发展决定了集成化的整体解决方案需要不断完善和调 整。从这个角度讲，c a d 技术集成化的发展趋势需更加重视。利用c a d c a e p d m 集成技术，企业将实现真正的全数字化设计，而利用c a m 技术，将实现数字化制 造。通过这些技术的集成，将由内而外地整合企业的管理，建立从企业的供应商 到企业内部技术、工艺、制造和管理部门，再到用户之间的信息集成，是c a d 技 术发展和应用的必然方向。 1 4 课题研究的主要工作 1 4 1 本课题背景 本课题来源于青岛中发激光技术有限公司。该公司具有多年的激光加工经 验，可以自己设计制造激光加工设备，像其它公司一样，该公司使用的控制机为 普通数控加工机床使用的控制机，该控制机满足数控加工的需要，但难以满足激 光淬火加工工艺要求，同时只能对平面或圆柱形类形状简单的零件进行淬火处 理，不能对较复杂的零件进行淬火处理，如齿轮，凸轮等。目前，公司需要对外 8 青岛科技人学研究生学位论文 形轮廓曲线复杂的凸轮和齿轮等做激光淬火热处理，需要设计制造新的数控淬火 机床，并设计新的满足淬火要求的数控编程软件。本项目就是在这样的背景下产 生的。 目前，工厂加工零件常用的淬火方法有感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火等， 这些传统的淬火工艺很难实现对复杂曲线轮廓零件的表面淬火强化处理，同时淬 火成本较高，热处理后得到的表面机械性能提高不大，效果不理想，导致性价比 低。因此，采用传统的淬火强化工艺处理，工件表面受热不均匀，淬火质量难以 保证。 由于激光技术和计算机技术的发展，新的淬火方法即激光淬火应运而生，可 以很好的解决淬火质量难以保证的问题。激光淬火的应用带来了加工设备的更 新，需要产生新的激光淬火设备，该设备实质是利用激光的时间和空间的可控性 及数控系统加工具备的高自动化、高精度、高效率的特性，将激光淬火系统和计 算机数控系统合为一体。激光淬火系统可分为机床本体和数控编程两部分。对于 简单和复杂的外形轮廓，其轨迹控制的要求是不同的。鉴于此，开发一个针对激 光淬火热处理的a 岫c f 蝴系统很有必要，而a 岫c f ! 狮系统是个庞大的集成系统， 开发较为复杂，因而本设计只开发该集成系统的基础部分，即激光淬火热处理 c a d 系统。 1 4 2 本课题研究对象、目的及意义 为了获得任意形状的工件轮廓，以获得自动生成的加工程序，本课题主要研 究基本图形的二维几何造型。基本图形由直线、圆、圆弧、曲线等构成，如何进 行图形绘制和编辑成为研究重点。此外，为了加快绘图速度，提高效率，设计参 数化图库也很有必要。 目前，国内外对自动编程技术研究较多的领域有：数控车、铣、切割等，并 开发出了适于这些领域的自动编程软件，而对激光淬火