（机械设计及理论专业论文）基于proengineer木工铣刀参数化设计系统的研究与开发.pdf

摘要 木工刀具是用来切削木材和各种类型的人造板如纤维板、刨花板和胶合板的 工具。随着我国木材加工业和家具制造业的快速发展以及木工机械的数控化趋势， 传统的木工刀具无论是在结构，还是设计方法上已经越来越不能满足生产的需要 了。而木工刀具是影响木材加工产品质量的关键因素，刀具结构的合理与否直接 关系到产品的质量和企业的经济效益与市场竞争力 长期以来，我国木工刀具的设计仍以人工操作为主，设计人员要手工查表、 计算、绘图等，重复劳动量大、效率低、周期长、错误率较高。目前国内对于木 工刀具的研究大都是刀具新材料的研发，而对于木工刀具c a d 系统的研究还停 留在初步阶段。只有天津科技大学于2 0 0 2 年，在“木工整体铲齿成形铣刀c a d 系统的开发”中，以木工刀具设计理论和计算机图形学为基础，对木工整体铲齿成 形铣刀c a d 系统的构成进行了研究。 针对于这种情况，本文对木工刀具中应用最广的铣刀，利用三维机械设计软 件p r o e n g i n e e r 的p r o t o o l k i t 二次开发功能，结合v c + + 6 0 编程软件和数 据库开发工具m i c r o s o f t a c c e s s ，开发了木工铣刀参数化设计系统。本系统的主要 功能：( 1 ) 对于常用的木工铣刀，利用p r o e n g i n e e r 和参数化技术建立了参数化三 维零件库。设计人员在选择不同的模型参数时，系统会自动绘制铣刀的三维参数 化模型。( 2 ) 利用p r o t o o l k i t 二次开发技术和v c + + 6 0 开发参数化设计系统的 菜单和用户界面，通过菜单和用户界面，设计人员根据所要加工的工件，可以方 便、快捷的设计出铣刀的参数化模型，并且可以随时通过参数控制来修改铣刀模 型的形状。( 3 ) 利用数据库技术建立了铣刀库，实现了对铣刀的管理，并能通过 o l e 编程将铣刀数据输出为e x c e l 报表。除此之外，本系统还具有操作方式简 单、用户界面良好等特点，系统具有一定的实用性。 关键词：木工铣刀；参数化；二次开发；p r o e n g i n o o r a b s t r a c t t h ew o o d w o r k i n gc o r e ri st h et o o l st h a tu s e df o rc u t t i n gt i m b e ra n dt h ev a r i o u s t y p eo fw o o d b a s e dp a n e l s ，s u c h 船f i b r e b o a r d ，f l a k e b o a r da n dv e n e e r a l o n gw i t ht h e f a s td e v e l o p m e n to ft i m b e rp r o c e s s i n gi n d u s t r ya n dt h ef u r n i t u r em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r ya n dt h en u m e r i c a lc o n t r o lu c o do fw o o d w o r k e ri no u rc o u n t r y , n o to n l yi nt h e s t r u c t u r e ，b u ta l s oi nt h ed e s i g nm e t h o d , t h et r a d i t i o n a lw o o d w o r k e rh a sa l r e a d yc a n t s a t i s f i e dt h en e e do ft h ep r o d u c e t h ew o o d w o r k e ri st h ek e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c et h e q u a l i t yo ft i m b e rp r o c e s s i n gp r o d u c t , r e a s o n a b l eo fs t r u c t u r er e l a t et ot h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t ，t h ep e r f o r m a n c eo fe c o n o m i ca n dt h ea b i l i t yo fm a r k e tc o m p e t i t i o nd i r e c t l y f o ral o n gt i m e ，a r t i f i c i a lo p e r a t i o n i st h em a i nw a yi nt h ew o o d w o r k e rd e s i g no f o u rc o u n t r y , t h ed e s i g n e rn e f a ：lt oc h e c kf o r m , c o m p u t e ，p a i n tb yh a n d ，s oi th a sg r e a t r e p e a t i n gw o r k ，l o we f f i c i e n c y , l o n gp e f i o d a n dh i g hm i s t a k er a t e c u r r e n t l y , m o s to f t h e r e s e a r c h0 1 1w o o d w o r k e ri no u rc o u n t r yi sd e v e l o p m e n to ft h en e wm a t e r i a l ，b u tt h e s t u d yo nt h ec a ds y s t e ma b o u tt h ew o o d w o r k e rs t i l ls t a yt h ei n i t i a ls t a g e i n 2 0 0 2 ，o n l yt i a n j i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i nt h ep a p e ro f d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e mf o rw o o d w o r k i n gr e l i e v i n gi n t e g r a t e d f o r m e d m i l l i n gc u r e r 。, i td i s c u s s e st h eu s eo ft h ew o o d w o r k i n gr e l i e v i n gi n t e g r a t e d f o r m e d m i l l i n gc u t t e rc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( w r i f c a d ) p r o g r a mt od e s i g nac u t t e rf o ra m i l l i n gm a c h i n et h a tw o u l db eu s e df o rw o o d w o r k i n ga p p l i c a t i o n s t h ec u t t e rh a sa n i n t e g r a t e dr e l i e fd e s i g n e di n t oi t t h ew r i f c a ds y s t e mi sb a s e do nt h ew o o d w o r k i n g c u t t e rd e s i g nt h e o r ya n dw a sd e v e l o p e dw i t ht h eu s eo fc o m p u t e rg r a p h i c s i nt h i sc i r c u m s t a n c e , t h i st h e s i sa i m sa t m i l l i n gc u t t e rt h a tw i d e l yu s e di n w o o d w o r k i n gc u t t e r , m a k i n g u s eo ft h ep r o f r o o l k i t ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t f u n c t i o n so ft h e3 dm a c h i n ed e s i g ns o f t w a r e - - p r o e n g i n e e r , c o m b i n i n gv c + + 6 0 ，t h e p r o g r a m m es o f t w a r e ，a n dm i c r o s o f ta c c e s s ，t h ed a t a b a s ed e v e l o pt o o l ，d e v e l o p e dt h e p a r a m e t e r i cs y s t e mo fw o o d w o r k i n gm i l l i n gc o t t e r t h e m a i nf u n c t i o no ft h i s s y s t e m ：( 1 ) m a k eu s eo ft h ep r o e n g i n e e ra n dp a r a m e t e r i ct e c h n i q u et oe s t a b l i s h p a r a m e t e r i c3 da c c e s s a r yd a t a b a s ei nc o m m o nu s e dw o o d w o r k i n gm i l l i n gc u t t e r t h e s y s t e mw i l ld r a wt h e3 dp a r a m e t e r i cw o o d w o r k i n gm i l l i n gc u t t e rm o d e la u t o m a t i c a l l y w h i l ed e s i g n e rc h o o s ed i f f e r e n tm o d e lp a r a m e t e r ( 2 ) m a k eu s eo ft h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt e c h n i q u eo fp r o t o o l k i t , t h em e n ua n dt h e u s e r - i n t e r f a c eo f v c + + 6 0 d e v e l o p m e n tp a r a m e t e r i cs y s t e m , t h r o u g ht h em e n ua n dt h eu s e r - i n t e r f a c e ，a c c o r d i n g t ot h ew o r k p i e c et h a tt h ed e s i g n e rw a n tt op r o c e s s e d ，i tc a nb ec o n v e n i e n t l ya n df a s t l y d e s i g nap a r a m e t e r i cm o d e lo fw o o d w o r k i n gm i l l i n gc u t t e r , a n dc a np a s sp a r a m e t e r i e c o n 仃o la n dm o d i f i c a t i o nt h em i l l i n gc u t t e rm o d e la ta n yt i m e ( 3 ) m a k eu s eo ft h e d a t a b a s et e c h n i q u eb u i l du pt h em i l l i n gc u t t e rd a t a b a s e ，a n dr e a l i z et ot h em i l l i n g c u r e rm a n a g e m e n t ，a n dc a nt u r nt h em i l l i n gc u t t e rd a t at h r o u g ht h eo l ep r o g r a m m i n g t ob et h ee x c e lr e p o r tf o r m i na d d i t i o n , t h es t a n d a r dp a r td a t e b a s ep o s s e s s e s r e l i a b i l i t y , g e n e r a l i t y ，s i m p l eo p e r a t i o na n df r i e n d l yu s e r - i n t e r f a c e , t h es t a n d a r dp a r t d a t e b a s eh a sp r a c t i c a l i t yi ns o m ew a y k e yw o r d s ：w o o d w o r k i n gm i h i n gc u t t e r ；p a r a m e t e r i c ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； p r o e n g _ j n e e r ； m 中南林业科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：哲餐孚 矽“年莎月j 矿目 中南林业科技大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 业科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请您在以上相应方框打“”) 作者签名：韶链盈导师签名：乒蕊砗 7 鲫5 年6 月，日参嘭年6 月l 争日 中南林业科技大学2 0 0 6 届工科硕士研究生毕业论文 1 绪言 刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具广义的切削工具包 括刀具和磨具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用 的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀 具。用来切削木材和各种类型的人造板如纤维板、刨花板和胶合板等的刀具则称 为木工刀具。木工刀具广泛用于木材加工、家具制造和人造板生产企业，在木材 加工制造业中占有很重要的地位。 1 1 木工刀具发展现状及发展趋势 1 1 1 木工刀具发展现状 刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前2 8 前2 0 世纪，就已经出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期( 公元前三世 纪) ，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和 锯已经有些相似之处了 1 1 。 然丽，木工刀具的快速发展是在1 8 世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来 的。自英国人瓦特发明了蒸汽机以后，相继出现了机动木材加工机床及机动刀具； 公元1 3 8 4 年框锯机首先出现于欧洲，圆锯机于1 7 7 7 年由荷兰人发明，1 7 9 1 年英 国人本沁( s a u m e lb e n t h e m ) 发明了平刨床和铣床【2 】。1 7 9 2 年，英国的莫兹利制出 丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1 8 2 2 年，但直到1 8 6 4 年才 作为商品生产【3 1 。 在木工刀具材料方面，1 8 6 8 年之前的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用 的切削速度约为5 m m i n 。1 8 6 8 年英国人穆舍特制成含钨的合金工具钢，刀具的 切削速度提高到约8 m r a i n 。1 8 9 8 年，美国的泰勒和怀特发明高速钢【4 】，其刀具切 削速度约为合金工具钢刀具的两倍。1 9 2 3 年，德国的施勒特尔发明硬质合金，又 将刀具的切削速度提高了两倍左右，而且切削加工出的工件表面质量和尺寸精度 也大大提高。1 9 7 9 年原联邦德国拉赫金刚石公司在德国汉诺威展览会上首次推出 木材加工业用聚晶金刚石( 简称p c d ) ，其刀具寿命可以达到硬质合金的l o 1 0 0 倍，甚至高达几百倍 5 1 。 在这些刀具材料中，硬质合金木工刀具的应用最广泛，它约占木工刀具整数 的7 0 8 0 。2 0 多年前，硬质合金木工刀具应用就已经十分普遍。近年来，随 着高强度和高硬度兼备的细颗粒和超细颗粒硬质合金的开发，使硬质合金材料的 强度可高达4 3 0 0 m p a ，可以代替高速钢制造小规格的钻头、立铣刀和丝锥等。使 基于p r o e n g i n e e r 木工铣刀参数化设计系统的研究与开发 硬质合金木工刀具的应用范围进一步扩大。目前，德国和瑞典的硬质合金木工刀 具生产技术水平是世界上领先的，尤其是德国的蓝帜( l e i t z ) ，乐客( l e u c o ) 、斯特 利( s t e h l e ) 和瑞典的山特维克( s a n d v i k ) 四家大公司的产品品种和产量占世界木工 刀具市场的6 0 以上【6 7 1 。在国内，湖南株洲硬质合金集团有限公司、上海工具 厂有限公司等企业也都能生产硬质合金木工刀具。 在木材加工行业最早采用p c d 作为刀具材料的是复合人造金刚石木工铣刀 片、钻头的刀头以及木工圆锯片的刀头。近十多年来，p c d 木工刀具也得到广泛 的应用，出现了如多锯片圆锯、成形铣刀、粉碎刀、镂铣刀等多种p c d 木工刀具， 在国内它主要用于强化地板生产设备中。目前，国内木工刀具行业中，蓝帜 ( l e i t z ) ( 南京) 工具有限公司、上海乐客( l e u c o ) 精密刀具刃磨有限公司和深圳润祥 精密机械有限公司，这些中外合资企业都能生产这种类型的刀具，但内地企业很 少能生产嘲 在木工刀具材料的表面处理方面。1 9 6 9 年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气 相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利 9 1 1 9 7 2 年，美国的邦沙和拉古 兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬 质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合 起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。p c d 涂层木工刀具是近年来研 究的热点，它是采用热丝加热化学气相沉积法，将金刚石薄膜涂覆在硬质合金刀 片上，这样把金刚石的高硬度和抗磨性与硬质合金的韧性和抗冲击性结合起来， 既具备良好的冲击韧性，又有极高的耐磨性和化学稳定性，这将大大提高刀具的 耐磨性和降低刀具的崩刃的概率【l o 】。 在木工刀具的结构方面。最初的刀具由高碳工具钢整体加工而成。随着硬质 合金和p c d 等高硬度和高强度刀具材料的出现，木工刀具出现焊接式整体结构和 装配式结构刀具。焊接式刀具是将硬质合金或p c d 材料刀片或刀齿焊接在刀体上 形成一个整体；装配式刀具是将刀片或刀齿用机械夹固的方法装配在铣刀体上， 刀片可以更换或换位。这样，既节约贵重金属，降低刀具成本，又不影响刀具的 切削性能。随着被加工工件截形越来越复杂，当用单件刀具加工不合理，甚至无 法加工时，组合刀具出现了。组合刀具是由两个或两个以上的刀具组合而成。组 成组合刀具的单件刀具可以是整体的，也可以是装配的。 1 1 2 木工刀具发展趋势 在木工刀具从手工变为机动的锯、铣、刨、钻、车、砂光等切削方式和新刀 具材料出现的同时，在木材切削理论的研究方面也有很大的发展，奠基人基美 ( m a m u u e ) 研究了切屑的形成和切削种类，对于基本切削的三个典型情况( 纵向 切削、横向切削、端向切削) ，测定了木材纤维组织对切削压力的影响，1 8 7 0 年 2 中南林业科技大学2 0 0 6 届工科硕士研究生毕业论文 出版的金属与木材的切削阻力一书，最先让我们把切削过程看成复杂的物理 现象。到目前为止，对木材切削理论进行的研究，主要集中在木材切削性质、切 削阻力的测定、单位切削功、木材切削用量、新型木工刀具材料的研究等方面。 木材切削刀具的发展与木工机床的发展、木工加工工艺的要求、材料科学的发展 以及试验手段的现代化密切相关，其发展趋势主要体现在下面五个方面【l l 】： ( 1 ) 探索新的加工方法 通常的锯、铣、刨、钻、磨等传统的切削加工所产生的切屑较多。为了减少 切屑损失，提高木材利用率，提高加工质量和生产率而不断探索新的加工方法。 比如：激光、等离子体、高压喷水、无齿锯、振动等加工方法。 ( 2 ) 开发精密和超精密加工刀具 这类刀具的研究代表了一个国家制造领域的高技术水准，直接影响到机械、 国防、电子、计算机等许多方面的发展。超精密刀具技术主要是金刚石刀具刃磨 技术和其他新型超硬刀具材料的研究与开发。 ( 3 ) 开发多功能刀具 多功能刀具是指用一把刀就能实现多把刀具才能实现的加工，即实现一次安 装完成多次走刀的要求。发展这样的刀具可有效避免频繁换刀和对刀，减少辅助 时间，提高生产率和加工精度。 ( 4 ) 开发适应性超强的柔性化刀具 当今材料种类繁多，如一种或几种材料对应设计一把专用刀具，不但会造成 刀具的设计、制造、管理和选用等许多麻烦问题，而且各种制造、管理费用也高。 因此，开发通用性好、适应性强，能够在多种条件下均能正常工作的刀具是刀具 业的一个发展方向。 ( 5 ) 开发高刚性连接系统、模块化刀具设计管理系统和刀具监控与诊断系统 零件的加工精度、生产率和成本、刀与机的连接刚性与换刀精度、刀具的磨 损、刀具的高稳定性和可靠性等许多问题均与上述各系统有着密切的关系。因此， 开发这类系统是整个制造业发展的需要。 1 2 木工刀具c a d 系统的发展现状 刀具c a d 系统是在工作站和微机系统上进行刀具软件的开发和应用、集辅 助设计、管理、制造和分析为一体的系统。它具有高智能性和高效率等特点，因 此，国内许多企业和科研机构都在研究适合于本企业的刀具c a d 系统。我国研 究刀具c a d 系统起步较晚，它的发展大体分为三个阶段【1 2 1 。 1 2 1 刀具c a d 系统发展的第一阶段 在1 9 9 5 年之前，我国刀具c a d 系统的研究工作主要是对c a d 系统的模型 基于p r o e n g i n e e r 术工铣刀参数化设计系统的研究与开发 建立、算法研究和系统构成的讨论。沈阳工业大学在“复杂刀具c a d 支撑软件 的探讨”中，为我国通用复杂刀具c a d 软件的开发提出了思路，论述了系统的 基本构成部分，以及刀具c a d 软件在未来机械制造厂中的使用价值，该项目是 “八五”机电部科技攻关项目。太原重型机械学院利用a u t o c a d 中的a m e ，通 过并、交、差的集合运算实施实体造型，在“准双曲面齿轮刀具c a d 图形处理 技术”方面有了创新【1 扪山东工业大学在“智能刀具c a d 系统中刀具表面和几 何角度的适应性模型”研究中，利用离散点集近似表示方法，提出了一种适应于 各种刀具的表面近似模型，然后推导出了刀具几何角度的通用计算表达式，此课 题得到了山东省自然科学基金的资助【堋。这些研究由于受到当时计算机技术的限 制，刀具c a d 软件还是在d o s 下运行的应用软件。 1 2 2 刀具c a d 系统发展的第二阶段 从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年，在w i n d o w s 操作系统的应用和普及下，人们开始设计 在视窗操作系统下使用的刀具c a d 软件。哈尔滨工业大学在“可转位车刀c a d 参数化系统”中，介绍了基于a u t o c a d r l 3 的可转位车刀参数化c a d 系统【l ”。 该系统借鉴特征造型原理，建立了可转位车刀的刀槽、刀杆特征图素库及标准附 件库，通过对特征图素的实例化、拼接及对标准附件的引用，建立了刀具工作图 和装配图大连理工大学先进制造技术研究所在。基于知识的刀具c a d 模式研 究”中，以分析刀具实际过程和知识特点为基础，结合齿轮滚刀c a d 系统，对 刀具c a d 系统的框架结构、知识表示、工作图绘制等关键技术进行了探讨l l q 。 华东交通大学在“刀具系统参变量化智能c a d 绘图”中以成形铣刀设计为实例， 提出如何解决刀具设计c a d 系统中智能化设计、变参数绘图、标准刀具参数合 理选择和参数绘图一体化的问题【1 。”。随后，又以可转位车刀智能化设计为例，在 。多任务集成刀具智能化c a d 系统的开发”中，说明参数的提取、框架的设计 和对象的构思【l s l 。天津理工大学在“一种用于复杂刀具多参数设计的c a d 方法” 中，以蜗轮滚刀设计为例，介绍了c a d 软件的总体结构、功能设计以及f o x b a s e + 与v c + + 、a u t d i s p 语言间的数据通讯，其是天津市2 l 世纪青年科学基金资助项目 【1 9 1 华中理工大学在“面向对象的齿轮刀具c a d 系统”中，通过分析齿轮刀具 c a d 的应用对象及功能要求，提出了面向对象的齿轮刀具c a d 系统的总体设计 方案及功能模块划分，探讨了齿轮刀具c a d 系统的关键技术及解决方案 2 0 l 。华 中科技大学机械学院数控研究所在“v c 环境下利用s q ls e r v e r 与o b j e c t a r x 开 发智能参数化刀具实体模型库”中，对v c + + 、s q ls e v e r 和a u t o c a d 相互通讯 的技术进行了深入研究 2 1 1 。在该阶段，刀具c a d 系统研发重点主要集中于参数 化绘图和模型库的建立，同时，随着计算机语言的发展，一些更流行的编程语言 和技术开始尝试应用在刀具c a d 系统的研发中 4 中南林业科技大学2 0 0 6 届工科硕士研究生毕业论文 1 2 3 刀具c a d 系统发展的第三阶段 2 0 0 0 年以后，刀具c a d 系统的研究工作更是百花齐放，多种专用刀具c a d 软件相继研发成功。华北工学院工艺研究所经过几年的科研与实践，相继完成了 枪钻、b t a 钻、单管内排屑深孔钻、机夹深孔镗头等深孔刀具的系列化，并在此 基础上研制开发了相应的系列化深孔刀具及辅具的c a d c a m 一体化系统。第一 汽车集团公司工具厂在“插齿刀c a d 系统的开发与应用”中提出利用v b 6 0 和 a u t o c a dr 1 4 开发出一套集设计计算、参数查询、绘图输出、刀具信息管理、齿 形包络模拟等功能于一体的集成化插齿刀c a d 系统，大大提高了插齿刀的设计 质量和效率f 2 2 1 。华东交通大学在“用a c t i v e x 技术开发智能化刀具c a d 系统” 中，提出了切削法造型的构造思维，并用实例详细说明了用a u t o c a d a c t i v e x 技 术构造刀具零件模型及进行刀具装配体的干涉检验1 2 3 。焦作工学院与武汉煤炭设 计研究院在“成形车刀的计算机辅助设计”中，提出在a u t o c a d 2 0 0 0 平台上， 利用v b a 技术开发成形车刀的c a d 软件，可以大大提高成形车刀的设计效率和 设计质量【卅。华侨大学在。立铣铣削加工参数和铣刀几何参数的计算机辅助设计” 中，以立铣加工过程动态铣削力非线性模糊为基础，采用变步长数值积分算法和 递推算法建立起动态立铣加工过程的计算机仿真模型，通过输入不同的立铣加工 参数和铣刀的几何参数，在时域内利用计算机来仿真机床的铣削振动瞄】。以刀具 工件系统的相对振动位移振幅最小为目标，完成铣削加工参数和铣刀几何参 数的设计。 不难看出，刀具c a d 系统的研发工作在国内已经全面展开。高校、科研机 构和企业单位都在积极投入，从早期在d o s 下对c a d 系统的模型建立、算法研 究、系统构成的讨论，之后经历视窗平台早期的参数化绘图、模型库的建立，现 在已经发展到在设计多种专用刀具时使用各种应用软件，可以说近几年刀具c a d 系统发展取得了巨大进步和成绩。 1 2 4 木工刀具c a d 系统的发展现状 近十年来，刀具c a d 系统的研发工作成绩斐然。然而，刀具c a d 的使用范 围还是停留在金属切削加工中金工刀具的设计上，在其它切削加工领域相应的刀 具c a d 软件的研发工作还很少。比如在木工刀具设计中，只有天津科技大学于 2 0 0 2 年，在“木工整体铲齿成形铣刀c a d 系统的开发”中，以木工刀具设计理 论和计算机图形学为基础，对木工整体铲齿成形铣刀c a d 系统的构成进行了研 究。该系统以v b 和内嵌于a u t o c a d 的a u t o l i s p 语言为开发工具，采用结构化 总体设计与面向对象的可视化模块编程相结合的设计思路陋l 。该系统使设计人员 从大量的重复劳动中解脱出来，进行创造性的工作，为木工刀具企业的自动化、 5 基于p r o 肥n g i n e e r 木工铣刀参数化设计系统的研究与开发 科学化和智能化生产提供了强有力的支持。在国外，德国蓝帜( l e i t z ) 集团、乐客 ( l e u c o ) 集团等木工刀具业龙头企业在刀具设计方面起步早，设计历史悠久，又由 于国外的计算机使用相对我国较普及，使得这些企业都在多种刀具的设计中使用 相应的刀具c a d 系统【z 7 s l 。 因此，刀具c a d 系统的未来任重道远。在完善金工刀具c a d 软件的基础上， 尽快研发出适用于其他加工领域如木材加工业的刀具c a d 软件，从而全面提高 我国刀具生产企业的设计效率，降低刀具成本，增强我国刀具企业的市场竞争力。 1 3 本课题提出的意义 刀具设计是工装设计的重要组成部分，作为影响切削加工效率、精度和表面 质量的关键因素，快捷、正确的刀具设计是实现产品图纸性能要求的重要保证， 针对刀具设计中采用二维c a d 系统存在的种种弊端，开发具有通用刀具快速生 成模型和复杂刀具智能设计的刀具三维c a d 系统，是实现c i m s 一体化不可缺 少的环节，其带来的优点是显而易见的。 刀具的三维参数化设计，将使刀具设计从平面走向立体，设计错误可以及早 发现，保证产品的生产周期和设计性能，方便各个部门之间技术人员的沟通，采 用参数化技术，设计人员工作效率可以大幅提高，缩短刀具设计周期，保证了刀 具设计的标准化、规范化。 随着我国木材加工业的发展和家具制造业走入国际市场，国际间技术交流的 不断发展，木材加工业中的对外加工逐年增多，尤其是数控技术的不断发展，数 控机床进入木材切削加工行业，使得对木材切削刀具的系列化程度要求越来越高。 但是，目前我国的木工刀具系列化程度非常低，甚至在国内找不到一本比较全面 地介绍木工刀具设计方面的教材。对于木工刀具设计往往是借鉴金属加工刀具的 设计经验，或者将金属刀具做少许的修改就将其用在木材切削加工中。刀具生产 厂家对金属切削刀具的设计与研发比较重视，投入较多的资金；而对于木工刀具 的重视程度不高，资金投入相对较少。同时，目前国内许多企业的结构为“哑铃 型”，即非常重视产品设计研发和销售，企业内好的设计工具( 包括c a d 系统) 和 资金都倾向于产品设计部门，但与之形成鲜明对比的是，工装设计方面( 例如刀 具、夹具) 缺乏有力的c a d 系统技术支持，致使工作效率仍然很低，增加了产 品从设计到生产的周期，延误了产品从定货到交货的时间，难以满足充满激烈竞 争的市场需要。 目前国内刀具c a d 系统的开发平台主要是基于二维c a d 系统a u t o c a d ， 开发语言主要是较早的a u t o l i s p ，也有部分采用v i s u a lf o x p r o 开发界面并进行数 据库的管理。系统功能较为单一，开放性较差，大多数系统需要手工输入工件廓 6 中南林业科技大学2 0 0 6 届工科硕士研究生毕业论文 形数据，计算工作量较大，并只对刀具廓形进行了修正计算，只能自动绘制刀具 廓形，不能生成完整的刀具零件图，且刀具图样的尺寸公差、粗糙度、形位公差 等标注功能不完善，还不能自动生成刀具的三维模型，为后续集成的c a m 系统 提供可靠的输入数据。 另外，目前国内很多加工制造企业采用的c a d 软件都是p r o e n 酉n c c r 。 p m ，e n 西n e e r 是当今世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的c a d c a e c a m 参数化设计软件之一1 2 9 1 。它已经成为我国航空、航天、汽车、计算机、机械、木 材加工等领域的首选软件，在企业的c a d c a e ，c a m 中发挥着显著的作用但是 目前在刀具设计方面，国内基于p r o e n g i n e e r 平台的刀具c a d 系统的二次开发的 成功实践不多，但都是侧重于金属加工刀具的刀具管理系统方面，对于木材加工 刀具的设计很少涉及，本课题针对高端c a d 系统p r 0 但n 舀n e e l 的二次开发，能够 探索高端软件二次开发的商品化前景。 基于p r o ，e n g i e r 这种二次开发设计系统的技术适用于许多的产品设计，如 齿轮、轴承、螺栓和螺母等所有标准件；夹具和刀具等工装设备。本文选择木工 铣刀作为研究对象的理由：( 1 ) 国内对木工刀具的设计方面存在着严重的不足。国 内大多数刀具生产厂家都偏重于金属切削刀具的设计，而对于木工刀具设计还停 留在二维设计上；( 2 ) 木工铣刀是木工刀具里应用最多、最广泛的刀具。这种设计 系统得研究对象可以是所有木工刀具，乃至所有刀具但是时问有限。因此将木 工铣刀作为研究对象。 综上所述，依据企业目前的c a d 应用实际情况，开发出基于p r o e n g i n e e r 平台下的木工铣刀参数化设计系统，有着良好的现实应用效果和广阔的市场发展 前景。 1 4 本文用到的相关软件的简介 1 4 1p r o e n g i n e e r 软件的简介 p r o e n g i n e e r 软件是美国参数技术公司a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，简 称p t c ) 1 9 8 8 年首家推出的使用参数化特征造型技术的大型c a d c a m c a e 集成 软件，其系列软件使用于工业设计和机械设计，还包括对大型装配体的管理、功 能、分析制造和产品数据管理等，覆盖了众多的工程设计领域【3 0 3 1 1 。 p r o e n g i n e e r 是一个全方位的三维产品设计和开发软件，它集零件设计、产 品装配、模具开发、数控加工、钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、 自动测量、机构仿真、应力分析、电路布线、装配管路设计等功能模块和专用模 块于一体，可以实现面向制造的设计( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ，d f m ) 、面向装 配的设计( d e s i g nf o r a s s e m b l y ，d f a ) 、逆向设计( i n v e r s ed e s i g n ，i d ) 、并行工程 7 基于p f 0 ，e n g i n e e + 术工铣刀参数化设计系统的研究与开发 ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 等先进的设计方法和模式【3 2 1 。p r o e n g i n e e r 软件的特 点如下： ( 1 ) 单一数据库 p r o e n g i n e o r 是建立在单一数据库上的，即工程的资料全部来自一个库，使 多个独立用户可以同时处理同一个产品的造型。并可随时由三维实体模型产生二 维工程图，而且自动标注工程图尺寸在三维实体模型或二维图形上作尺寸修改 时，其相关的二维图形或三维实体模型均自动修改，同时装配、制造等相关设计 也会自动修改，这样可确保数据的正确性，避免了耗时的反复修改 ( 2 ) 以特征作为设计的单元 p r o e n g i n e e r 以最自然的思考方式从事设计工作，构成实体的基本单元是特 征，实体是由多个特征构成的。造型的过程就是不断的增加特征，以达到最终产 品希望的模型。也正因为以特征作为设计的单元，因此可随时对特征做出合理、 不违反几何关系的修改操作，如重新定义( r e d e f i n e ) 、重新排序( r e o r d e r ) 、重新参 考( r e r o u t e ) 、插入模式( i n s e r t m o d e ) 、替换模式( c h a n g em o d e ) 和删除( d e l e t e ) 等。 ( 3 ) 参数式设计 配合单一数据库，所有的设计过程中使用的尺寸、参数都存储在数据库中， 设计者只要更改三维零件( p a r t ) 的尺寸，则二维工程图( d r a w i n g ) 、三维装配图 ( a s s e m b l y ) 、模具( m o l d ) 等立即依照尺寸的更改做出几何形状的变化，这样可以 保证设计修改工作的一致性。正因为用参数式的设计，用户可以运用强大的数学 运算公式，创建各尺寸参数间的关系式，自动计算出模型应有的外形，减少了逐 一修改尺寸的时闻，并可避免错误的发生 ( 4 ) 基于c 程序的开发工具包 p r o t o o l k i t 是p t c 公司为p r o e n g i n e e r 软件提供的基于c 程序的开发工具 包，其主要目的是让用户或第三方通过c 程序代码扩充p r o e n g i n e e r 系统的功能， 开发基于p r o e n g i n e e r 系统的应用程序，从而满足用户的需要【3 3 j 。 1 4 2v i s u a lc + + 6 0 的简介 v i s u a lc + + 是运行于w i n d o w s 系统平台上的交互式的可视化集成开发环境， 它是美国m i c r o s o f t 公司开发的m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 套件中的一部分v i s u a l c + + 集程序的代码编辑、编译、连接和调试等功能于一体，给编程人员提供了一 个完整方便的开发界面和许多有效的辅助开发工具。v i s u a lc + + 的应用程序向导 可以为很大一部分类型的程序提供框架代码，用户不用书写程序代码，只需按几 个按钮就可以生成一些完整的可以运行的程序 3 4 1 。 v i s u a lc + + 6 0 的主要的技术特点是：可视化编程和支持面向对象的编程技术。 提供了一系列的可视化编程工具，如a p p w i z r a d 和c l a s s w i z r a d 等，它们使 中南林业科技大学2 0 0 6 届工科硕士研究生毕业论文 w i n d o w s 编程更为直观。v i s u a lc + + 支持面向对象的编程技术包装了w i n d o w s 内 在的复杂的运行机制，使w i n d o w s 编程简单。v i s u a lc + + 6 0 还支持a c t i v e x 技术、 i n t e r n e t 编程技术和o d b c 数据库编程【3 5 】。 更为重要的是，本文用到的二次开发工具，p r o e n d 【n e e r 二次开发工具包一 一p m 厂r o o l k r r 正是借助v i s u a lc + + 这种强大的代码编辑、编译等功能来进行编 译、调试，设计出可视化程度高的人机交互界面。又由于v i s u a lc + + 的应用程序 向导可以为许多程序提供框架代码，所以，采用v i s u a lc + + 作为编译器和连接器 来开发p r 0 e n g i 髓，是一种既先进又快捷简便的应用程序创建方法。 1 4 3m i c r o s o f to f f i c ea c c e s s2 0 0 3 数据库软件的简介 本系统采用数据库软件m i c r o s o f to f f i c ea c c e s s2 0 0 3 作为数据库的建库平台 对数据进行管理。 a c c e s s2 0 0 3 支持多种数据格式，包括扩展标记语言( ) ( 】垤l ) 、o l e 、开放式 数据库连接( o d b c ) 。a c c e s s2 0 0 3 主要由以下几部份组成p 6 】；( 1 ) 数据库引擎 ( d a m b 鹬ee n g i n e ) ，它是实际存储、排序和获取数据的软件，一般来说是不可见 的。( 2 ) 数据库对象( d a t a b a s eo b j e c t ) ，a c c e s s 是一种面向对象的开发环境，它的 数据库窗口非常便于用户访问各种对象。( 3 ) 设计工具( d e s i g nt 0 0 1 ) ，a c