（机械电子工程专业论文）智能刀具cad系统中切削用量优化的研究.pdf

两华大学硕士学位论文 智能刀具c a d 系统中切削用量优化的研究 机械电子工程专业 研究生赵雷指导教师邓远超 随着计算机技术、人工智能的普遍应用以及c a d 技术的高速发展，智能 刀具c a d 系统越来越重要。在生产加工过程中，如何利用这些技术来选择合 适的刀具、最优的切削用量、最优的几何参数和设计所需的数据和图形，成为 众多企业当前急需解决的一个重要课题。 智能刀具c a d 系统是为宁江集团的生产需要而开发的。该系统主要提供 箱体零件的加工过程中刀具的实体造型、二维工程图、加工所需要的最佳切削 用量和刀具几何参数，使其满足被加工孔径尺寸和公差、表面粗糙度、深度尺 寸和刀具使用寿命的要求。 本系统的数据支撑是通过建立金属切削数据库来实现的。它是运用关系数 据理论，建立符合b c n f 的关系模型，再以关系数据库管理系统s q ls e r v e r2 0 0 0 作为底层数据库建立。而数据库的数据主要来源于经验数据、文献资料上的推 荐数据和实验得出的数据。首先建立以专家知识、经验为数据的知识库，再利 用金属切削数据库与知识库的结合，采用基于规则的正向推理来得出刀具几何 参数、刀具材料、切削液等切削参数。这样金属切削数据库更加的集成化、实 用化、智能化。 金属切削数据库建立后，就利用其中的数据实现金属切削用量的优化。切 削用量的优化采用了以进给量和切削速度为自变量的优化函数，以最低成本和 最大生产率作为目标。在切削深度给定的情况下，然后根据加工条件的不同来 确定进给量和切削速度的约束范围，并且同时满足机床功率的校验。通过利用 m a t l a b 的引擎技术与v i s u a lc + + 实现数据的交互，进而通过m a t l a b 工具箱中的 二维优化函数实现切削用量优化。相对于一维优化函数，采用二维优化函数得 西华大学硕士学位论文 到的切削用量使刀具、机床的性能得到提高。 在同主轴箱即多刀同时加工的情况下，对切削用量进行优化，使专用机床 的生产加工效率达到最佳。为了实现该情况下刀具对切削用量的唯一标识，采 用助记码法对刀具进行编码。 整个系统综合运用了c b r 技术、专家系统、动态链接库、a d o 技术等多 种技术，充分发挥了v i s u a lc + + 6 0 、s q ls e r v e r 2 0 0 0 、m a t l a b7 1 和s o l i dw o r k s 2 0 0 6 软件的优点，开发出了集刀具几何参数优化、切削用量优化和零件、装配 体的三维实体及二维图形自动生成于一体c a d 系统。 该c a d 系统完成后，刀具几何参数、切削用量的选取更加合理。所生成 的三维图形及二维图形符合厂方的要求，并对于刀具的设计、图形生成和正确 选择材料、切削用量有重要的实际应用意义，大大降低了生产成本，缩短生产 周期，提高生产率。并使刀具的最大优势发挥出来，推进我国刀具行业c a d 技术的快速发展和应用。 关键词：金属切削数据库，切削用量，切削力，优化函数 l l 西华大学硕士学位论文 s t u d y o fc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni ni n t e l l i g e n t c a d s y s t e mf o rc u t t i n g t o o l s m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g m e c a n d i d a t ez h a ol e i s u p e r v i s o rd e n gy u a n c h a o w i t ht h e h i g h - s p e e dd e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea n dc a dt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tc a ds y s t e mo fc u t t i n gt o o l s i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t d u r i n gt h ep r o d u c i n gp r o c e s s ，h o wt ou s et h e s e t e c h n o l o g i e st oc h o o s et h ea p p r o p r i a t ec u t t i n gt o o l ，o p t i m i z e dc u t t i n gp a r a m e t e r s ， o p t i m i z e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，s c i e n t i f i cd a t aa n dd r a w i n go fc u t t i n gt o o ld e s i g n ， i sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tt o p i cw h i c hi sn e e dt ob es o l u t e du r g e n t l y t h ei n t e l l i g e n tc a d s y s t e mo fc u t t i n gt o o l si sd e v e l o p e df o rn i n g j i a n gg r o u p t h i ss y s t e mm a i n l ys u p p l i e st h ec u t t i n gt o o le n t i t ym o d e l ，2 dd r a w i n g ，o p t i m i z e d c u t t i n gp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r sd u r i n gs p i n d l e sp r o c e s s i n g ，w h i c hi s t om e e tt h er e q u i r m e n to ft h es i z ea n dt o l e r a n c eo fh o l e s ，s u r f a c er o u g h n e s s ，d e p t h s i z e sa n dc u t t i n gt o o ll i f e t h es y s t e md a t ai se s t a b l i s h e db ym e t a lc u t t i n gd a t a b a s ew i t ht h er e l a t i o n a ld a t a t h e o r y , a n de s t a b l i s h e sb c n fr e l a t i o n a lm o d e l ，a n dt h e ne s t a b l i s h e ss q ls e r v e r 2 0 0 0b o t t o md a t a b a s e a n dt h ed a t ai sm a i n l yc o l l e c t e df r o me x p e r td a t a ，t h e l i t e r a t u r ed a t aa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a a tf i r s t ，k n o w l e d g eb a s ei se s t a b l i s h e dw i t h e x p e r t sk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e ，t h e nt h ep o s i t i v er e a s o n i n gw h i c hb a s e do nr u l e s i su s e dt o g e tt h ec u t t i n g t o o l s g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，c u t t i n g t o o l sm a t e r i a l s ， c u t t i n gf l u i da n ds oo nu s i n gc o m b i n a t i o no ft h em e t a lc u t t i n gd a t a b a s e sa n dt h e k n o w l e d g eb a s e s s ot h em e t a lc u t t i n gd a t a b a s ei sb e c o m i n gm u c hm o r ei n t e g r a t i o n ， p r a c t i c a la n di n t e l l i g e n t a f t e re s t a b l i s h i n gt h em e t a lc u t t i n gd a t a b a s e ，t h ed a t ai su s e dt oo p t i m i z et h e m e t a l c u t t i n gp a r a m e t e r s t h eo p t i m i z a t i o n o f c u t t i n gp a r a m e t e r s u s e st h e o p t i m i z a t i o nf u n c t i o nw h i c ht a k e st h ef e e dr a t ea n dc u t t i n gs p e e da si n d e p e n d e n t 1 1 1 西华大学硕士学位论文 v a r i a b l e ，a n dt h em i n i m u mc o s ta n dt h em a x i m u mp r o d u c t i v i t ya st h et a r g e t u n d e r t h eg i v e nc u t t i n gd e p t h ，t h er e s t r a i n ts c o p eo ft h ef e e dr a t ea n dc u t t i n gs p e e di ss e t t e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n to fm a c h i n i n gc o n d i t i o n ，a n di sm e e t e dt h ec a l i b r a t i o no f m a c h i n ep o w e ra tt h es a m et i m e t h em a t l a b se n g i n et e c h n o l o g yr e a l i z e st h e i n t e r a c t i v eo fd a m sw i t hv i s u a lt h ec + + ，a n dt h ec u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni s r e a l i z e db yu s i n g2 do p t i m i z e df u n c t i o ni nt h em a t l a bt o o l b o x c o m p a r e dt ot h e o n e d i m e n s i o n a lo p t i m i z e d f u n c t i o n ，t h ec u t t i n gp a r a m e t e r sw h i c h u s e st h e t w o - d i m e n s i o n a lo p t i m i z e df u n c t i o ni m p r o v e sp e r f o r m a n c e so fc u t t i n gt o o l sa n d m a c h i n et 0 0 1 u n d e rt h e s p i n d l ew h i c hm e a n sm u l t i - c u t t i n g - t o o l sp r o c e s ss i m u l t a n e o u s l y , c o m p u t e ro p t i m i z e st h ec u t t i n gp a r a m e t e r s ，a n de n a b l e st h ep r o d u c i n gp r o c e s s e f f i c i e n c yt ot h eb e s t i no r d e rt or e a l i z et h ec u t t i n gt o o l st h a ta r ed i s t i n g u i s h e d ，t h e m n e m o n i cc o d el a wi sa d o p t e dt oe n c o d ec u t t i n gt o o l s t h es y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gc b rt e c h n o l o g y , e x p e r ts y s t e m , d y n a m i cl i n k l i b r a r y , a d ot e c h n o l o g y , w h i c hi n t e g r a t e st h em e r i t so fv i s u a lc + + 6 0 ，s q ls e r v e r 2 0 0 0 ，m a t l a b7 1 a n ds o l i dw o r k s2 0 0 6 ，a n dt h e s y s t e mi n t e g r a t e sw i t ht h e o p t i m i z a t i o no fc u t t i n gt o o l sg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h ec u t t i n g p a r a m e t e r s ，a n dt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no f3 ds o l i di m a g ea n d2 dd r a w i n g so f c o m p o n e n t sa n da s s e m b l yd r a w i n g s t h ec u t t i n gt o o l sg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dt h ec u t t i n gp a r a m e t e r sp r o v i d e db y t h ec a ds y s t e ma r em u c hm o r er e a s o n a b l e t h e2 dd r a w i n g sa n d3di m a g e sm e e t t h ef a c t o r y sr e q u i r e m e n t r e g a r d i n gt h ec u t t i n gt o o ld e s i g n ，t h eg r a p hp r o d u c t i o n a n dt h ec o r r e c ts e l e c t i o no fm a t e r i a la n d c u t t i n gp a r a m e t e r s h a v e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e t h ee f f i c i e n c yo fd e s i g na n dp r o d u c t i o nm a yr e d u c et h e p r o d u c t i o nc o s t ，s h o r tt h ec y c l eo fm a c h i n i n ga n di m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y i tc a n a l s od e m o n s t r a t et h eb i g g e s ts u p e r i o r i t yo ft h e c u t t i n gt o o l s ，a n dm a k ec a d t e c h n o l o g yo f o u rc o u n t r y sc u r e r i n d u s t r yt od e v e l o pa n da p p l yf a s t l y k e yw o r d s ：m e t a lc u t t i n gd a t a b a s e ，c u t t i n gp a r a m e t e r s ，c u t t i n gf o r c e ， o p t i m i z e df u n c t i o n i v 西华大学硕士学位论文 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：盖厶雪。君年朔p 日 翩擞：修加一肟日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1c a d 的概述 计算机辅助设计计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c o m p u t e ra i d e d d e s i g nm a n u f a c t u r i n g 简称c a d c a m ) 是由多门学科和多项技术综合形成的一 项技术科学，是当今世界发展最快的技术之一。它不仅促使了生产模式的转变， 同时也促进了市场的发展。 c a d c a m 技术从产生到现在，大致经历了如下几个阶段【l 】： 1 9 4 6 年世界上第一台计算机的出现就为c a d c a m 技术奠定了至关重要 的基础。2 0 世纪5 0 年代，美国麻省理工学院( m i t ) 首次研制成功了数控机床， 通过数控程序对零件进行加工。后来，m i t 研究成功的“旋风”计算机和光笔， 为交互式计算机图形学奠定了基础，也为c a d c a m 技术的出现和发展铺平了 道路。m i t 用计算机制作数控纸带，实现n c 编程的自动化，标志着c a m 的 开始。在计算机图形终端上直接描述零件，标志着c a d 的开始。整个2 0 世纪 5 0 年代，c a d c a m 技术都处在酝酿、准备及发展的初期。 1 9 6 2 年，美国学者i e s u t h e r l a n d 发表了“人机对话图形通信系统”的论文， 并研制出了名为s k e t c h p a d 系统。正是s o u t h e r l a n d 的论文和他的 s k e t c h p a d 系统首次提出了计算机图形学、交互技术等理论和概念，第一次 实现了人机交互的设计方法，使用户可以在屏幕上进行图形设计和修改，从而 为交互式计算机图形学理论及c a d 技术奠定了重要的基础，并出现了大规模 研究计算机图形学的热潮，并开始出现了c a d 术语和思想。此后，随着交互 式计算机图形显示技术和c a d c a m 技术迅速发展，一些大公司研制和开发了 一些早期的c a d 系统，例如，i b m 公司开发出了具有绘图、数控编程和强度 分析等功能的基于大型计算机的s l t m s t 系统；1 9 6 4 年美国通用汽车公司研 制了d a c 一1 系统，用于汽车设计；1 9 6 5 年，美国洛克希德飞机公司推出了 c a d c a m 系统；贝尔电话公司也推出了g p a p h i c 1 系统等。在制造领域，1 9 6 2 年在数控技术的基础上研制成功了世界上第一台机器人，实现了物料搬动自动 化；1 9 6 6 年又出现了用大型通用计算机直接控制多台数控机床的d n c 系统。 到了2 0 世纪7 0 年代，交互式计算机图形学及计算机绘图技术日趋成熟， 西华大学硕士学位论文 并得到广泛应用。随着计算机硬件的发展，以小型机、超小型机为主机的通用 c a d c a m 系统也开始进入市场，针对某些特定问题的专用c a d 系统也蓬勃 发展。在此期间，三维几何造型软件也发展起来了，出现了一些面向中小企业 的c a d c a m 商品化系统。在制造方面，美国辛辛那提公司研制出了一条柔性 制造系统( f m s ) ，将c a d c a m 技术推向了一个新阶段。但这个时期所用的主 机是1 6 位计算机，软件也只是二维绘图系统及三维线框系统，因此所能解决的 问题也只是一些比较简单的产品设计制造问题。 进入2 0 世纪8 0 年代，c a d c a m 技术及应用系统得到了迅速的发展。促 进这一发展的因素很多，超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度 下降。3 2 位字长的工作站及微机的性能已达到或超过了过去的小型机甚至中型 机，且价格低廉。计算机外围设备( 例如彩色高分辨率的图形显示器、大型数 字化仪、大型自动绘图机、彩色打印机等) 不但性能提高，而且品种繁多，且 已形成了系列化产品。加之计算机网络技术得到广泛应用，为将c a d c a m 技 术推向更高水平和新阶段提供了必要的条件。此外，由于企业界已广泛认可 c a d c a m 技术对企业的生产和发展具有巨大的促进作用，所以在c a d c a m 软件方面对销售商提出了更高的要求。要求将数据库、有限元分析优化及网络 技术应用于c a d c a m 系统，使c a d c a m 不仅能够绘制工程图，而且能够进 行三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析与仿真、注塑模 设计制造等各种工程应用。与此同时，还出现和发展了与产品设计制造过程相 关的计算机辅助技术，如计算机辅助工艺过程规戈t j ( c a p p ) 、计算机辅助质量控 带i j ( c a q ) 等。到了2 0 世纪8 0 年代后期，在各种计算机辅助技术的基础上，开 始强调信息集成，出现了计算机集成制造系统( c i m s ) ，将c a d c a m 技术推向 了一个更高的层次。 到了2 0 世纪9 0 年代，c a d c a m 技术已走出了它的初级阶段，进一步向 标准化、集成化、智能化及自动化方向发展。为了实现系统集成，就更强调信 息集成和资源共享，强调产品生产与组织管理的自动化，从而出现了数据标准 和数据交换问题，出现了产品数据管理( p d m ) 软件系统。在这个时期，国外许 多c a d c a m 软件系统更趋于成熟，商品化程度大幅度提高。比较典型的系统 有：美国洛克希德飞机公司研制的c a d a m 系统、法国d a s s a u l ts y s t e m s 公司 西华大学硕士学位论文 开发的c a t i a 系统、法国m a t r ad a t a v i s i o n 公司开发的f u l i d 系统、美国s d r c 公司开发的i - d e a s 系统、美国p r i m e 公司的p r i m em e d u s a 系统、美国 c d c 公司开发的i c e m 系统及美国p t c 公司推出的p r o e n g i n e e r i n g 系统、美 国u n i g r a p h i c s 公司研制的u g i i 系统。上述系统大都运行在i b m 、d e c 、 v a x 、a p o l l o 、s u n 、s g i 等大中型机及工作站上。随着微机硬件性能的提高， 出现一批微机c a d c a m 系统。典型的系统有：a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 系 统、美国c v 公司的c a d d s 系统等等。 我国早在2 0 世纪7 0 年代就已开展c a d c a m 技术研究。在2 0 世纪8 0 年 代，我国进行了大规模的c a d c a m 技术研究和开发。经过不断的发展和推广 应用，取得了良好的经济效益和社会效益。少数大型企业已建立起比较完善的 c a d c a m 系统，一些中小企业在保证产品质量、提高劳动生产率等方面也取 得显著效益。以“甩图板”为目标实现绘图设计自动化成为推广应用c a d c a m 技术的突破口，使其在企业中得到广泛的应用。 1 - 2c a d 技术的发展方向 为了不断提高c a d c a m 技术功能，使产品的生产向自动化方向发展， c a d c a m 技术主要朝以下几个方面发展【2 j ： 1 集成化。为适应设计与制造自动化的要求，特别是近年来出现的计算机 集成制造系统，进一步提高了c a d 系统得集成水平，是c a d c a m 集成系统 的一个重要发展方向【引。通过集成，设计师可以利用计算机进行运动分析、应 力分析，确定零件的合理结构形状，生成零部件的加工工艺和数控代码，实现 无纸生产，降低生产成本，提高竞争力。 2 智能化。美国麻省理工学院m i t 研究小组在提出c a d 概念时，对c a d 作了这样的设想：设计者坐在c r t 控制台前，通过人机对话，实现概念设计到 生产设计以至制造的全过程，这是一种人工智能的设想【4 】。经过近2 0 年的发展， 产生了一批功能很强的商品化软件，如c a t i a ，u g ，p r o e ，s o l i dw o r k s 等， 这些软件都可用于进行机械设计。在产品几何造型、分析计算与绘图方面的功 能都很强，设计人员在这些软件支持下能对设计对象进行交互式设计。但这样 的c a d 系统存在着明显的不足。众所周知，产品设计过程是一个复杂的综合、 西华大学硕士学位论文 分析和反复修改的过程，设计人员只有具备多学科的专门知识与丰富的经验才 能得到一个较佳的设计结果。产品设计是一项创造性的话动，设计过程中很多 工作是非数据计算性的，不是以数学公式为核心的，需要通过反复思考、推理 和判断来解决。因此，目前以分析计算和图形为核心的c a d 系统是不能解决 上述问题的。对于同一设计对象，由于设计人员的不同，可能设计出不同的结 果，即设计结果与设计者的经验和所掌握专业知识的程度有关。 在设计初始阶段，特别是在概念设计和构思及评价阶段，专家在该领域的 经验十分重要。为此，提出了在c a d 系统中引进入工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术，而专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是将人工智能技术首先引入设计领域的。 ( 1 ) 专家系统 专家系统是人工智能的一个重要分支。自1 9 6 8 年费根鲍姆等人研制成功第 一个专家系统d e n d r a l 以来，专家系统技术已经获得了迅速发展，广泛的应 用于各种领域，产生了巨大的社会效益及经济效益，同时也促进了人工智能基 本理论和基本技术的研究与发展垮】。 专家系统是一种计算机程序，是以人类专家的水平完成专门的、困难的专 业任务。研制专家系统的目的，就是使计算机在特定领域中起到该领域人类专 家应起的作用。设计专家系统的基本思想是使计算机的工作过程竭尽全力地来 模拟人类专家解决实际问题的工作过程，也就是模拟人类专家如何运用他的知 识与经验来解决所需要解决的问题的方法和步骤。 f i g1 - 1c o m p o n e n to f e x p e r ts y s t e m 图1 - 1 专家系统的组成 专家系统的基本组成如图1 1 所示。知识库用来存储从专家那里得到的、 关于某个领域的专门知识，而推理机具有依据一定策略进行推理的能力，即能 西华大学硕士学位论文 够根据知识推导出结论，而不是简单的去搜索现成的答案。 目前大多数专家系统一般有六个组成部分：人机接口、推理机、知识库及 其管理系统、数据库及其管理系统、知识获取机构、解释机构。如图1 2 所示。 人机接口是人与系统进行信息交流的媒介，由一组程序及相应的硬件组成， 用于完成输入输出工作。 知识获取机构是专家系统中获取知识的机构，由一组程序组成。其基本任 务就是把知识输入到知识库中，并负责维持知识的一致性及完整性，建立起性 能良好的知识库。 知识库及其管理系统中的知识库是知识的存储机构，用于存储领域内的原 理性知识、专家的经验性知识以及有关的事实等，而管理系统是负责对知识库 中的知识进行组织、检索、维护等。 推理机是专家系统的“思维 机构，是专家系统的核心部分。其任务是模 拟专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。 数据库又称为“黑板 、“综合数据库 等。它是用于存放用户提供的初始 事实、问题描述以及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果、运行信息等 的工作存储器。而数据库是由数据库管理系统进行管理的。 解释机构负责回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的问题和与 运行无关的关于本系统本身的一些问题。解释机构是实现系统透明性的主要部 件。 f i g1 - 2c o m m o nc o n f i g u r a t i o no fe x p e r ts y s t e m 图1 2 专家系统的一般结构 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 机械c a d 专家系统 专家系统作为符号逻辑人工智能中一个最重要、最活跃的分支，其应用已 渗透到各个领域，并已发挥了巨大的作用。因为专家系统是利用某一问题领域 中专家所掌握的知识来解决该领域的问题，这恰好使它成为今后各个领域实现 智能化的首选【6 】。 现有的c a d 技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析 与绘图。然而在设计活动中常常遇到一些基于知识的推理型问题，包括方案构 思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策、以及参数选择等等。这些 工作依赖于一定的知识模型，采用推理方法才能获得圆满解决。因此将人工智 能技术，特别是专家系统技术，与传统c a d 技术结合起来，形成智能化c a d 系统是机械c a d 发展的必然趋势。 3 网络化【7 j 。网络化协同设计c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 和异地设计技术正成为研究热点，并逐步改变企业技术与组织管理的模式。个 人c a d 系统的局限性得到有效改善，并使信息共享方便快捷。 4 c a d 的参数设计【8 】。参数化设计技术是指设计对象的结构形状比较定型， 可以用一组参数来约定尺寸的关系。参数与设计对象的控制尺寸有显然的对应， 设计结果的修改受到尺寸驱动，所以也称为参数化尺寸驱动。参数化设计技术 以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品建模 及修改系列化设计，多方案比较和动态设计的有效手段。参数化模型不仅可以 提高建模效率，而且可以提高c a d 系统的灵活性、覆盖面和并行设计能力； 而可视化与仿真技术可以快速获取c a d 设计模型的应力分析、振动分析、加 工分析、测试、工作模拟等。 5 标准化。标准化除了c a d 支撑软件逐步实现i s o 标准和工业标准外， 面向应用的标准构件( 零部件库) 、标准化方法也成为c a d 系统中的必备内容， 且向着合理化程序设计的应用方向发展。c a d 软件一般应集成在一个异构的工 作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，就要求它应有一个开放的系统，主 要是靠标准化技术解决这个问题。目前标准有两大类：一是公用标准，二是市场 标准或行业标准，前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性，而后者以市 场为导向，注重考虑有效性和经济利益。 西华大学硕士学位论文 1 3c a d 技术在刀具设计中的应用 随着切削数控自动化的发展，以及现代生产对多品种、小批量非标刀具品 种、规格的需求增多，刀具常规的设计与制造方法难以满足需要，从而促进了 刀具c a d 的开发与应用【9 】。 国外刀具c a d 系统的发展，经历以下几个阶段： 2 0 世纪5 0 年代末期，美国b a r b e rc o l m a n 和f e l l o w s 公司等，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精度。 到6 0 年代刀具制造业还相对薄弱，c a d 技术的开发和应用并没有跟上。 直到7 0 年代，由于高档刀具制造业的竞争，美国、日本、西欧等国家的一些工 具厂家开始了面向复杂刀具和可转位刀具c a d 技术的开发与应用。比较出名 的有西德阿亨工业大学1 9 7 3 年推出的c d l 7 0 0 系统、美国i n g e r s o l l 刀具公司的 m a x 1 可转位铣刀c a d c a m 系统、b a r b e rc o l m a n 和f e l l o w s 公司的齿轮滚 刀、插齿刀c a d 系统，这一时期的刀具c a d 都是在通用中、小型计算机网络 上用高级语言实现的变参数系列设计。 8 0 年代随着c a d c a m 技术迅速发展，这一时期刀具c a d c a m 也达到 了更高的水平，其中以多品种、小批量的可转位刀具和数控工具系统生产最为 活跃，技术也最高。美国i n g e r s o l l 刀具公司、西德w a l t e r 公司开发了交互式 c a d c a m 技术并组建了c i f m s ；美国v a l e n t i e 和k e n n a m e n t a l 公司均在 v a x l l 7 8 0 主机上配置m c a u t o 系统，并开发了c a d c a m 系统，这些产品 的设计制造技术均代表了当代的水平；生产可转位刀具和机床的西德w a l t e r 公 司，也建立了以i b m 4 3 8 1 为主机的网络，其上连接了v a x l l 7 5 0 和m i c r ov a x 为主机的c a d c a m 成套系统，并初步建立了可转位铣刀的c i f m s 。生产硬质 异型刀具的西德h e r t e l 公司、生产可转位刀具和刀片的西德k r u p p w i d i a 公司、 生产数控刀具的m a p a l 公司以及日本的东芝钨、三菱公司相继开发了自己的刀 具c a d c 蝴系统。占世界刀具销售份额最大的瑞典s a n d v i k 公司配置了 i b m 5 0 8 0 图形终端和c a t i a 系统，开发了交互式c a d c a m 技术，全面支持 刀具、模具及工具系统的c a d c a m 研究和新产品开发和生产，形成了强大的 技术优势 1 0 1 。 我国的刀具c a d 系统的发展分为以下三个阶段： 西华大学硕士学位论文 1 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对c a d 系统的模型建立、算法研究和系统构成的讨论。沈阳工业大学在“复杂刀具支 撑软件的探讨”中【1 1 1 ，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 oc 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。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，得到了山东省自然科学基金的资 助。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。 2 第二阶段。从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年，在w i n d o w 9 5 、w i n d o w s 9 8 的应用和 普及的影响下，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【1 2 】，介绍了基于a u t o c a dr 1 3 的可转位车刀参数化c a d 系统。该系统借鉴特征造型原理，建立了可转位车 刀刀槽、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【1 3 】，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。华东交通大学在“刀具系统参变量化 智能c a d 绘图”中以机械加工的成形铣刀设计为例，提出了如何解决刀具设 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。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。 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 ol i s p 语言间的数据通讯。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。华中科技大学机械学院数控所在“v c 环境下利用 西华大学硕士学位论文 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 l s e r 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。 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。 3 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助的 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。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 da 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。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。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。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。燕山大学开发了基于 实例的涡轮滚刀c a d 系统【1 4 】：该系统以p r o e 为开发平台，基于实例推理技术 ( c b r ) ，通过实例库方式应用过去已有的经验来解决问题。通过对涡轮滚刀设 计实例库的修改，采用实例评价机制，设计出新的涡轮滚刀，从而大大提高设 计效率。 刀具c a d 系统从早期在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 西华大学硕士学位论文 经发展到在设计多种专用刀具时使用各种应用软件。刀具c a d 系统的发展取 得巨大进步和成绩15 1 。 1 4 刀具图形开发的概述 刀具图形包括以下几个部分： 1 刀具三维模型的参数化建模： 采用自下而上的向导式开发的方式先建立刀具零件模型，再设计刀杆组建 装配体。建模的过程是建立在刀具模型实例库的基础上，由刀具结构的相似性， 分类建立刀具的实例模型，通过s o l i dw o r k s 的配置功能实现零件簇的建立。为 给工程图提供足够的信息，需人工输入模型的名称、图号、零件材料等信息。 在组成装配体时，动态更新装配尺寸，并进行装配体的干涉检查，为后面的 c o s m o sw o r k s 有限元分析提供良好的边界条件。 2 刀具工程图的处理： 根据企业对二维工程图的标准化要求，利用s o l i dw o r k s 工程图模块的功能 对图纸的视图、图框、尺寸标注、公差标注、粗