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西华大学硕士学位论文 智能化c a d 系统中刀具几何参数优化与强度分析 机械电子工程专业 研究生孙振梅指导教师吴能章 摘要 c a d 技术是伴随着计算机技术的产生和发展而产生并不断发展的，这门技 术从产生到现在，已经历了半个世纪，从形成、发展、提高到目前的高度集成， 已经形成了比较完整的科学技术体系，并在当今高新技术领域中占有很重要的 位置。 本专用机床刀具智能c a d 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 l s e r v e r2 0 0 0 和 s o l i d w o r k s 各软件的优点，开发出了集刀具几何参数优化、切削用量优化、零 件和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。本论文对该 c a d 系统的总体设计、各功能模块及该系统的操作流程做了一一介绍，其中主 要介绍了刀具几何参数优化模块和有限元分析模块。 刀具是切削加工的直接作用工具，它的性能对切削加工的效率和精度起着 决定性的作用。本论文研究的目的就是要将参数化设计与数值模拟技术引入到 刀具的设计研究上来。相比于传统的刀具几何参数优化的方法，即先刃磨出不 同几何参数的刀具，然后进行大量的切削实验来进行验证，从而优化出合理的 刀具几何参数，这个过程往往要耗费大量的时间和财力，本论文的研究成果有 助于缩短传统理论分析和试验的周期。论文应用专家系统、动态链接库、a d o 技术等多种数据库技术，通过经验优化和指点优化两种查询优化方式，对复合 刀具的几何参数进行了优化查询，然后在切削力预报的基础上采用有限元法分 析刀具在切削加工过程中的应力应变情况( 如镗刀杆产生的最大扰度) ，运用 s o l i d w o r k s 插件c o s m o s w b r k s ，对专用机床使用的复合刀具进行强度分析与 西华大学硕士学位论文 校核，为图形生成模块提供最佳的刀具参数，为刀具的结构设计提供必要的信 息，以优化刀具的结构设计。由于该方法具有方便、快捷的特点，可大大地提 高研究与开发的效率和可靠性。 研究结果表明：通过对专用机床刀具的几何参数优化以及对其在具体切削 加工条件下运用有限元法进行分析，刀具的几何角度以及刀具的设计参数更加 合理，为专用机床刀具的结构设计和专用机床刀具的使用提供了有价值的参考， 提高了刀具使用寿命。因此，本专用机床刀具智能c a d 系统可使专用机床刀具 的几何参数、图形生成模块的尺寸参数以及在切削用量的选取方面将更加合理 适用，最终所生成的三维图形及二维图形也符合厂方的基本要求。 关键词；复合刀具；c o s m o s w o r k s ；优化；数值仿真； l i 西华大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o no fg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n ds t r e n g t h a n a l y s i sf o rc u t t i n gt o o l si na n i n t e l l i g e n tc a ds y s t e m m a j o r i n gf i e l d ：m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g m ec a n d i d a t e ：s u nz h e n m e i s u p e r v i s o r ：w un e n g z h a n g a b s t r a c t c a d t e c h n o l o g yc o m e si n t ob e i n ga n dc o n t i n u o u s l yd e v e l o p sw i t ht h ea d v e n t a n de v o l u t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y h a l fa c e n t u r yh a sp a s s e ds i n c et h ea d v e n to f c a d t e c h n o l o g y ap e r f e c ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys y s t e mh a sb e e ne s t a b l b h e df o r c a dt e c h n o l o g yf r o mi t sa p p e a r a n c e ，d e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n tt oh i g h l y i n t e g r a t e ds y s t e m a t p r e s e n t i tp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei na d v a n c e da n dn e w t e c h n o l o g yf i e l d s a ni n t e l l i g e n tc a ds y s t e mf o rc u t t i n gt o o l su s e do i lm o d u l a rm a c h i n et o o l s ， i n t e g r a t e dw i t h t h eo p t i m i z a t i o no fc u t t i n gt o o l s g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h e o p t i m i z a t i o no fc u t t i n gp 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 e a n d2 dd r a w i n go fe a c hc o m p o n e n ta n dt h ea s s e m b l yd r a w i n go fac u t t i n gt o o l ，i s d e v e l o p e du s i n g c 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 o t e c h n o l o g y a n du s i n gt h em e r i t so fv i s u a lc + + 6 0 s q ls e r v e r2 0 0 0a n d s o l i d w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so ni t sg e n e r a lc o n f i g u r a t i o n ，f u n c t i o n a l m o d u l e sa n di t sw o r k i n gf l o w , a m o n gw h i c ht h eo p t i m i z a t i o nm o d e lf o rc u t t i n gt o o l g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa t ed e s c r i b e di nd e t a i l ac u t t i n gt o o ld i r e c t l yp e n e t r a t e si n t oaw o r k p i e c ei nm e t a lc u t t i n g ，a n di t s p e r f o r m a n c eh a sac r u c i a le f f e c to nt h ee f f i c i e n c y a n da c c u r a c yo fc u t t i r i g t h e o b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oi n t r o d u c ep a r a m e t e r i z e dd e s i g na n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n t ot h es t u d ya n dd e s i g no fc u t t i n gt o o l s b yt r a d i t i o n a la p p r o a c hf o r 1 i i 西华大学硕士学位论文 c 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 so p t i m i z a t i o n ，c u t t i n gt o o l s w i t hv a r i o u s g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa l ef i r s tg r o u n d ，f o l l o w e db yag r e a td e a lo fc u t t i n gt e s t sa n d v e r i f i c a t i o n ，t h e nt h ec u t t i n gt o o lw i t hr e a s o n a b l eg e o m e t r i cp a r a m e t e r si sg a i n e d t h i sp r o c e s so f t e nc o n s u m e sal o to ft i m ea n dc o s t t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h e s t u d yw i l lb eh e l p f u lf o rr e d u c i n gt h ep e r i o do ft r a d i t i o n a lt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t c 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 kl i b r a r y , a d ot e c h n o l o g y a r ee m p l o y e d t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fc o m b i n a t i o nc u t t i n gt o o l sa r eo p t i m i z e d b ye x p e r i e n t i a lm e t h o da n dp o i n t i n ga p p r o a c hr e s p e c t i v e l y a n dt h es t r e s sa n ds t r a i n o fe a c hc u t t i n gt o o lu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do nc u t t i n gf o r c ep r e d i c t i o n a r ea n a l y i e d ( s u c ha sm a x i m u md e f l e c t i o no fb o r i n gb a r ) t h ep l u g - i nm o d u l e n a m e dc o s m o s w o r k si ns o f t w a r es o l i d w o r k si sa p p l i e dt oa n a l y z ea n dc h e c kt h e s t r e n g t ho fc o m b i n a t i o nc u t t i n gt o o l s t h u st h eg e n e r a t e dg r a p h i c sm o d e lo fc u t t i n g t o o li ss u p p l i e dw i t ht h eo p t i m a lg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，a n dt h ee s s e n t i a li n f o r m a t i o n i ss u p p l i e dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r ed e s i g no fc u t t i n gt o o l s b e c a u s et h em e t h o di s c o n v e n i e n ta n ds w i f t ，t h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t f o rc u t t i n gt o o l sw i l lb eg r e a t l yi m p r o v e d t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tt h r o u g ho p t i m i z i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f c u t t i n gt o o l su s e do nm o d u l a rm a c h i n et o o l sa n da n a l y z i n gt h e mi ns p e c i a lc u t t i n g c o n d i t i o n sb a s e do nf i n i t ee l e m e n t , c u t t i n gt o o l s g e o m e t r i ca n g l ea n dd e s i g n p a r a m e t e r st e n dt ob em o r er e a s o n a b l e ，w h i c ho f f e r s v a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h e s t r u c t u r ed e s i g na n dt h eu s eo ft h ec u t t i n gt o o l s ，a n di m p r o v e st h ed u r a b i l i t yo ft h e c u t t i n gt o o l s t h e r e f o r e t h e i n t e l l i g e n tc a ds y s t e mw i l l b eb e n e f i c i a lf o rt h e d e t e r m i n a t i o no fo p t i a m a lg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fc u t t i n gt o o l su s e do nm o d u l a r m a c h i n et o o l s ，t h eg e n e r a t i o no fd i m e n s i o n a lp a r a m e t e r sf o rg r a p h i c sm o d u l e sa s w e l la st h e s e l e c t i o no fr e a s o n a b l ec u t t i n gp a r a m e t e r s t h e2 dd r a w i n g sa n d3 d s o l i di m a g e sg e n e r a t e dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ef a c t o r ya sw e l l k e yw o r d s ：c o m b i n a t i o nc u t t i n gt o o l ；c o s m o s w o r k s ；o p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ； 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：猢降中钼p 日 导师签名撕年户月万日 西华大学硕士学位论文 l 前言 1 1 论文课题内容来源以及课题简述 本课题论文来自于企业委托项目专用机床刀具设计与切削用量优化 系统( 宁江科技发展有限责任公司) 的子课题复合刀具强度分析与几何参数 优化。 该系统主要包括以下五个模块：图形生成模块、几何参数优化模块、切削 用量优化模块、刀具强度分析与优化模块、刀具c a d 支撑数据库。本论文主 要针对几何参数优化模块和刀具强度分析与优化模块作了分析研究。 1 2 本课题论文研究的目的和意义 传统的刀具几何参数优化的方法通常是先刃磨出不同几何参数的刀具，然 后进行大量的切削实验来进行验证，从中优化出合理的刀具几何参数，这个过 程往往要耗费大量的时间和财力。本课题将参数化设计与数值模拟技术引入到 刀具的设计研究中，从而缩短了传统理论分析和试验的周期。论文针对专用机 床上使用的复合刀具进行强度分析，优化刀具的几何参数，从而为图形生成模 块提供最佳的刀具几何参数。 所谓刀具的最佳几何参数，是在保证加工质量的前提下，能够满足生产效率 高、加工成本低的刀具几何参数。刀具的几何参数( 刀具角度、刃区型式及参 数、刀面型式及参数、刃形等) 对已加工表面的精度和粗糙度有较大影响。除 刀具角度外，各种资料表明，刀具的刀尖状态对已加工表面质量亦有影响，并 且，刀具各刀面粗糙度对已加工表面质量也有影响。同时，刀具的几何参数也 直接影响刀具的使用寿命。在切削力预报的基础上采用有限元法分析刀具进行 应力应变情况( 如镗刀杆产生的最大挠度) 分析，为刀具的结构设计提供必要 的信息，以优化刀具的结构设计。该方法方便、快捷，可大大地提高研究与开 发的效率和可靠性。 本论文的总体思路是通过有限元软件c o s m o s w o r k s 和a n s y s 在模拟三 维金属切削过程的基础上，对刀具的应力、应变进行有限元分析，并对刀具的 西华大学硕士学位论文 结构、几何参数及切削用量参数进行虚拟优化设计。论文包括如下工作： ( 1 ) 在熟练掌握金属切削原理、有限元法基本理论、弹塑性变形理论、优化 技术等的基础上，详细分析斜角切削的相关原理并建立有限元模型。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，应用s o l i d w o r k s 建立金属切削的有限元模型，通 过选择刀具材料的参数、加载刀具所受的切削力等，经过计算分析，完成对金 属切削过程的静态数值模拟。最后应用c o s m o s w o r k s 分析提取计算结果。 通过对刀具的参数以及强度刚度的优化，提高了工件已加工表面的精度， 延长了刀具的使用寿命，为企业节约了资金，提高了经济效益。 1 3 论文主要研究内容、思路与方法 论文研究内容的主要包括几何参数优化和刀具强度刚度分析与优化两个方 面： ( 1 ) 几何参数优化 主要功能：为图形生成模块提供所需的刀具的几何参数。 研究思路与方法：刀具的几何参数( 刀具角度，刃区型式及参数，刀面 型式及参数，刃形等) 、刀具的刀尖状态( 刀尖圆弧半径、刃口圆弧半径、切削 刃的完整性和平直性等) 对已加工表面质量有不同程度的影响，此外，刀具的 几何参数也直接影响到刀具的使用寿命。本论文拟采用金属切削数据库、最优 化理论和有限元方法对刀具几何参数进行优化，最后给出最优的刀具几何参数。 ( 2 ) 刀具强度刚度分析与优化 功能：根据所生成的刀具设计方案和切削工况条件( 被加工零件材质、 加工精度、冷却条件、切削参数等) ，能判定刀具的刚度和强度能否满足加工要 求，为图形生成模块提供满足加工要求的刀具结构尺寸。 研究思路与方法：在切削力预报的基础上采用有限元法分析每一把刀 的应力应交情况( 如镗刀杆产生的最大挠度) ，为刀具的结构设计提供必要的数 据。 2 西华大学硕士学位论文 2 智能化专用机床刀具c a d 系统概述 2 1 智能刀具c a d 系统概述 智能c a d ( i n t e l i g e n tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，i c a d ) 是一种由多个智能 体与多种c a d 功能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。i c a d 系统运用 人工智能的原理与方法处理知识信息，进行方案设计、评价、决策和知识更新 等智能活动，并将推理结论和所获得经验知识直接应用于产品设计中，自动进 行图形、数据处理等操作，同时完善本身的知识库和推理机制，从而更好地完 成设计。 本刀具c a d 系统是一个智能化的c a d 系统，根据用户输入的被加工零件 的材质、冷却方式、加工工艺、实心孔、抽心孔、通孔或盲孔、单一孔或复合 台阶孔、孔径大小、轴向尺寸或孔深要求、加工余量、刀具长度、刀具形式、 刀具连接方式等信息，应用s o l i d w o r k s2 0 0 6 特征化、参数化功能和二汐开发 设计技术，运用c b r 技术、专家系统、动态链接库( d l l ) 技术、o d b c 数 据库互连技术，按优化的结果分类建立企业常用三维参数化零件库，完成刀具 的实体造型。并在此基础上，基于s o l i d w o r k s2 0 0 6 二维图功能，提供三维模 型向二维图纸转化时所需的编辑功能( 如出图模板、尺寸图符标注、设计标准 等) ，以自动生成各种刀具的装配图、零件图和目录清单。系统是在v i s u a lc + + 6 0 环境下开发的刀具c a d 设计系统，实现了刀具设计过程的程序化和参数化； 建立了便于修改和维护的刀具参数数据库；能根据优化的结果自动生成刀具工 程图纸；根据优化结果设计的刀具能更好的满足了机床多轴加工的流屑要求和 刀具强度和刚度的要求，延长了刀具的使用寿命。该系统主要包括以下五个模 块及其主要功能如下： 图形生成模块 主要功能：自动生成刀具的三维实体图和二维设计图纸。包含刀具的具体 形式、几何角度、外形尺寸、形位公差要求、热处理要求、刀杆和刀具的材质 等，生成的二维设计图纸分为总装图、零件图和目录清单。目录清单包括基本 件、外构件、通用件、借用件和标准件目录。 几何参数优化模块 3 西华大学硕士学位论文 主要功能：为图形生成模块提供所需的刀具的几何参数( 刀具角度、刃区 型式及参数、刀面形式及参数、刃形等) 切削用量优化模块 主要功能：推荐最优的切削用量并能满足被加工孔径尺寸和公差、表面粗 糙度、深度尺寸和公差及刀具寿命的要求。 刀具强度分析与优化模块 主要功能：根据所成产的刀具设计方案和切削工况条件，参照切削用量模 块所提供的切削力、切削效率等数据，判定刀具的刚度和强度能否满足加工要 求，为图形生成模块提供满足加工要求的刀具结构尺寸。 刀具c a d 支撑数据库 主要功能：为c a d 系统提供所需数据。如：工件材料、刀具材料、刀具几 何参数、切削用量、机床参数、切削力和刀具使用寿命计算所需的各种修正系 数等。采用s o ls c i v e i2 0 0 0 作为数据库管理系统，采用o d b c 数据库互连技术 实现功能模块与s q l s f r v c r 数据库的连接。 2 2 智能c a d 系统的发展趋势 近几年来，随着计算机技术和其他相关技术突飞猛进的发展，如多媒体技 术、网络技术、全球定位系统( g p s ) 、人工智能、专家系统、语音识别、图像识 别、数据库、视频处理、科学计算可视化技术、虚拟现实技术、面向对象方法 以及地理信息系统( 6 i s ) 等等，c a d 技术的普及应用越来越广泛，越来越深入。 现在计算机硬件水平的不断提高为c a d 技术的发展提供了必要条件，全球化 激烈的市场竞争为c a d 的普及应用提供了动力。有关资料【“l - i ”i 显示c a d 技 术正有如下发展趋势： ( 1 ) 微机化 过去，c a d 主要以工作站为硬件平台；现在以w i n t e l 体系为主的微机己 占领计算机应用的大部分市场。同时，随着微机硬件水平的不断提升和微机操 作系统w i n d o w s 的不断发展，微机运行环境的可靠性、安全性和运行效率都得 到了极大改善。微机作为c a d 平台己被大多数c a d 用户接受。为占有具有广 大用户的微机c a d 市场，不少c a d 软件商将工作站上的c a d 软件移植到微 4 西华大学硕士学位论文 机上，如i - d e a s 、u g 、p r o e n g i n e e r 等，同时也出现了不少直接在微机上开发 的c a d 软件，如s o l i d w o r k s 、s o l i de d g e 、m d t 等。微机化促进了c a d 的 广泛应用，是c a d 技术发展的一个最重要的特点和趋势。 ( 2 ) 集成化和智能化 简单来说，集成化就是各环节数据的有机结合。对制造业而言，集成化就 是把设计、分析、工艺、管理等各个环节的各项功能软件有机地结合起来，统 一数据的描述及交换，协调各功能软件的有效运行。其中计算机集成制造系统 ( c i m s ) 是c a d 系统集成发展的一个重要方向。集成化c a d 能缩短产品研制 周期，增强企业竞争力。 初级的智能化表现在c a d 软件的人性化、使用方便，其中的典型是应用 动态导航技术，引导设计者逐步进行设计。更高级的是根据具体设计方法、技 术及经验，在处理数值型工作基础上，进行推理型工作，包括方案构思与拟定、 最佳方案设计与选择、结构设计、评价以及参数选择等。这些工作需要知识、 经验及推理，将专家系统与c a d 技术结合起来，是智能化c a d 系统发展的必 然趋势。 ( 3 ) 网络化和并行化 计算机网络是现代计算机技术与通讯技术相结合的产物。网络的最大作用 是实现资源共享。c a d 系统只有通过网络互联起来，才能达到资源共享和协同 工作的目的，发挥c a d 的最大效益。c a d 的公用信息、图形、编码、标准零 部件等都存储在服务器的公用数据库中，用户c a d 通过网络共享其中的数据， 进行各自的工作，交换所需的中问处理数据和最终结果。网络化为应用计算机 的各部门实行信息共享、协同工作提供了物质基础条件。 并行设计作为并行工程在产品设计开发活动中的体现，是从传统串行顺序 方式演化到合作并行求解方式的一项重要技术。c a d 的集成化与网络化为c a d 实现并行设计提供了软硬件基础。c a d 并行设计实现产品的方案设计、概念设 计、详细设计、分析设计、工艺设计、加工仿真各阶段工作在各设计部门同步 进行，各个设计部门的设计信息共享，并以规定流程实现交流、反馈，同时对 各阶段设计中的问题进行修正，保证在方案完成的同时，产品即可加工出来。 并行化c a d 是全新的c a d 组织形式，最大程度缩短产品研制周期，是大型企 5 西华大学硕士学位论文 业实施c a d 的发展趋势。 ( 4 ) 规范化 规范化的趋势体现在数据模型的标准化、数据交换格式的标准化及c a d 资源的规范化三个方面。数据模型应采用s t e p 标准体系。它包含a p 2 0 3 、p 2 0 4 等，还有许多子集正在制定中。随着s t e p 标准体系的逐渐完善，它对于几何 数据、工程数据模型的思想将作为新一代c a d 系统的开发指南。 以前的一些标准接口无法满足c a d 数据交换的要求。在新一代c a d 系统 中，基于s t e p 标准的数据交换将成为主流，所传输的内容也将不仅局限于几 何数据模型。目前参数化特征模型的传输还是一个世界难题，在s t e p 标准的 基础上，相信这一点能有所突破。 这里所说的c a d 资源主要是指各种标准件库和标准符号库等。它是由各国 标准和国家标准所规定的，是工程设计的重要依据。目前许多参数化系统中都 不专门提供标准件模块，理由是参数驱动的能力使得系列化设计变得十分容易， 因此该项工作留给了用户。但根据实际经验发现：用户一般希望系统尽可能方 便，从以前的直接调用方式返回到自己建库的方式，不易被接受，而且标准件 库的三维视图和二维工程图的简化画法的不同也很麻烦。因此，对用户来说建 立标准库还是很有必要的。 2 3 智能化专用机床刀具c a d 系统结构 2 3 1系统总体框架和系统流程图 如上所述，本专用机床刀具设计与切削用量优化系统体系结构如下图2 1 。 用户经过认证后进入系统，输入设计要求和必要的初始数据，系统运用c b r 技术、动态链接库( d l l ) 技术、a d o 数据库互连技术以及s o l i d w o r k s 的二 次开发软件，进行参数优化，然后按照优化的结果，完成各种刀具的实体造型。 在此基础上，根据用户需要进行刀具强度刚度分析，判定刀具的刚度和强度能 否满足加工要求，并可为图形生成模块提供满足加工要求的刀具结构尺寸，最 后自动生成各种刀具的装配图、二维工程图、目录清单及有关数据。系统工作 流程如图2 2 所示。 6 西华大学硕士学位论文 专用机床刀具设计与切削用量优化系统 刀具设计切削用系统数据管理 量优化 设几结三刀在一定知识库实例库图形库数据库 计何构维具约束条 把切削基标准离散浓缩 信参设建强件下选 加工理于s o l i 件、通型切型切 息数计模度择可实 输优刚现预定 论和经d w o r k用件库削数削数 入化 验以规s 征化、据库据库 度目标的 则的形参数化 维分最佳切 式存放技术建 出析削用量 在知识模 图与值。 库中， 优 借助专 化 家系统 的推理 功能， 实现切 削参数 的自动 选择 s o l i d w o r k s 2 0 0 6 、v c + + 6 0 、d e f o r m3 d v 5 0 、s q ls e r v e r2 0 0 0 f i 9 2 1s y s t e ma r c h i l e c t u r e 图2 1 系统体系结构 7 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 2w o r k i n gf l o wo fs y s t e m 图2 2 系统工作流程 8 西华大学硕士学位论文 2 3 2 数据录入 本智能c a d 系统以v i s u a lc + + 6 o 为开发语言，以w i n d o w s 系统作操作平台， 以s o ls e r v e r2 0 0 0 为底层数据库，模块化、参数化设计是在s o l i d w o r k s 上进行 二次开发实现的，因而全部的应用程序需要集成在s o l i d w o r k s 的菜单命令中。本 开发系统软件采用w i n d o w s 标准的界面风格，以对话框的方式实现各种操作，采 用汉化的操作界面。其具体操作流程如下所述。 本智能c a d 系统初始界面运行如下： f i 9 2 3 i n i t i a lo p e r a t i n gi n t e r f a c e 图2 3初始运行界面 9 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 4 ( 1 ) d a t ae n t r yi n t e r f a c e 图2 4 ( 1 ) 数据录入界面 f i 9 2 4 ( 2 ) d a t ae n t r yi n t e r f a c e 图2 4 ( 2 ) 数据录入界面 1 0 西华大学硕士学位论文 o p e r a t i n gi n t e r f a c ef o ro p t i m i z a t i o no f 磬期弧e 仃i cp a r a m e t e r s 图2 5 几何参数优化运行界面 f i 9 2 6d i s p l a yi n t e r f a c ef o rc 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 n 图2 6 切削用量优化界面显示 1 1 西华大学硕士学位论文 f i 醇7 i n t e r f a c ef o rl o w c 吼c o s t d i s p l a y 图2 7 最低成本界面 推荐使用的切削用量 优化目标 挪讯丽固r 1 f i 9 2 8o p t i m i z a t i o no f c u t t i n gp a r a m e t e r sf o rs l i d i n gh e a d s t o c k 图2 8 同一主轴箱的切削用量优化 图2 3 所示的是本智能c a d 系统初始运行界面，该界面提供了“初始数据录 入”、“同一主轴箱上所有刀具的切削用量优化”、“基础数据管理”等功能。 图2 4 ( 1 ) 所示为数据录入界面1 ，选择完成，点击“确定”，在此按钮的响应 西华大学硕士学位论文 函数中保存所做的选项，界面右面将显示满足条件的预览图形。在图2 4 ( 2 ) 所示的界面选择所有的输入并输入正确的尺寸，单击“确定”，然后单击“几 何参数优化”，进入几何参数优化界面，如图2 5 所示。在几何参数优化模块， 运用经验优化与指点优化两种方式对焊接式刀具和可转位刀具进行了优化。操 作者选择所要加工的工件材料和刀具切削部分的材料，点击“经验优化”按钮， 可以从数据库查询出来经验推荐的刀具的前角、后角，刃倾角、主偏角四个角 度值。若刀具为可转位刀具，则需要选择可转位刀片型号，然后再次点击“经 验优化”按钮，计算出加工刀片槽所需要的加工角度，依照这两个角度可以加 工出符合角度的刀具来。指点优化模式，是由操作者根据经验或者模糊评判( 参 考节3 4 4 ) 来选择工件材料的切削加工性等级，点击“指点优化”按钮，读取 前述界面限定条件，通过判断在数据库中查询出推荐的角度数值。这两种优化 方式进行比较对照，根据操作者的经验来具体调整实时所需的刀具几何角度。 同时，系统将综合输入信息生成刀具代码，从而能以刀具代码为关键字并保存 刀具信息。 在几何参数优化界面上点击“切削用量优化”按钮进入如图2 6 所示的界面。 在该界面中输入切削用量优化所需要的条件、所允许的最大进给量和最小进给 量、机床所允许的最大转速和最小转速、输入刀具使用寿命要求和切削深度， 然后选择粗糙度要求和优化目标，如果优化目标为“最低成本”，则还需要在 如图2 7 所示的界面上输入“单位时间成本”和“刀具成本及磨刀费用”，这些 都为切削用量优化所需要的参数。单击“优化”按钮，该响应函数将保存参数 的值、执行优化程序、查询离散型经验数据库、计算切削力切削功率并将优化 结果显示到界面上。 图2 8 所示的界面是同一主轴箱的优化，选择主轴箱代码及优化目标，单击 “优化”按钮，该按钮的响应函数将执行优化程序并将优化结果显示在界面。 2 3 3 刀具几何参数优化 刀具几何参数的合理选择是切削刀具理论与实践的重要课题。刀具是切削 加工的直接作用工具，它的性能对切削加工的效率和精度起着决定性的作用。 传统的刀具几何参数的选取是凭经验进行的，总是存在很多不合理之处。近年 来，国内外均广泛地把金属切削数据库应用到刀具几何参数的选择，并取得了 西华大学硕士学位论文 很好的效果。本专题就是在广泛查阅相关资料信息的基础上建立了几何参数优 选数据库，本数据库也是金属切削数据库的一个组成部分，具体流程是，根据 前述数据录入信息，以及具体的加工条件，加上现场操作人员的经验等等，对 刀具的几何参数( 前角、后角、刃倾角、主偏角等) 进行查询，为图形生成模块 提供所需的数据信息。 2 3 4 刀具实体建模与工程图生成 。 s o l i d w o r k s 二次开发能实现的功能具体分为以下几大部分： 零件文档模式：实现草图生成、特征生成、零件材质的二次开发 p h o t o w o r k s ) 、零件数据遍历、获取组成零件等； 装配体文档模式：实现导入零件、添加装配关系、隐藏显示零件、进行 装配、装配体中的数据遍历等： 工程图模式：实现对工程图的生成、b o m 表的访问等； 三种文档模式共有的二次开发：如文件的打开、关闭、保存等； 用户界面的二次开发：用户添加自定义的菜单( 包括顶级菜单) 、工具栏、 属性页和右键菜单； 其他：包括对视图、配置文件二次开发，已有插件( p h o t o w o r k s 、p d m w o r k s 等) 的二次开发等。 插件是绝大部分二次开发采用的型式，它是一个d l l 文件，可以直接加载 到s o l i d w o r k s 软件中使用。现开发的这套专用机床刀具设计系统就是采用在 s o l i d w o r k s 环境下加载一个d l l 动态链接的一个插件实现的。 设计系统功能实现步骤： 在v i s u a lc + + 中创建插件程序，制作相应的菜单及工具栏； 通过a p i 接口函数调用s o l i d w o r k s 的建模特征函数，并将建模的尺寸设 定成变量，实现参数化输入； 生成零件模型后，利用a p l 函数导入相关的零件并且添加装配关系，生 成装配实体； 利用生成的零件或装配体，通过a p i 函数设定要求标注的尺寸关系及各 项公差要求，生成生产所需的工程图纸： 根据装配体工程图各个零件的相关信息，提取生成b o m ( 零件明细表) ； 1 4 西华大学硕士学位论文 用。 将设计完成的各个零部件和装配体信息存入刀具数据库，便于管理和调 2 3 5 有限元分析 近年来，采用最优化理论和有限元法对刀具的强度进行分析和优化已经成 为一种趋势。有限元方法是六十年代以来发展起来的新的数值计算方法，是计 算机时代的产物。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得 到深入应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业， 是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在七十年代初期就有人给出结 论：有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化， 理论设计代替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完 善，各种有限元分析程序包的功能越来越强大，使用越来越方便。 基于有限元的方法来对刀具的应力分布进行分析进而得出刀具的最佳参数 一直是研究的热点，该方法利用基于有限元的数值模拟技术，在计算机上通过 输入材料性能参数、建立有限元模型、加载、计算来真实地模拟出切削的整个 过程，在此基础上分析不同几何参数下刀具的应力分布，进而选取合理的优化 标准，并结合刀具材料的性能特点，设计出较为合理的刀具结构及几何参数。 所谓复合刀具是将两把或两把以上的同类或不同类的孔加工刀具组合成一 体的专用刀具，它能在一次加工的过程中，完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔和镗 孔等多工序不同的工艺复合，具有高效率、高精度、高可靠性的成形加工特点。 由于是多把刀具协同工作，导致了刀具在切削加工过程中分别受到各不相同的 力的作用，从而影响了刀具的形状以及机床的受力。并且刀具的几何参数对已 n t 表面的精度和粗糙度影响较大，进而影响被加工孔的质量。但在给定的加 工条件下，必然存在一种最优的组合，使复合刀具能够进行最优的切削。要解 决这个问题，就必须对各把刀具以及刀杆进行分析，继而扩展到对复合刀具强 度以及几何参数的优化分析与研究上，分析刀片和刀杆的应力应变情况，寻求 在给定的切削工况条件下具有的最佳几何参数并且满足高刚性和高强度的刀 具。本有限元分析模块就是针对这一要求，对前述图形生成模块生成的刀具进 行校核优化以达到刀具设计最优的目标。 西华大学硕士学位论文 2 3 6 切削用量优化 根据已知条件：刀具类型( 复合刀具、单功能刀具) 、加工工艺( 粗加工、 精加工) 、刀具材料、工件材料、机床可提供的最高主轴转速、机床可提供的 最低主轴转速，以及具体的约束条件( 工件的加工精度和表面粗糙度要求、工 件材料的硬度和可加工性、刀具切削部材料、刃磨质量和使用寿命要求、机床 可提供的最高主轴转速、机床可提供的最低主轴转速等) 按照不同的优化目标 ( 最低单件成本：最高生产效率( 最短单件加工时间) ；最大单件利润。) 来优化 变量：切削速度 ，( m r a i n ) 一主轴转速n ( r r a i n ) ；进给量f ( 删n r ) 一迸给 速度 ，( 咖m i n ) 。按以上方法也可以优化同一多轴箱上的所有刀具，并将优 化结果存入数据库。 1 6 西华大学硕士学位论文 3 专用机床刀具几何参数优化 1 3 1 几何参数优化理论与方法简述 合理的刀具几何参数是提高刀具切削性能的重要因素，传统的刀具合理几 何参数的研究方法一般是先设计并选择不同的刀具几何参数及工艺参数，并借 助于一定的测试手段，来进行实际的切削实验。用这种方法来进行研究，往往 要经历一个很长的过程，耗时、耗力、实验成本高。所以刀具合理几何参数的 选择是切削理论与实践的重要课题。所谓刀具的合理的( 或者最佳) 几何参数 是在保证加工质量的前提下，能够满足生产效率高、加工成本高的刀具几何参 数。一般的说，选定刀具几何参数的合理值问题，本质上是多变量函数针对某 一目标计算求解最佳值的问题，但是，由于影响切削加工效益的因素太多，而 且影响因素之问又是相互作用的，因而建立数学模型的难度很大。实用的优化 或最佳化工作，只能在固定若干因素后，改变少量参数，