（机械工程专业论文）特种机床的胎侧线形花纹加工的算法.pdf

摘要 摘要 随着现在企业生产的不断需求，对数控加工的要求也越来越高。本文依 托于国家“8 6 3 ”项目山东山大华天软件公司c a d c a m 系统开发子项目 的课题：s i n o v a t i o n 软件的四轴与五轴联动的c a m 系统，以满足基于 s i n o 盯i o n 软件加工轮胎侧板模具字体的路径规划而设计了一种算法，并 给出了线性字体及面域字体加工效果图。 本文在处理字的加工时，针对多行字的问题进行了规划处理，对于如何 区别字，字所在行的区分，以及字的加工顺序给出了算法。设计了在数控编 程中复杂轮廓环的等距环生成算法，讨论了环的等距，等距环的自交处理一 系列问题。另有一种在轮廓中插入零圆弧后通过等距和自交处理生成刀具轨 迹的自动编程算法，并讨论了特殊情况下的自动编程实现。然后在多岛屿加 工时给出了两种算法，进行比较，发现各有优缺点。最后根据加工时可能存 在的干涉进行了分析，分别对全局干涉和局部干涉提出了快速判定依据，并 对干涉点进行了修正。 最后在c a d c a m 系统中按照此算法进行编程，得到刀位轨迹规划，达 到需要加工的效果。 关键词：数控加工；刀位轨迹；算法； a b s t r a c t i u lllli ii l lii l li llu i y 2 0 4 2 0 8 8 a b s t r a c t w i t ht h ec u r r e n te n t e r p r i s ep r o d u c t i o nc o n t i n u e dd e m a n df o rc n c p r o c e s s i n g r e q u i r e m e n t s ，m o r ea n dm o r ei sa l s oh i g h t h i sp a p e rr e l y i n go ni nn a t i o n a l 8 6 3 ” p r o je c t -s h a n d o n gs h a n d o n g h u a t i a ns o f t w a r e c o m p a n y c a d c a ms y s t e m d e v e l o p m e n to fs u b p r o j e c ts i n o v a t i o np r o j e c t ：t h ef o u rs h a f t sa n ds o f t w a r eo f c a m s y s t e mf i v es h a f tl i n k a g e ，i no r d e rt os a t i s f ysi n o v a t i o ns o f t w a r ep r o c e s s i n g b a s e do nt h et y r e se n d p l a t e sm o u l df o n tp a t h p l a n n i n ga n dd e s i g n ak i n do f a r i t h m e t i c ，a n dg i v e st h el i n e a rd o m a i nf o n t sa n df o n tf a c ep r o c e s s i n gr e n d e r i n g s i nt h i sp a p e r , d e a l i n gw i t hw o r dp r o c e s s i n g ，m u l t i l i n ew o r df o ri s s u e sd e a l i n g w i t hp l a n n i n gf o rh o wt od i s t i n g u i s hw o r d s ，t h el i n eo fd i s t i n c t i o nb e t w e e nw o r da n d w o r dp r o c e s s i n gs e q u e n c ei sg i v e na l g o r i t h m c n cp r o g r a m m i n gd e s i g ni ni s o m e t r i c r i n gr i n gc o m p l e xc o n t o u rg e n e r a t i o na l g o r i t h m ，d i s c u s s e dt h ee q u i d i s t a n tr i n g ，r i n g e q u i d i s t a n ts e r i e so fs e l f - d e a l i n gw i t ht h ep r o b l e m a n o t h e rk i n do fi n s e r ti nt h e o u t l i n eo ft h e a r ca f t e rz e r o - o f f s e ta n ds e l f - d e a l i n gb yt h et o o lp a t hg e n e r a t i o n a u t o m a t i cp r o g r a m m i n ga l g o r i t h m ，a n dd i s c u s s e st h es p e c i a lc i r c u m s t a n c e so ft h e a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g a n dp r o c e s s i n gi nam u l t i i s l a n dg i v e st w oa l g o r i t h m sf o r c o m p a r i s o na n df o u n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s f i n a l l y , a c c o r d i n gt op r o c e s s i n g t h ep o s s i b l ei n t e r f e r e n c ew e r ea n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y , a n dl o c a li n t e r f e r e n c eo ng l o b a l i n t e r v e n t i o nm a d eaq u i c kd e c i s i o nb a s e do n ，a n dt h ei n t e r f e r e n c ep o i n th a sb e e n a m e n d e d f i n a l l yi nc a d c a ms y s t e ma c c o r d i n gt ot h i sa l g o r i t h mw a sp r o g r a m m i n g ，g e t t o o l p o s i t i o nt r a j e c t o r yp l a n n i n g ，a c h i e v et h ee f f e c to f n e e dp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：n cm a c h i n i n g ；t o o l p o s i t i o nt r a j e c t o r y ；a l g o r i t h m ：s e l f i n g i l 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题的历史背景 2 0 世纪4 0 年代，数控加工技术的引入为制造业的发展和繁荣开启了新的动 力源。随着计算机技术，信息技术和数控技术的协同发展和综合、大批软件系 统的开发与应用，使数控加工技术能更好的为制造业服务。由于国际市场的竞 争日趋激烈，工业发达国家纷纷投入巨资发展数控加工技术，并取得了丰硕的 研究成果，如现在应用广泛的c a d c a m 软件m a s t 昏c a m 、p r o e 、 u g n x 4 o 等应运而生。我国数控加工技术方面的研究工作自“七五”以来取得了 一大批研究成果。目前，主要在曲面造型、刀位规划、刀位仿真、干涉检查等 方面取得了较大的成果，自主开发的一些软件系统也在市场中发挥了重要的作 用，然而与发达国家成熟的软件系统相比，在技术上还存在很大的差距。因此， 研究数控技术的核心算法，开发具有市场竞争力的c a m 软件成为当前我国数控 加工技术研究的丰要方向。 软件的生存能力和发展前景取决于其技术优势和适用范围通用性，然 而要想在鳞次栉比的传统强势国外软件中得到发展，必须先发展技术成熟的应 用于特定加工的软件，然后再逐步改善技术，扩大其通用性。 数控加工的核心技术主要有：刀位轨迹规划算法、干涉处理算法、刀位仿 真和后置处理。尽管目前各核心技术的研究取得了很大的成果并应用良好但也 存在一定的问题。如现行c a m 系统刀轨生成方法的主要问题有： c a m 技术的产品体系只能从c a d 系统得到低级别的几何信息，不能自动 捕捉产品信息和产品层面的几何特征和语义信息。 c a m 系统生成的刀具路径，相同的几何结构也包含只有低级别的信息( 线 性和圆形的几何位置信息) ，以及小量过程控制信息( 如迸给速度，主轴转速， 换刀等) 。因此，上游和下游的数控系统不能得到更多的高层次的设计要求( 如 公差，表面光洁度等) ，不能与生成的刀具路径工艺有关参数。 c a m 是一个比较独立的系统。在c a d 和c a m 这两个系统之间，没有统一 的产品数据模型，即使在集成化c a d c a m 系统中，信息共享只是单向的和单 一。c a m 系统不能充分理解和使用c a d 系统，特别是与同一的c a d 系统的 第1 章引言 信息加工特点的所有有关产品的信息，与此同时，c a d 也不能得到c a m 系统 生成的数据处理。 后置处理面临的丰要问题有： ( 1 ) 后置处理程序开发，技术闲难，配置的复杂性和系统的c a m 模块， 在全立刀位原文件不完全透明的，昂贵的后处理，c a d c a m 用户通常没有自 己的二次发展计划，软件供应商牢牢把后处理技术控制在自己的手中。通常用 花在购买软件时一般都有一个比较敏感的问题：配置后处理程序的价格怎么样， 处理问题的能力又怎样，以及后面企业要发展需要进一步后置你又会怎样去解 决。 ( 2 ) 现在的c a d c a m 系统都是集成化的，从设计到制造过程可以比以前 的软件更加高效。可惜的是，在我国很多购买了c a d c a m 系统的买家对软件 的使用仪仪局限在c a d 这个模块，而对c a m 这_ 部分用的少之又少。会出现 这种情况的关键因素在于企业没有配备好想对应的后置处理器，即使有的配置 了也只是配置了通用的，并没有针对自己数控机床的特点进行二次开发，这样 由机器生成出来的代码还需要浪费大量的人力来进行修改，完全脱离了 c a d c a m 本身的使用。一般来说，c a d c a m 系统配置了很多的后置处理程序 供大家进行选择，用户可以根据自己本身的数控机床和数控系统来进行选择。 1 2 数控机床的发展 1 2 1 数字控制技术的产生与发展 最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在2 0 世纪4 0 年代提出的。 当时美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直 升飞机叶片轮廓用样本时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行 了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使加工精度达到 土0 0 3 8 1 m m 。以当时的水平来看，是相当高的。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院研制出一套实验性数字控制系统，并把它装在 一台立式铣床上，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称 为世界上第一台数控机床，是数控机床的第一代。但是这台机床毕竟是一台实 验性机床，到了1 9 5 4 年1 1 月，在帕尔森斯专利基础上，第一台工业用的数控机 床由美国本迪克斯公司生产出来的。 2 、 第1 章引言 1 9 5 9 年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管 和印制电路板，从而使数控机床跨入了第二代。同年3 月，有美国克耐杜列 克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。现在加工中心 已称为数控机床中一种非常重要的品种，在工业发达的郭嘉中约占数控机床总 量的4 左右。 1 9 6 0 年，研制出了小规模集成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统 的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。 以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统( n c ) 。 2 0 世界8 0 年代初，国际上又出现了柔性制造单元f m c f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gc e l l 。这种单元投资少、见效快，即可单独长时间少人看管运行， 也可集成到f m s 或者更高级的集成制造系统中使用。所以近几十年来，得到快 速发展和广泛应用。 f m c 和f m s 被认为是实现c i m s c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 计算机集成制造系统的必经阶段和基础。 1 2 2 我国数控机床的发展情况 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，一直到2 0 世纪6 0 年代中期处于研制、 开发时期。 1 9 6 5 年，国内开始研制晶体管数控系统。2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初研 制成功x 5 3 k - 1 g 立式数控铣床、c j k 1 8 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。 从2 0 世纪7 0 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电 加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功、但数控系统的可 靠性、稳定性未得到解决，因而没能被广泛推广。在这一时期，数控线切割机 床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了应用和推广。2 0 世纪8 0 年代，我国从日本f a n u c 公司引进了部分系列的数控系统和直流伺服 电动机、直流主轴电机技术，以及从美、欧等国引进了一些新的技术，并进行 了国产商品化生产。这些系统可靠性高、功能齐全，推动了我国数控机床稳定 的发展，使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1 9 9 5 年以后，我国数控机床的品种有了新的的发展。数控机床品种不断增 多，规格齐全。许多技术负责的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。 为了跟踪国外技术的发展，北京机床研究所研制出了j c s f m s 1 2 型的柔性制 3 第l 章引言 造系统。这个时期，我国在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量开发工 作。一些较高档次的数控系统( 五轴联动) ，分辨率为0 0 0 2 p r o 的高精度数控系 统、数字仿形数控系统、为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样 机，开始了专业化生产和使用。 现在，我国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。2 0 世纪9 0 年 代开始了高档数控机床的研发和生产。2 l 世纪的到来，将为我国各种数控机床 的开发、生产和应用，开辟了更加广阔的前景，未来几十年，我国将成为数控 机床的生产、使用大国。 1 2 3 数控机床的发展水平和趋势 1 、数控机床的发展趋势 数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用， 提高可行性。 7 ( 1 ) 工序集中加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于 工序分散、工件装夹引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的 台数和占地面积，压缩了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产率 和数控加工的经济效益。因此，实现工序高度集中是数控机床当今的发展趋势， 也是数控机床工业飞速发展，深入普及的根由。 ( 2 ) 高速、高效、高精度这三个方面是机械加工的目标，数控机床因 其价格昂贵，因此在这三个方面的发展也就更为突出。 ( 3 ) 方便使用、提高可靠性建立友好的入机对话界面、方便使用、日高 数控机床的可靠性也是目前数控机床的一个发展趋势。 2 、数控系统的发展趋势 就数控系统的微机来说，有采用专用微机和通用微机两种发展趋势。 ( 1 ) 采用专用微机是指生产厂家采用自行开发的专用微机、专用芯片，其 基础技术为厂家所专有，这些技术经多年的积累和发展，别的厂家很难掌握和 超越，这是生产厂家保持其数控技术的优势所采取的策略。在国际上有影响的 系统有：德国的西门子系统；日本的法纳克系统；美国的( a b ) 系统。 ( 2 ) 采用通用微机技术开发的数控系统，这是生产厂家中后起之秀所采用 的策略，用通用微机技术开发数控系统可以得到强有力的硬件和软件的支持， 这些软件、硬件技术是通用的、公开的。这样可以避开专有技术的制约，在短 4 第1 章引言 时间内达到较高水平，这是一条发展数控技术的捷径。目前，国内很多中小数 控机床生产厂商正在借助找一捷径，大礼开发数控技术，生产适销对路的数控 机床。 ( 3 ) 数控系统的微机字长也在不断提高，由最早的8 位机，经1 6 位机， 到目前被广泛采用的3 2 位机，现在又有向6 4 位机发展的趋势。微机的c p u 也 由单个向多个发展。目前，高性能的c n c 数控系统可以同时控制几个轴，甚至 几十个轴( 坐标轴、主轴与辅助轴) ，并且前台的加工控制和后台的程序辅助可 同时进行。另外，数控系统的各厂家纷纷采用r s 2 3 2 和r s 4 2 2 串行通信接口、 d n c 和m a p 接口及m a p 工业控制网路，为数控系统进入f m s 及c i m s 创造 了先行条件。 3 、伺服系统的发展趋势 最早的数控机床伺服系统执行机构采用液压转矩放大器。功率步进电动机 问世后，开始直接用他来驱动机床的进给运动。2 0 世纪6 0 年代中期，不少新设 计制造的数控机床普遍采用了小惯量直流伺服电动机。2 0 世纪7 0 年代，美国首 先研制了大惯量直流伺服电动机。2 0 世纪8 0 年代初期，美国通用电气公司研制 成功交流伺服系统。近年来，微机处理器已开始应用于伺服系统的驱动装置中。 当前伺服系统的发展趋势是直流伺服系统将交流数字伺服系统所取代。伺服系 统的速度环、位置环及电流环都已实现了数字化。并采用了新的控制理论，实 现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统。 4 、自适应控制的应用 数控机床增加更完善的自适应控制功能也是数控技术发展的一个重要方 向。自2 0 世纪6 0 年代以来，简单的自适应控制机床已进入了使用阶段，而复 杂的自适应控制机床如以最低加工成本和最好的加工质量作为评价指标的机 床，由于状态参数联接检测传感器未达到实用化的程度，至今还停留在实验阶 段。 1 3c a d c a m 的系统的现状 目前，c a d c a m 主要在微机平台或工作站上运行。工作站图形处理速度快， 性能稳定；但是，价格很高，在很大程度上不利于c a d c a m 技术的推广。随 着w i n d o w s n t 操作系统和p e n t i u m 芯片的问世和普及，原来仪能在工作站上运 5 第1 章引言 行的c a d c a m 软件现终于可以运用于微机了。微机的性能和中低档工作站可 以媲美，但是价格优势却很大，再加上，w i n d o w s n t 操作系统的安全性相对于 w i n d o w s 9 5 9 8 、d o s 、w i n d o w s 3 x 等有大幅提高。因此，微机平台为c a d 软件 的普及应用创造了非常优越的条件。同时，c a d c a m 软件开发商展开了新一轮 的竞争，打破原有u n i x 环境的桎梏，在w i n d o w s 平台上全面拓展；将工作站上 的c a d c a m 的软件( 如u g 、c a t i a ) 功能全面地移植到微机平台，使微机具备 与工作站环境完全对等地的处理能力。p e n t i u m 以上处理器和n t 环境正在成为 c a d c a m 软件运行和应用的主流平台。 1 3 1 国内软件 1 、l o n i c e r a 系统 l o n i c e r a ( 金银花) 系统是国家科委8 6 3 c i m s 主题在”九五”期间科技攻关的 最新研究成果，由广州红地技术有限公司开发的基于s t e p 标准的c a d c a m 系 统。 该软件起点高，以制造业最高国际标准i s o 1 0 3 0 3 ( s t e p ) 为系统设计的依 据。软件主要应用于机械产品制造设计和设计当中，它能够实现设计制造的自 动化和一体化。软件采用面向对象的技术，使用二维和三维一体化、参数化特 征造型、s d a i 标准数据存取接口的技术、先进的实体建模；具备多种标准数据 接口，如d x f 、s t e p 等；支持产品数据管理( p d m ) ，同时还具有数控加工程序 自动生成、工艺规划设计和机械产品设计等功能。目前l o n i c e r a 系统的系列产 品包括：产品数据管理p d s 、数控编程系统n c p 、工艺设计工具m p p 、机械设计 平台m d a 。 机械设计平台m d a ( m e c h a n i c a l d e s i g n a s s i s t a n t ) 是l o n i c e r a 系列软件之一， 是二维和三维一体化设计系统。目前，m d a l 7 版已投放市场，m d a 9 9 版也已 发布。”l o n i c e r a ”m d a 在国内率先实现商品化，并向国外三维c a d 软件发出了 强有力的挑战。 2 、高华c a d 由北京高华计算机有限公司推出的高华c a d 系列产品包括机械设计及绘图 系统、计算机辅助绘图支撑系统、三维几何造型系统、产品数据管理系统、工 艺设计系统及自动数控编程系统。其中械设计及绘图系统是基于参数化设计的 c a d c a e c a m 集成系统，它具有明细表的处理、全约束参数化设计、图形绘 6 第1 章引言 制、全程导航参数化、图素拼装、标准件库、图像编辑、尺寸标注等功能模块。 该公司是由广东科龙( 容声) 集团与清华大学和联合创建的一个专门从事 c a d c a m p d m m i s 集成系统的研究、开发、推广、应用、销售和服务的专业 化高技术企业。公司以“用户的需要就是我们的需要”为口号，一直在走民族 软件自主发展的道路，围绕在国家c a d 支撑软件工程中心的周围，并且在把科 研成果向商品化这一方向发展取得了良好的成绩。 3 、g s c a d 9 8 g s c a d 是一个面向实用的产品造型系统，它的前身z d m c a di i 是作为“集 成化c a d c a p p c a m 系统g s i c c ”中的一个子课题来开发的，g s i c c 是国家 8 6 3 计划c i m s 主题产品开发项目，并被列为8 6 3 计划“八五”期间的一个重大关 键技术项目。在“七五”期问我们已成功地研制开发了三维实体造型系统t o r u s ， 但随着c a d c a m 技术的不断发展，无论在造型手段上，还是产品建模和数据 交换上，都已不能满足集成环境及设计师的要求，z d m c a di i 正是基于这种要 求，在吸收了国际著名c a d 软件的特点的基础上开发完成的新一代产品设计 系统，z d m c a di i 早在1 9 9 5 年第二届自主版权c a d 软件评测中荣获三维造型 组最高奖。而g s c a d 则是在z d m c a di i 基础上，经过近两年时间的改进与完 善而完成的完全符合w i n d o w s 风格的实用化三维产品造型系统，它的设计风 格及其技术都是全新的。 g s c a d 以产品全局模型为基础，通过s t e p 中性文件和共享数据库与 c a p p c a m 实现集成，并能与产品数据管理系统g s p d m 进行无缝连接。适用 于来作钣金设计、模具设计、通过机械零件设计等。主要技术性能或技术指标： g s c a d 全方位支持产品的零件设计、装配设计和工程绘图全中文图视化界面， 提供在线联机帮助支持o l e 技术，与通用w i n d o w s 应用软件和o f f i c e 9 7 等可 方便连接强大的特征造型功能，支持特征的剪切、复制、粘贴、插入、阵列、 拖动等支持表格驱动的系统化零部件设计，快速生成系列零件全关联的参数化 模型，可在零件、装配件或图纸环境中修改任何参数工程图的自动生成，可自 动生成模型的各个平面视图，隐藏线自动消除提供自顶向下的装配设计功能， 支持大型复杂部件的快速装配，并具有干涉检查、装配件拆卸、爆炸图的自动 生成等方面的功能多视图动态显示零部件的实体渲染模型设计历史树提供模 型结构的图形表示，对整个设计过程进行最直观的控制支持s t e p 、l g e s 、d x f 、 v r m l 等多种国际标准 7 第1 章引言 4 、c a x a m e 制造工程师和c a x a 电子图板 北京北航海尔软件有限公司开发与销售的c a x a 电子图板是一套智能化、 方便、高效的通用中文设计绘图软件，该软件适合所有需要二维绘图的场合， 可以帮助设计人员进行装备图、零件图、工艺图表、平面包装设计；并且可以 彻底不用图版，让设计人员可以集中精力在设计构想上，以此来满足企业的快 速设计和信息电子化以及各种绘图的需求。该公司是从事c a d c a e c a m 软件 与工程服务的号业化公司。 c a x a m e 是面向机械制造业的自主开发的中文界面、三维复杂形面 c a d c a m 软件。c a x a 制造工程师1 0 版于1 9 9 6 年推出，c a x a m e 2 0 版于 1 9 9 8 年3 月发布，c a x a m e 2 0 0 0 版也已经成功发布。 1 3 2 国外软件 1 、a u t o c a d + a u t o c a d 是由美国a u t o d e s k 欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应 用c a d 技术( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 而开发的绘图程序软 件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 a u t o c a d 具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各 种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在 不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效 率。 a u t o c a d 具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和 工作站上运行，并支持分辨率由3 2 0 x 2 0 0 到2 0 4 8 x 1 0 2 4 的各种图形显示设备4 0 多种，以及数字仪和鼠标器3 0 多种，绘图仪和打印机数十种，这就为a u t o c a d 的普及创造了条件。 2 、u n i g r a p h i c s ( u g ) 美国麦道飞机公司是u n i g r a p h i e s 的最早的应用者。u g 是u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s 公司的主打产品，它是从数控加工编程、二维绘图、曲面造型等功能 发展起来的软件。u g 是u n i g r a p h i c s 的缩写，这是一个交互式c a d c a m ( 计算 机辅助设计与计算机辅助制造) 系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体 及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着p c 硬件的发展和个人用 户的迅速增长，在p c 上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维 8 第1 章引言 设计的一个丰流应用。 u g 的开发始于1 9 9 0 年7 月，它是基于c 语言开发实现的。u gn x 是一个 在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值 求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此 软件可对许多不同的应用再利用。 。 3 、m d t， m d t 是继a u t o d e s k 公司在p c 平台上开发的二维系统a u t o c a d 之后的三 维机械c a d 系统。它为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案，因为它是 以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多个功能为一体的比 较完美系统。 m d t 主要有以下几个功能特点： 1 ) m d t 可以提供完整的模型和绘图的双向联结；并且还提供相关联的绘图 和草陶功能； 2 ) 可以很方便地完成成百上千个零件的大型装配； 3 ) 由于是基于特征的参数化实体造型。复杂三维实体造型m d t 都能够很 方便的完成，并且可以对模型进行灵活地修改和编辑。 4 ) 为了满足模具设计等方面对复杂曲面的要求，m d t 基于n u r b s 的曲面 造型，构造构造各种各样的复杂的曲面。 该软件一推出即受到广大用户的普遍欢迎。至今为止，国内已销售近千套， 全世界累计销售已达7 万套。由于软件与a u t o c a d 都是出自a u t o d e s k 公司，因 此两者比较完美的结合了在一起，用户可以非常方便地用三维向二维的转换。 m d t 为a u t o c a d 用户向三维升级提供了一个较好的选择。 4 、s o l i d e d g e s o l i d e d g c 是s i e m e n sp l ms o r w a r e 公司旗下的三维c a d 软件，采用s i e m e n s p l ms o f t w a r e 公司自己拥有专利的p a r a s o l i d 作为软件核心，将普及型c a d 系 统与世界上最具领先地位的实体造型引擎结合在一起，是基于w i n d o w s 平台、功 能强大且易用的三维c a d 软件。 它支持至顶向下和至底向上的设计思想，其建模核心、钣金设计、大装配 设计、产品制造信息管理、生产出图、价值链协同、内嵌的有限元分析和产品 数据管理等功能遥遥领先于同类软件，是企业核心设计人员的最佳选择，已经 9 第1 章引言 成功应用于机械、电子、航空、汽车、仪器仪表、模具、造船、消费品等行业 的大量客户。同时系统还提供了从二维视图到三维实体的转换工具，您无需摒 弃多年来二维制图的成果，借助s o l i de d g e 就能迅速跃升到三维设计，这种质的 飞跃让您体验到三维设计的巨大优越性。 5 、c i m a t r o n c i m a t r o n 是著名软件公司以色列c i m a t r o n 公司旗下产品，c i m a t r o n 在中国 的子公司是思美创科技有限公司。多年来，在世界范围内，从小的模具制造工 厂到大公司的制造部f - j ，c i m a t r o n 的c a d c a m 解决方案已成功为企业装备中 不可或缺的工具。 自从c i m a t r o n 公司1 9 8 2 年创建以来，它的创新技术和战略方向使得 c i m a t r o n 有限公司在c a d c a m 领域内处于公认领导地位。作为面向制造业的 c a d c a m 集成解决放方案的领导者承诺为模具、工具和其它制造商提供全面 的，性价比最优的软件解决方案，使制造循环流程化，加强制造商与外部销售 商的协作以极大地缩短产品交付时间。 今天在世界范围内的四千多客户在使用c i m a t r o n 的c a d c a m 解决方案为 各种行业制造产品。这些行业包括：汽车、航空航天、计算机、电子、消费类 商品、医药、军事、光学仪器、通讯和玩具等行业。 6 、i d e a s i - d e a s 是国际上著名的机械c a d c a e c a m 公司，美国的s d r c 公司开 发的c a d c a m 软件。该公司在全球范围享有很大的盛誉，国外许多著名公司， 如三星、现代、波音、福特、索尼等公司均是s d r c 公司的大客户，更是合作 伙伴。 i d e a s 的c a d c a e 在集成技术一直是世界项级的行列，该软件包括如 结构分析，热分析，优化设计，耐久性，提高产品性能分析，先进的实时分析 的功能在内。 i d e a s m a s t e r s e r i e s 5 今年6 月2 0 日，在美国的首场演出，引起了广泛关 注。这部作品是一种高度集成的c a d c a e c a m 软件系统。它有助于在一个 单一的数字，从产品设计，仿真分析，测试，直到整个数控加工过程的产品发 展模式，高效率的工程师。i d e a s 的是世界上广泛应用于制造大规模用户的 c a d c a e c a m 软件的使用。 s d r c 同时也是世界上最大的专业c a m 软件制造商。i d e a s c a m a n d l o 第1 章引言 是c a m 行业的顶级产品。的i d e a s c a m a n d 可以很容易地模拟了运动的工 具和机器可以从简单的2 轴，2 5 轴加工5 轴联动的7 种方法来处理高度复杂的 表面，并且可以实现自动化控制，数控加工工艺优化。 7 、p r o e n g i n e e r p r o e n g i n e e r 系统是美国参数技术公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ， 简称p t c ) 的产品。p t c 的公司到一个数据库，参数化，基于特征的，所有的 变化在机械c a d c a e c a m 的概念的传统观念有关，这一新概念，已成为世 界机械c a d c a e c a m 技术新标准的领域。由机械的c a d c a e c a m 产品 p r o e n g i n e e r 设计软件，第三代开发的概念，以便能够融入整个生产过程， 让所有用户同时设计和制造同样的产品，即所谓的并行工程来实现。 p r o e n g i n e e r 系统主要有以下几个功能： 1 ) 比较容易使用，可以极大程度地提高设计效率 2 ) 具有非常强大的装配功能，能够至始至终保持设计者的设计意图。 3 ) 任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方，真正的具有全相关性。 4 ) 并发进程与真正的管理，并行工程的能力。 p r o e n g i n e e r 的系统用户界面简洁，清晰的概念，与设计工程师和习惯。 整个系统是建立在一个统一的数据库，具有完整的统一的模式。基于p r o e n g i n e e r 在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。 1 4c a d c a m 的发展趋势 c a d c a m 技术带来一个全面的机械制造产业，从根本上改变传统的机械 制造业，技术已发生了质的飞跃，于是全球都在不断的关注和重视。在此背景 下，中国的机械制造业，如果要保持同步，我们必须把握机械c a d c a m 技术 正确的发展方向： 1 ) 机械行业，应进一步普及的c a d c a m 技术，努力提高他们的应用水 平。大力推进国家倡议，中国的机械制造企业必须重视的c a d c a m 技术的应 用，应促进c a d c a m 技术为企业的发展，资本投资和人才引进上不惜一切代 价，对于c a d c a m 技术在牛产实践中应用创造必要的条件，促进我们的c a d 第1 章引言 c a m 技术水平提高到一个新水平； 2 ) 在软件的选用上，一定要坚持中档、高档、低档一起并存，这样才有利 于软件的发展。中档与低档的c a d c a m 软件价格便宜，比较实用，且在微机 平台上运行，易学易用，对工作人员的素质要求一般，大多数企业都有这个条 件来使用。 而高档的c a d c a m 软件可以让c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 、p d m 以及 p p c 等技术能够高度集成，已经能够同时实现设计制造及生产管理，实现了真 正的“无纸制造”，在这方面比较有代表性的是i d e a s 、p r o e 、u g 、c a t i a 等国外开发的这些软件，但是这些软件相对中低档的软件来说，费用高，对人 员的素质要求也比较高。在我国大多数大型企业都购置了这些高档的软件及相 应的设备，也具备了这样的条件，但问题在于这些功能并未得到充分的应用， 今后一定要突破这个局限。 3 ) 应用c a d c a m 才是开发c a d c a m 软件的最终目的，因此我国的科 研机构不仅要结合我国的国情，跟上时代的潮流，把握国际最新动态，加快引 进国外的c a d c a m 软件以及对这些软件的二次开发应用；同时也要结合国内 的机械制造业的实际需求加大科技创新力度，研发出更具特色、更具竞争力、 方便实用的c a d c a m 产品，以此来促进我国机械制造业技术的快速发展。 1 5 课题来源及研究的目的和意义 1 5 1 课题的来源 本课题来源于国家“8 6 3 项目山东山大华天软件公司c a d c a m 系统 开发子项目。 1 5 2 课题研究目的及意义 当前，我国数控加工技术与发达国家相比还存在很大的差距，要想迎头赶 上，就需要从底层基础发展，从专用的逐步成熟、改善到通用的强大。特定数 控系统的开发需要重点研究数控加工技术的核心算法刀位轨迹规划、干涉 检查等，掌握核心基础，并最终应用于生产实际，是我们数控加工技术发展思 路的一次实践。 为发展民族品牌的三维c a d c a m 系统，山东山大华天科技股份有限公司 1 2 第1 章引言 承担了围家“8 6 3 计划s i n o 虹i o n 系统的研发。s i n o v a t i o n 是结合日 本工业界最佳实践、体现国际最先进制造水平的自主版权高端c a d c a m 软件， 该系统具有很强的c a d 设计功能，包括完善的建模、装配和工程图模块。在 c a m 方面，支持二轴、三轴、五轴固定数控铣加工，为了完善c a m 系统的功 能，该项目依托南昌大学研发特殊四轴、五轴的数控编程系统。 开发适用于实际生产需要的特定加工数控系统，能较好的与工厂现有机床 特点相融合，提高企业生产效率，增加企业的竞争力。 开发的c a m 系统与现有c a d 软件系统( 华天软件公司开发的 s i n o v a t i o n ) 无缝连接，增强软件的功能和适用性，为国产通用c a d c a m 软件的开发奠定基础。 1 6 课题解决的主要问题 l 、花纹种类的划分和c a d 数据结构的获取； 2 、针对使用厂家的加工需求和特殊结构机床，即在特殊四、五轴机床上对 单线字( 单线条实心字、单线条空心字、装饰性花纹) 加工，研究走刀方式、 走刀步长，规划刀位轨迹，避免干涉； 3 、针对多行多字的加工，提出的算法，解决了字的加工顺序： 4 、针对任意多边形的加工，针对等距加工时可能产生的自交情况，找出算 法，规划刀位轨迹； 5 、在提取了轮廓环的的子环，针对这些子环的加工，提出了算法，解决了 加工顺序问题： 6 、在加工中可能产生的局部干涉与全局干涉，提出了解决办法。 1 3 第2 章需求分析与概要设计方案 第2 章需求分析与概要设计方案 本课题作为一个实际生产需求项目，首先要保证所开发特定数控加工系统 满足生产需求，能够在稳定的实际生产过程中验证算法的稳定性和可更新性。 这就需要严格按照系统的开发流程，严格验证每一个过程的准确性和合理性。 2 1 引言 厂家所生产所需要的字体甚多，这就需要对厂家所给的字体进行一个系统 而有效的分析，给出字体加工的详细方案，从而能够有效的达到厂家的需求。 2 2 需求分析 所谓“需求分析”，是指对要解决的问题进行详细的分析，弄清楚问题的要 求，包括需要输入什么数据，要得到什么结果，最后应输出什么。在软件系统 的开发过程中，这是最重要的也是最困难的工作。 经过需求调研，可以确定厂家的初步功能需求有：1 ) 实现对现有各类胎侧 花纹的加工：2 ) 加工基于现有特殊四、五轴机床；3 ) 加工刀具不变，为现有 的直径较小的专用平头铣刀：4 ) 加工方法有两种，分别是刀轴矢量与加工曲面 法矢重合和刀轴矢量不变( 即为一固定角度) 。 为了较好的完成这个阶段，1 ) 要与用户和其他开发人员积极的交流：2 ) 用户的需求是动态变化的，要确定一个相对稳定的需求方案，并做好应对变化 的心理准备；3 ) 做好可行性分析。 2 3 概要设计方案 针对厂家实际生产中胎侧花纹的种类，分别提出相应的加工方法和刀位轨 迹规划方案。 2 3 1 单线条实心宇 可使用自定义字体生成，字体模型包括轮廓线和中心加工线，并分属于不 同的图层。中心加工线是加工路径的依据，轮廓线仪用于标示以便检查。 1 4 第2 章需求分析与概要设计方案 c a d 模型：黑色为轮廓线，红色为中心加工线。 图2 1 单线条实心字 采用沿字宽中心加工线一刀加工的方式，刀具的选择根据具体的字体线宽。 2 3 2 单线条空心字 可使用自定义字体生成，字体模型包括轮廓线和中心加工线，并分属于不 同的图层。中心加工线是加工路径的依据，轮廓线仅用于标示以便检查。 图2 2 单线条空心字 采用沿轮廓中心加工线单线加工。 单线条字体的加工效果图如图2 3 所示 1 5 第2 章需求分析0 概要设计方案 图2 3 单线条加工效果示意图 2 3 3 宽体实心字 字体模型包括内外轮廓线。 采用外轮廓向内、内轮廓向外逐步偏置的方式来规划加工路径。 图2 4 宽体实心孚 2 3 4 宽体空心字 字体模型包括内、外轮廓线。以及按照固定宽度进行内、外轮廓的偏置。 内轮廓向外、外轮廓向内逐步偏置，生成新的轮廓线。 内外轮廓的偏置方案： 偏置在c a m 中完成，在加工工艺中选择偏置距离。 1 6 第2 章需求分析与概