（机械设计及理论专业论文）cadcam技术在球头立铣刀设计制造中的应用.pdf

摘要 本文研究了c a d c a m 技术在高精度数控刀具设计及制造中的应用，开发了高精度 数控刀具c a d c a m 集成系统，并应用于球头立铣刀加工制造中。主要研究内容包括： 1 采用快速设计的理论和方法，如基于特征的参数化建模及加工过程动态仿真等 技术，建立了高精度数控刀具c a d c a m 集成系统的总体框架，在大型商用c a d 软件 p r d e n g i n e e r 平台上，建立了产品的三维设计模型、数据库及设计知识库。 2 在三维模型的基础上，对数控刀具的三维结构模型进行了优化分析，对刀具性 能与设计参数之间的关系进行快速评价，优选出最佳的刀具几何参数，以提高其切削性 能。 3 利用c a m 软件由工艺文件生成n c 程序，采用数控加工仿真手段来检验n c 程序的正确性，在计算机上完成数控刀具加工过程的动态仿真。 4 在获得正确的n c 程序之后，由计算机直接驱动数控机床，完成复杂数控刀具 的快速制造。 5 在现有数控加工软件的基础上，添加适合企业需求的相关专用参数化模块，如： 外圆轮廓及沟槽加工模块，并提供友好的人机交互界面，完成数控刀具特性结构加工专 用模块的开发，实现了通用刀具的快速制造。 关键词：c a d c a m 球头立铣刀p r o t o o l k i t 参数化设计二次开发优化 设计 i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a p p l i c a t i o n o nt e c h n o l o g yo fc a d c a mf o r t h e d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n go fb a l le n dc u t t e ri ss t u d i e d t h ec a d o mi n t e g r a t e ds y s t e mo fh j i 曲一 p r e c i s i o nn cc u t t e ri sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sb e e na p p l i e do nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go f b a l le n dc u t t e r t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h et h e o r ya n dm e t h o do fr a p i dd e s i g na r ea d o p t e d s u c ha sp a r a m e t r i cm o d e l i n g b a s e do nf e a t u r ea n dd y n a m i cs i m u l a t i o no fp r o c e s s i n gc o u r s e ，t h eo v e r a l lf r a m eo ft h eh i g h p r e c i s i o nn cc u t t e rc a d c a mi n t e g r a t e ds y s t e mi sb u i l t , t h e3 dd e s i g nm o d e lo fp r o d u c t ， d a t a b a s ea n dt h ed e s i g nk n o w l e d g e b a s ea r eb u i l tb yu s i n gt h el a r g e - s c a l ec o m m e r c i a lc a d s o f t w a r e - p r o e n g i n e e rp l a t f o r m 2 1 r h e3 ds t r u c t u r em o d e l0 fn cc u t t e ri so p t i m i z e da n a l y s e do nt h eb a s i so f3 dm o d e l t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec u t t e ra n dd e s i g np a r a m e t e ri sa p p r a i s e dr a p i d l y t h e b e s tc u t t e rg c o m e t r yp a r a m e t e ri ss e l e c t e df o ri m p r o v i n gt h ec u t t i n gp e r f o r m a n c e 3 n cp r o c e d u r ei sp r o d u c e df r o mt h ec r a f tf i l eb yu s i n gc a ms o f t w a r e n cs i m u l a t i o n o fp r o c e s s i n gc o u r s ei sa d o p t e df o rc h e c k i n gt h ev a l i d i t yo fn cp r o c e d u r e t h en cc u t t e r d y n a m i cs i m u l a t i o no fp r o c e s s i n gc o u r s ei sf m i s h e do nt h ec o m p u t e r 4 t h en cl a t h ei sd r i v e db yc o m p u t e rd i r e c t l y t h e nt h ec o m p l i c a t e dn cc u t t e ri sr a p i d m a n u f a c t u r e da f t e rr e c e i v i n gc o i t e c tn cp r o c e d u r e 5 1 n h er e l e v a n ts p e c i a l p u r p o s ep a r a m e t r i cm o d u l ew h i c hs u i t se n t e r p r i s e sd e m a n da r e a d d e do nt h eb a s i so fn cp r o c e s s i n gs o f t w a r ee x i s t e d s u c ha st h em o d u l eo fr o u n dp r o f i l e a n dg r o o v e t h ef r i e n d l yh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e f f a c ei so f f e r e d ，t h ed e v e l o p m e n to f p r o c e s s i n gs p e c i a lm o d u l eo fc h a r a c t e r i s t i cs t r u c t u r eo ft h en cc u t t e ri sf i n i s h e d ，t h er a p i d m a n u f a c t u r i n go fc n l t e n tc u t t e ri sr e a l i z e d k e y w o r d s ：c a d c a mb a l le n dm i l lp r 0 仃o o ik r rp a r a m e t r i cd e s i g ns e c o n d d e v e l o p m e n to p t i m i z a t i o nd e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 是洼堡兰盘至 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 髓劫签字日期：工弼年月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡兰盘璺有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨洼墨墨盘望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：巧勉狂硼 导师签名： 签字日期：二印g 年月，。日签字日期：妒年月，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当前国际市场需求快速变化的特点和2 l 世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速 设计和制造技术的发展，产品投放市场的时间日益成为决定产品竞争力的重要因素。快 速设计的基础是c a d c a e c a p p c a m ( 简称4 c ) 集成技术，当前现代产品设计 与制造的发展趋势是数字化、集成化、并行化、网络化、智能化。以4 c 为核心的计算 机辅助设计与制造技术已在国内外生产领域发挥越来越重要的作用。机械产品应用计算 机辅助设计工具对提高生产率具有重要意义，是企业加速新产品开发、提高产品质景、 开拓市场、增强竞争力的有力手段。 在工( 刀) 具制造业，近几年国内已有一些企业、院校开发出些基于二维c a d 的c a d 系统或c a d c a m 集成系统，但在高精度数控刀具制造领域，基于三维c a d 平台的c a d c a m 集成系统，目前国内还是一个空白。因此，深化应用c a d c a m 集 成技术，充分利用先进的设计制造手段，以提高产品的快速设计、制造能力，缩短产品 的研发周期，是工具行业急需解决的重要课题之一。 1 2 1 现代c a d 技术的内涵 1 2 现代c a d 技术概论 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程 进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动，它是一种 新的设计方法，也是- - f 3 多学科综合应用的新技术l l j 。 传统c a d 涉及以下一些基础技术： ( 1 ) 图形处理技术如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技 术。 ( 2 ) 工程分析技术如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。 ( 3 ) 数据管理与数据交换技术如数据管理、产品数据管理、产品数据交换规范 及接口技术等。 ( 4 ) 文档处理技术如文档制作、编辑及文字处理等。 ( 5 ) 软件设计技术 如窗口界面设计、软件工具、软件工程规范等。 近十多年来，由于先进制造技术的快速发展，带动了先进设计技术的同步发展，使 传统c a d 技术有了很大的扩展，这些扩展的c a d 技术总称为“现代c a d 技术”。 任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设计活动组成。这些活动既有串 行的设计活动，也有并行的设计活动。目前，设计中的大多数活动都可以用c a d 技术 第一章绪论 来实现，但也有一些活动尚难用c a d 技术来实现，如设计中的需求分析、设计的可行 性研究等。将设计过程中能用c a d 技术实现的活动集合在一起就构成了c a d 过程，设 计过程与c a d 技术的关系如图1 - 1 。随着现代c a d 技术的发展，设计过程中越来越多 的活动都能用c a d 工具加以实现，因此c a d 技术的覆盖面将越来越宽，以至燕个设计 过程就是c a d 过程。 图i - i 设计过程与c a d 技术的关系 值得指出的是：不应该将c a d 与计算机绘图、计算机图形学混淆起来。下面叙述 后两者的技术内涵。 计算机绘图的内涵：计算机绘图是使用图形软件和硬件进行绘图及有关标注的一种 方法和技术，以摆脱繁重的手工绘图为其主要目标。 计算机图形学( c o m p u t e rg r a p h i c s ，c o ) 的内涵：计算机图形学是研究通过计算机 将数据转换为图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的科学( 根据i s o 在数据 处理词典中的定义) 。 c g 的研究内容有以下四个方面： ( 1 ) 硬件指图形输入设备、图形处理设备、图形显示设备和图形绘制设备。 ( 2 ) 图形软件设计如二维绘图系统、三维造型系统、动画制作系统、真实感图 形生成系统。 ( 3 ) 图形处理的理论与方法 如几何元素和图形的生成方法、实体表示理论与拼 合算法、图形变换、图形的消隐与裁剪、真实感图形生成等等。近年来，c g 向更深的 方向发展，出现了分布式图形处理、声像一体化、分数维几何、虚拟现实、多媒体技术 以及科学计算可视化等高新理论与技术。 ( 4 ) 实际应用中的图形处理问题涉及广阔的应用领域，如统计管理、测量、生 物、医学、药学、模拟与动画、美术、办公自动化等。 从以上对c a d 、计算机绘图及c g 的叙述可以看出它们三者之间是有区别的，但也 有联系。可以简单地表述如下： 计算机绘图是c g 中涉及工程图形绘制的一个分支，可将它看成一门工程技术，它 为人们以软件操作方式绘制图样提供服务；计算机绘图不是c a d 的全部内涵，但它是 c a d 技术的基础之一；c g 是一门独立的学科，有自己丰富的技术内涵，它与c a d 有 明显区别，但它的有关图形处理的理论与方法构成了c a d 技术的重要基础。 一一一一一一一茎二皇堡篓 1 2 2 现代c a d 技术的发展 c a d 技术开始于2 0 世纪5 0 年代，经历了5 0 年代与6 0 年代的形成、7 0 年代的发 展与8 0 年代的兴旺，到现在已在二维绘图、三维几何造型等方面取得了很大的成就并 达到普遍应用的地步。回顾历史，c a d 图形支撑软件发展的历程大致如下： 第一代c a d 系统出现于6 0 年代，这一代系统主要用于二维绘图，其技术特征是利 用解析几何的方法定义有关点、线、圆等图素。 第二代c a d 系统始于7 0 年代，这一代系统直到目前还在广泛应用，其技术也还在 不断发展，它们主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统。在几何造型方面分别采 用了三维线框模型、曲面模型和实体模型。在实体造型上广泛应用了实体几何构造法 ( c s g 法) 和边界表示法( b - r e p 法) ，并在系统内部采用了数据库技术，形成了众多商 品化程度商的实用系统。 第三代c a d 系统始于8 0 年代中期，在建模方法上分别出现了特征建模和基于约束 的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统以及二维或三维的参数化设 计系统，而且出现了这两种建模方法互相交叉、互相融合的系统。这种系统常常在二、 三维模型之间以及与c a m 系统之间有内部统一的数据结构及共同的数据库，因此做到 t - - 、三维模型修改时的相互关联性，以及c a d c a m 的信息集成。 现在，c a d 技术仍在向前发展，在国外有人称它为“下一代c a d 系统”，这里将 它称作第四代c a d 系统。这是一种支持新产品设计的综合性环境支持系统，它能全面 支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。 1 2 3 现代c a d 技术的概念与研究内容 1 现代c a d 技术的概念 现代c a d 技术是指在复杂的大系统环境下，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，它们能使殴计工作实现集成化、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。 以f 对上述概念作进一步说明： ( 1 ) 现代c a d 技术是在先进制造技术及现代设计理论与方法带动下，在传统c a d 技术的基础上发展起来的，从本质上讲，这种技术力求在一个复杂大系统的环境中( 如 c i m s 、并行工程、敏捷制造等) ，使设计工作自动化。因此，现代c a d 技术是面向设 计自动化的技术。 ( 2 ) 从科学上说，现代c a d 技术的研究内容包括设计理论和方法、设计环境及设 计工具三个方面。设计理论和方法是现代c a d 技术实现的理论。设计环境是技术实现 的空间，设计工具是技术实现的手段，它们相互联系、相互促进。 ( 3 ) 集成化、网络化和智能化是现代c a d 技术所追求的功能目标。集成化要能支 持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过 程协调与管理、产品数据交换、c a x 工具、d f x 工具等；网络化要能支持动态联盟中协 程协调与管理、产品数据交换、c a x 工具、d f x 工具等；网络化要能支持动态联盟中协 第一章绪论 1 2 2 现代c a d 技术的发展 c a d 技术开始于2 0 世纪5 0 年代，经历了5 0 年代与6 0 年代的形成、7 0 年代的发 展与8 0 年代的兴旺，到现在已在二维绘图、三维几何造型等方面取得了很大的成就并 达到普遍应用的地步。回顾历史，c a d 图形支撑软件发展的历程大致如下： 第一代c a d 系统出现于6 0 年代，这一代系统主要用于二维绘图，其技术特征是利 用解析几何的方法定义有关点、线、圆等图素。 第二代c a d 系统始于7 0 年代，这一代系统直到目前还在广泛应用，其技术也还在 不断发展，它们主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统。在几何造型方面分别采 用了三维线框模型、曲面模型和实体模型。在实体造型上广泛应用了实体几何构造法 ( c s g 法) 和边界表示法( b r c p 法) ，并在系统内部采用了数据库技术，形成了众多商 品化程度高的实用系统。 第三代c a d 系统始于8 0 年代中期，在建模方法上分别出现了特征建模和基于约束 的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统以及二维或三维的参数化设 计系统，而且出现了这两种建模方法互相交叉、互相融合的系统。这种系统常常在二、 三维模型之间以及与c a m 系统之间有内部统一的数据结构及共同的数据库，因此做到 了二、三维模型修改时的相互关联性，以及c a d c a m 的信息集成。 现在，c a d 技术仍在向前发展，在国外有人称它为“下一代c a d 系统”，这里将 它称作第四代c a d 系统。这是一种支持新产品设计的综合性环境支持系统，它能全面 支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。 1 2 3 现代c a d 技术的概念与研究内容 1 现代c a d 技术的概念 现代c a d 技术是指在复杂的大系统环境下，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。 以下对上述概念作进一步说明： ( 1 ) 现代c a d 技术是在先进制造技术及现代设计理论与方法带动下，在传统c a d 技术的基础上发展起来的，从本质上讲，这种技术力求在一个复杂大系统的环境中( 如 c i m s 、并行工程、敏捷制造等) ，使设计工作自动化。因此，现代c a d 技术是面向设 计自动化的技术。 ( 2 ) 从科学上说，现代c a d 技术的研究内容包括设计理论和方法、设计环境及设 计工具三个方面。设计理论和方法是现代c a d 技术实现的理论，设计环境是技术实现 的空间，设计工具是技术实现的手段，它们相互联系、相互促进。 ( 3 ) 集成化、网络化和智能化是现代c a d 技术所追求的功能目标。集成化要能支 持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过 程协调与管理、产品数据交换、c a x 工具、d f x 工具等；网络化要能支持动态联盟中协 第一章绪论 同设计所需的环境与设计技术；智能化是指在实现集成化与网络化时所采用的智能技 术，如人工智能、专家系统技术等。 ( 4 ) 现代c a d 技术的最终目的是要尽可能采用自动化设计技术( 丝毫不排除以人 为主的人机交互环节) ，使所设计的产品达到质量高、成本低、周期短，以便在先进制 造模式下以t 、q 、s 、e 赢得市场竞争。 ( 5 ) 现代c a d 技术的提法，既容纳了当前c a d 技术在集成、网络、智能等方面 达到的技术成就，又包含了将来c a d 技术的进步，因此这种提法在较长时间内均具有 效性。 2 现代c a d 技术的研究内容 ( 1 ) 研究现代设计理论与方法学 设计是一项复杂的创造性工作，也正由于它的复杂性，迄今为止，人们对设计尚缺 乏规律性的认识，还没有形成严格的理论体系。过去和现在，人们一直在探索各种各样 的设计理论，希望利用它们来有效地指导实际的设计工作。由于计算机技术、信息技术 的发展，基于计算机的设计理论与方法学，显得异常活跃，例如近年来提出的并行设计、 协同设计、虚拟设计、大规模定制设计( m a s sc u s t o m i z a t i o nd e s i g n ) 、分行设计( f f a c t a l d e s i g n ) 等，我们应该加以深入的研究，以便指导现代c a d 系统的实现。必须认识到， 没有先进的设计理论与方法，就没有现代c a d 技术的发展。 ( 2 ) 研究与设计环境相关的技术 良好的设计环境意味着动态联盟中异地分布的产品开发队伍能通过广域网，充分利 用各地的设计资源和信息进行协同设计。为此要研究解决以下技术： 1 ) 协同设计环境的支持技术，例如广域网上的浏览器服务器( b s ) 环境、客服机 h i 务器( c s ) 结构的计算机系统，以及基于b s 和c s 的协同设计的平台体系结构等。 2 ) 协同设计的管理技术，例如产品共享信息的交换、异构p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ) 系统间的数据交换、设计过程建模及冲突消解问题。 ( 3 ) 研究与设计工具相关的技术 这方面研究的核心问题有： 1 ) 产品数字化定义及建模技术，包括产品模型的表达、s t e p 标准实施技术、建模 技术等。 2 ) 基于p d m 的产品数据管理与工作流管理技术。 3 ) 发展集成的c a x 工具和d f x 工具，使现代c a d 系统从功能上能支持产品设计 的全过程，包括需求分析、概念设计、结构设计、详细设计、工程分析和工艺设计等， 而且能利用d f x 工具实现对设计下游的支持，及早发现问题，避免大的返工。 1 3c a d c a m 集成技术的概念及其特点 1 3 1c a d c a m 集成技术概述 随着科学技术的发展，制造业正经历着一个从单品种大批量生产到多品种小批量生 第一章绪论 产或单件生产的转变过程。制造技术也正在向系统自动化、集成化、智能化和网络化的 先进制造技术方向发展。先进制造技术群和制造基础设簏等各部分相互联系、相互促进 共同构成一个完整的先进制造技术体系1 2 。先进制造技术以达到缩短生产周期( 1 r 1 、更好 的产品质量( q ) 、更低的成本( q 、方便用户和优质服务( s ) 等为目标，以满足不断发展的 产品多样化和个性化的需要。c a d c a m 技术是先进制造技术中制造自动化技术的核心 技术，也是实现先进制造技术目标的关键。 一个产品的最终形成包括产品的设计和制造两大部分。计算机辅助设计( c a d ) 是在 c a d 系统硬件和软件支持下，使计算机辅助设计师完成从产品概念设计到详细设计的 全部设计过程。辅助制造( c a m ) 包括狭义c a m 和广义c a m i ”。狭义c a m 指计算机 辅助编制数控机床加工指令，广义c a m 则是应用计算机进行制造信息处理的全部内容， 包括采用计算机系统进行生产的规范，管理和控制产品制造的全过程。c a d c a m 集成 主要是指在c a d 、c a p p 、c a m 各模块间信息的提取、交换、存储和处理的集成，即 信息统一的整体集成。 o 别c a m 技术的发展大致分为三个阶段。第一个阶段为早期的a p t 系统阶段， 该阶段c a d 与c a m 技术相对独立，其数据交换通过数据转换接口来实现。由于a p t 编程系统具有几何定义复杂，缺乏图形功能等缺点，在实际生产中已渐渐被淘汰，但该 阶段为c a d c a m 技术的发展奠定了技术基础。第二个阶段为c a d 与c a m 的集成阶 段，c a d 设计的结果，不仅仅是简单的图形输出，而且是为了完成设计产品的加工， 其数据结构也趋向统一。第三个阶段则为c i m s 技术的发展阶段。c a d c a m 的集成是 实现c i m s 的关键技术之一，是c i m s 发展的核心。c i m s 是在自动化技术，信息技术 及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动所需的各种分散 的自动化系统有机地集成起来，是适合于多品种，中小批量生产的总体高效益，高柔性 的智能制造系统【4 】。c i m s 的信息集成是指：由c a d 对产品进行定义的结果能在没有或 少量人工干预的情况下为c a m 所接受，从而产生出相应的加工指令，实现生产过程自 动化。在c i m s 环境下，c a d c a m 对产品的几何描述更为完备，数据结构与数据库采 用统一的规则，整个系统包含了仿真、专家系统、人一机接口以及信息管理系统等多种 技术【5 】。 由于传统的c a d 、c a p p 、c a m 等系统是在其特定的环境中独立地发展起来的， 因而形成了彼此之间自成体系的“自动化孤岛”，要实现c a d 、c a p p 、c a m 各模块间 信息统一的整体集成需要具备两个基本要烈6 】：( 1 ) c a d 系统能提供完备的、统一的、 符合某种标准的产品信息模型，使c a p p 及c a m 环节能从该模型中获取所需信息，将 c a d 设计模型转换成制造模型。 ( 2 ) c a d c a m 各模块间能通畅地进行数据的通讯 和交换。 目前实现c a d c a m 集成主要有两种途径：一是利用专用数据转换接口将现有 c a d 、c a p p 和c a m 系统连接起来，二是开发高层次集成的c a d c a m 系统【”。 1 通过接口实现不同系统间的连接 通过接口来连接c a d c a m 系统的方法有两种方式，一种是采用专用接口进行数据 转换( 如图1 2 所示) 。另一种是通过标准格式进行数据转换( 如图1 - 3 所示) 。 第一章绪论 第一种连接方式通用性较差，当c a d 系统升级或表达数据结构发生变更时接口程 序也要随之进行修改。第二种连接方式通用性较好，借助符合标准格式的前后置处理器， 可以进行不同系统问的数据转换。当前最常用的不同c a d 和系统之间进行数据交换的 标准是i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 标准。i g e s 应用广泛，但也存在一 些问题。如只能传输几何图形及相应的尺寸标注、说明、无法描述工业环境所需的产品 数据的全部信息。另外i g e s 本身也不够完善，数据格式过于复杂，定义不够严密，数 据交换不稳定，容易丢失数据等。 图1 - 2 专用数据接口 图1 - 3 标准格式的数据接口 这种通过接口来进行数据转换的方式只是一种对现有独立发展的c a d 、c a p p 、 c a m 系统集成的补救措施。由于各系统问对信息表达的差异和处理的不同，这种集成 会造成大量的数据重复输入和信息重复处理，而且难以实现真正意义上的集成。 2 基于产品数据模型的c a d c a m 系统的集成 鉴于第一种集成方式的局限性和c a d c a m 系统不断向标准化方向发展，人们提出 了通过统一的产品数据模型来实现c a d c a m 一体化的集成模式。采用这种集成模式， 各子系统之间可在统一的产品数据模型上直接进行数据交换，并通过统的数据库来管 理数据，方便地实现产品设计、工艺规程编制、数控自动编程、生产过程控制、质量控 制和生产管理等产品生产全过程的信息统一集成。理想的集成模式如图1 4 所示。 图1 - 4 基于产品数据模型的c a d c a m 集成 以产品模型为基础实现c a d 、c a m 以至c i m s 的集成已被公认为是理想的集成方 式。国际标准化组织( i s o ) 开发的与数字式产品数据和生产制造管理数据有关的国际 s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 是一个建立适用于产品整个生 命周期中的能够用中性格式表达的计算机化产品模型，可以保证整个集成过程所要求的 信息完整性和集成性。s t e p 技术标准规定了产品设计、开发、研制及产品生命周期中 包括产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解程序、检验测试等必要的信息定 第一章绪论 义和数据交换的外部描述，能解决制造过程中的c a d 、c a p p 、c a m 、c a q 等子系统 的产品信息共享【8 1 。s t e p 是一种独立于c a d c a m 系统的中性机制平台，而且可以有 多种实现形式，即不仅适用于中性文件转换，并且支持应用程序内部的产品数据交换， 同时也是实现和共享产品数据库的基础。s t e p 标准已经作了大量的研究工作，文献【9 】 中介绍了一个s t e p e x p r e s s 语言集成开发软件平台，平台中设计者可以可视化地表 达零件结构，开发平台可以将这种可视化的表达转换为e x p r e s s 语言的表达格式。文 献i l u j 中介绍了一个基于s t e p 的平面粗切加工刀具路径生成系统，该系统将从c a d 模 型中提取数据，然后产生n c 代码。在文献i n 中介绍了个基于s t e p 产品数据表达的 计算机辅助工艺设计系统。在此系统中综合了e x p r e s s 、c + + 表达和r o s e 数据库建 立了一个基于s 1 1 弹的应用网络。 1 3 2c a d c a m 集成技术发展趋势及特点 目前所开发的一些c a d c a m 集成软件都是基于c a d 系统的模块集成，即c a d 、 c a p p 、c a m 虽然运行于统一的集成软件环境之中，但各系统仍是具有独立的数据表达， 具是能独立运行的模块。要真正解决好c a d c a m 集成的问题必须解决好q 址伽p 的集成和c a p p c a m 之间的集成。如何解决好这两个问题，使c a p p 起到联接c a d 和 c a m 的桥梁作用，是实现c a d c a m 真正集成的关键。 1 c a d c a p p 的集成 c a d 系统从早期的致力于提高绘图的工作效率，发展到当今的注重对工程对象的 几何造型。它经历了二维模型、三维线框模型、曲面模型、实体模型、特征模型【1 2 1 的由 低向高的发展过程。c a d 技术本身也经历了从无约束自由造型到参数化造型技术和变 量化造型技术，是c a d 技术取得较大发展的几个历程。 目前的c a d 系统建模技术主要是面向产品的几何建模，几何模型虽然能准确描述 三维实体，但单纯的几何建模不能有效地描述和处理产品从设计到制造全过程的需要， 这是造成c a d c a m 集成难以实现的一个主要原因。由于c a d 系统所要求的造型特征 和c a p p 系统所要求的制造特征在定义和描述上存在着差异，虽然c a d 系统输出的设 计特征模型为后续c a p p 、c a m 系统提供了一定的信息，但c a d 系统所用的设计特征 不能直接用于c a p p 的工艺决策推理。零件加工的工艺规划要求通过类似于孔、槽和腔 槽这样的加工特征对零件进行描述，因此，必须进行特征模型的理解转换1 1 3 1 ，即进行特 征识别，即将零件的设计特征转换成加工特征。特征识别已进行了大量的研究u 4 1 5 ”】， 由于高层次的特征( 如：材料特征、精度特征、工艺方面的特征) ，难以从设计阶段获 得，而且只能识别一些简单的形状特征，无法识别特征之间的关系，具有很大的局限性， 难以从根本上解决c a d c a p p 的信息共享问题。 c a p p 系统从工作原理来划分可以分成变异式、综合式、创成式和人工智能方法等 系统，从开发模式来分，可分为专用型c a p p 系统、工具型c a p p 系统和开发平台型 c a p p 系统【1 7 。由于工艺设计是一项复杂的工作，而且工艺设计本身尚缺乏坚实的理论 第一章绪论 基础，同时由于计算机本身的发展仍有很大的局限性，所以至今还没有商品化的c a p p 系统。 c a p p 是联结c a d 和c a m 的桥梁，c a p p 的研究对c a d 和c a m 的有效集成具有 关键的作用。近年来，国内外开发了许多c a p p 系统，由于工艺设计受具体制造环境及 传统经验和习惯的影响，真正能用于生产实际的并不多，且多为专用c a p p 系统和工具 型c a p p 系统【l ”，而高水平的c a p p 系统，即能真正实现c a d c a p p c a m 集成的系统 尚未闻报道。 c a p p 系统所需零件信息包括零件的几何信息、制造信息和加工特征等。c a p p 系 统所需的零件定义数据的输入一般有两种方法：1 零件分类编码法，即按成组工艺逻辑 模式对要输入的零件定义数据进行分类编码。2 零件描述法，即按为c a p p 系统提供详 细信息的零件描述格式对要输入的零件定义数据进行描述。建立统一的基于特征的c a d 系统是解决c a p p 工艺自动生成的信息表达的一个方法。由于c a p p 系统自身的限制， 如工艺自动生成复杂，工艺规程复杂多变，在不同的环境，不同的加工场合和加工条件 下，同一零件的加工工艺也不尽相同。所以，针对某种特殊的应用环境适度简化 c a d c a p p 集成和工艺自动生成的难度，是实现c a d c a m 真正集成的一个有力措施。 c a d c a m 的未来取决于容易生成的特殊的c a d c a m 软件而不是非常大的通用 c a d ，c a m 系统州。 2 c a p p ，c a m 集成 在c a d c a m 技术中，c a m 是c a d c a m 发挥效益最直接、最明显的环节之一。 对于零件形状复杂，加工精度要求高，数控加工的优越性体现得越明显。数控编程有数 控语言编程、图形编程、直接计算机编程和面向车间的数控编程等形式： ( 1 ) 数控语言编程 以a p t 语言为代表的是当今发展最广的n c 程序设计语言。这种编程方法用语句 形式描述加工零件的几何形状，走刀路线，工艺参数等内容，以批处理方式运行，然后 生成刀位点数据，再经后置处理，生成加工代码。类似a p t 语言的其它的编程语言有 m i n i a p t 、t e l e a p t 、c o m p a c t i i ，e l a n p a l 等。 ( 2 ) 交互式图形编程 交互式图形编程是借助c a d 图形，以人一机交互的方式将有关工艺路线及参数输 入编程系统，再由编程系统生成数控加工代码。目前的c a d c a m 系统其c a d 与c a m 模块可独立运行，它们往往具有自备的一套图形设计与编辑功能。但这些编程模块缺乏 自动工艺分析的能力，其工艺信息要编程人员交甄输入。还有一些单独运行的c a m 软 件系统，如m a s t e r c a m ，s u f f c a m 等，它们往往带有简单的c a d 功能，而侧重在数 控上。 ( 3 ) 直接计算机编程 当采用数控语言和交互式图形编程难以解决时，采用直接计算机辅助编程是一种有 效经济的方法。此方法针对某一具体加工对象，直接编写计算程序，产生刀位数据和数 据代码。这种编程方法对编程人员要求较高。 ( 4 ) 面向车间的数控编程 第一章绪论 面向车间( w o p ) 的数控编程方法是一种新的编程方法。编程人员通过交互图形系 统并根据零件的要求直接生成数控加工程序。面向车间的编程系统引入了图形界面，使 用图形符号来代替数控语句，然后按照菜单选择和屏幕提示编程。面向车间的数控编程 进一步提高了自动数控编程的效率1 2 1 , 2 2 。 上面所述的编程方法都是作为个独立的体系发展起来的。它们只是借助于c a d 系统获取所需的零件结构数据，而且在大部分情况下缺乏工艺分析和处理的能力，并且 编程时，需要编程人员过多地交互操作，干预层次较低，对编程人员要求较高。这种缺 乏c a p p 功能的自动编程不是真正的集成，也没有达到更高效率的自动。 由于c a p p 至今还没有达到成熟的商品化的程度，关于c a p p c a m 集成的文献资 料不多，有关研究也较少。造成这种困难的原因是目前的c a p p 只是作为一种单元技术， 有自己的独立运行方式。o 奸p 系统生成的工艺只是零件生产过程的加工工艺，这种工 艺往往难以自动生成，无法符合复杂的现场加工情况，只能针对某一类具体的零件或具 体的加工环境来自动生成。这种工艺只是一个实际加工的指导性文件，对于具体各工步 自动化加工则缺乏详细的加工信息，要靠操作人员自己完成，从而造成自动加工时人工 干预层次较低，加工人员要进行很多低级的重复性工作，影响产品生产效率。这种指导 性的工艺信息，难以为c a m 系统直接利用和处理，从而增加了c a p p c a m 集成的难 度。如何使c a m 系统直接处理c a p p 系统的工艺信息，以实现高层次的集成化加工是 还须进一步研究的问题。 建立统一的产品定义模型是克服c a d c a m 集成的困难，从根本上解决c a d c a m 集成问题的有效途径。在构造c a d c a m 系统的初期就从集成的要求出发，把设计制造 产品的相关信息通过统一的定义模型来表达，使产品模型不仅包括产品设计必须的数 据，而且为工艺规程设计，数控编程以及产品检验等环节提供必要的数据支持。特征建 模可以解决c a d c a m 集成的信息交换问题，同时也符合并行设计的概念，即在设计阶 段就考虑与制造有关的后继操作。基于特征的集成系统具有完备的信息管理，克服了传 统的c a d c a m 集成的信息表达不完备的缺点。基于特征建模的c a d c a m 系统是一 个新的发展趋势和研究方向。 当前的c a d c a m 集成技术发展的主要趋势是集成化，智能化，网络化和并行工程。 参数化的基于特征造型的c a d c a m 系统成为了一些成熟商业软件的主流。这些软件的 集成度很高，众多的模块几乎涉及整个机械产品开发的全过程，其适用领域也更加广泛， 如s d r c 公司的i - - - d e a s 软件是一个用于工程部门的具有设计、绘图、工程分析、塑 料模拟、数控编程和测试集成功能的综合机械设计自动化软件系统。美国p t c 公司的 p r o e n g i n e e r 软件采用参数化和特征化的实体模型实现了产品零件或组件从概念设计 到制造全过程的新一代c a d c a m 集成软件。系统具有全关联性，在统一的具有关联性 的数据库的基础上任何一处修改，其他有关地方都会相应自动修改田j 。随着人工智能技 术的发展和引入，i c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ) 技术是传统c a d 技术与人工智能技术相结 合的产物【洲，基于i c a d 的系统除了具有原有系统的优势外，还能代替设计人员完成一 定的智能工作，使计算机可以更高效地工作，从而减少对人的依赖。文献瞄5 j 在a u t o c a d 的基础上开发了一个齿轮设计的智能c a d 系统，当设计参数输入后，系统能自动完成 第一章绪论 图形绘制和尺寸标注。在文献1 2 6 1 中介绍了一个基于逻辑推理的集成化、智能化的 c a d c a p p c a f p ( 计算机辅助夹具设计原型系统。文献【2 7 】中就如何利用现有的c a d 、 c a m 技术及人工智能技术，并行地考虑产品的性能、成本、可制造性、可维护性等进 行了探讨，建立了一个支持并行工程方法的产品开发模型。i c t ( i n d u s t f i a ic o m p u t e d t o m o g r a p h y ) 和r p & m ( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n a f a c t u r i n g ) 快速原型系统制造技术是现 代c a d c a m 技术的一个新的分支幽】。e p d ( e l e c t r o n i cp r o d u c td e f i n i t i o n ) 将一个新产品 概念设计到制成最终产品的整个过程在计算机上用统一的数字和图形模型给以全面的 描述，所有相关的设计部门及设计者、组织管理部门和最终的生产者，在不同地区工作 都能够依据自身的权限对同一产品的计算机化模型进行并行的设计、修改和验证岬1 。 e p d 技术是c a d c a m 集成技术网络化和并行工程相结合的新技术。 c a d ，c a m 集成技术是实现并行工程、c i m s 的技术基础。当前c a d ，c a m 软件 方面向大型化、全功能、高集成方向发展，另一方面向小型化、针对某一类零件的专用 c a d c a m 系统、使用灵活方便，设计生产效率高方向发展。随着新的技术的不断融入 和计算机软硬件技术的发展，c a d ，c a m 集成技术也会逐渐走向新的阶段。 1 4 计算机集成制造系统对c a d 技术的影响 自从1 9 7 3 年美国的约瑟