（机械设计及理论专业论文）专用机床刀具几何参数选用专家系统.pdf

西华大学硕士学位论文 专用机床刀具几何参数选用专家系统 机械设计及理论专业 研究生王峰指导教师周利平 摘要 所谓刀具的合理几何参数，是在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀 具耐用度，从而能达到提高切削效率，降低加工成本的刀具几何参数。各种资 料表明，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) 对切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损都有显著影响，从而影响切 削加工生产率、刀具使用寿命、加工质量和加工成本。为充分发挥刀具的切削 性能，除应正确选用刀具材料外，还应合理选择刀具几何参数。 作为专用机床刀具智能c a d 系统中的刀具几何参数优化模块，专用机床刀 具几何参数选用专家系统综合运用了c b r 技术、专家系统、动态链接库、a d o 技术等多种技术，采用基于数据库技术的面向对象知识表示，知识库与数据库 相结合的策略，用于知识获取和数据获取。通过与用户的交流，实现刀具几何 参数的优化与获取，从而为图形生成模块提供优选的刀具几何参数。系统的实 现采用面向对象的v i s u a lc + + 编程语言，利用s q ls e r v e r 关系型数据库技术建 立核心知识库部分。通过对实际的工况数据进行推理优化，得出所需的最佳结 果，为零件和装配体的三维实体及二维图形图形的生成提供必要的数据支持， 真正地与实际加工状况紧密地联系起来，从而在保证加工质量的同时，缩短刀 具的设计时间，提高加工效率、延长刀具寿命，达到生产效率和成本的最佳平 衡。本论文首先对专用机床刀具智能c a d 系统的总体设计、各功能模块及操作 流程做了简要介绍，在此前提下着重研究了专用机床刀具几何参数选用专家系 统即刀具几何参数优化模块的设计原理和细节，实现了刀具几何参数的优选， 并对刀具有限元分析模块进行了探讨和设计。 传统的刀具几何参数优化的方法，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，从而优化出合理的刀具几何参数，这个过程往 t 西华大学硕士学位论文 往要耗费大量的时间和财力，相比于此种方法，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。本论文应用专家系统、动态链接库、a d o 技术等 多种技术，对单一及复合孔加工刀具( 包括镗、钻、扩、铰、镗铰复合、镗钻 复合、钻铰复合等形式) 的几何参数进行了优化设计，并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 最大挠度等) ，运用s o l i d w o r k s 插件c o s m o s w b 舡，对专用机床使用的刀具进 行强度分析与校核，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。本论文研究的方法具有方便、快捷 的特点，可大大地提高专用机床刀具研究开发的效率和可靠性。 研究结果表明：通过专用机床刀具的几何参数选用专家系统对刀具几何参 数进行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，可以使刀 具几何参数的设计更加合理，从而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，并提高了刀具使用寿命。因此，本专用机床刀具 几何参数选用专家系统可使专用机床刀具的几何参数设计过程更加便捷、合理， 图形生成模块的尺寸参数和切削用量的选取方面更加合理适用，生成的二维图 形及三维实体也更符合客户需求。 关键词：专家系统；刀具几何参数；专用机床；优化；c o s m o s w b r k s i l 瑟华大学硕士学位论文 e x p e r ts y s t e m f o ro p t i m i z i n gt h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so ft h ec u t t i n gt o o lu s e do ns p e c i a l m a c h i n et o o l m a j o r i n gf i e l d ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y m ec a n d i d a t e ：w a n g f e n g s u p e r v i s o r ：z h o u l i p i n g a b s t r a c t t h er a t i o n a lc u t t e rg e o m e t r yp a r a m e t e ri st h ec u r e r g e o m e t r yp a r a m e t e r t h a tc a x l g a i nm a x i m a lt o o ll i f et or e a c hb e t t e rc u t t i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ef i n i s h e dc o s t u n d e rt h ep r e m i s eo fk e e p i n gt h ep r o c e s s i n gq u a l i t y t h ev a r i o u sd a t ai n d i c a t et h a t t h ec u t t e rg e o m e t r yp a r a m e t e r s ( s u c ha sc u r e ra n g l e ，e d g ea r e ap a r e r na n d p a r a m e t e r s ，t h ek n i f ef a c e s sp a r e ma n dt h ep a r a m e t e r s ，t h ee d g es h a p ee t c ) a f f e c t c u r i n gd e f o r m a t i o n ，c u r i n gf o r c ea n dc u r i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h e na f f e c tc u t t i n g e f f i c a c y ，c u r e r sl i f e ，p r o c e s sm a s sa n df i n i s h e dc o s t f o ru s i n gc u t t e r sc u t t i n g f u n c t i o nm o r es u f f i c i e n t l y , w es h o u l dc h o o s et h e t h ec u r e rg e o m e t r yp a r a m e t e r r a t i o n a l l ye x c e p ts e l e c t i n gc u r e r m a t e r i a lc o r r e c t l y a sam o d u l ep a r to ft h e i n t e l l i g e n tc a ds j , s t e mt oo p t i m i z ec u r 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 ee x p e gs y s t e mi sd e v e l o p e db yc b rt e c h n o l o g y , e x p e r t s y s t e mt e c h n o l o g y , d y n a m i cl i n kl i b r a r ya n da d ot e c h n o l o g y i ta d o p t st h ed a t a e x p r e s s i o nb a s e do nd a t a b a s et e c h n o l o g y , b yt h ew a yo fc o m b i n a t i n gt h ek n o w l e d g e b a s ea n dt h ed a t a b a s et og e tk o o w l c d g ea n dd a t a b ye x c h a n g i n gw i 搬t h ec o n s u m e r , i tr e a l i z e st h eo p t i m i z a t i o no fc u r e rg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，a n dp r o v i d e st h eo p t i m u m c u r e rg e o m e t r yp a r a m e t e r st ot h ed r a w i n gm o d u l e t h ee x p e r ts y s t e mi sc o n s t r u c t e d w i t hv i s u a lc + + 6 0a n dt h em a i nk n o w l e d g eb a s ei sc o n s t r u c t e dw i t hs q ls e r v e r f r o ms p e c u l a t i n ga n do p t i m i z i n gt h ed a t ag o tf r o ma c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，i tc a n g e tt h eb e s tr e s u l ta n dp r o v i d en e c e s s a r yd a t as u p p o r tf o rt h eg e n e r a t i o no ft h e3 d i i i 西华大学硕士学位论文 s o l i di m a g ea n d2 dd r a w i n go f e a c hc o m p o n e n ta n dt h ea s s e m b l yb o d yo fac u t t i n g t o o l ，a n dm a k et h ed e s i g np r o c e s sc o n n e c t st h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o nc l o s e l y t h e e x p e r ts y s t e mc a ns h o r t e nd e s i g nt i m e ，i m p r o v ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ，a n dp r o l o n g t o o ll i f et or e a c ht h eb e s tb a l a n c eb e t w e e ne f f i c i e n c ya n dc o s tw h i l ek e e p i n gg o o d p r o c e s sq u a l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eg 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 dw o r k i n gf l o w o ft h ei n t e l l i g e n tc a ds y s t e m ，a m o n gw h i c ht h e o p t i m i z a t i o nm o d u l ef o rc u t t i n gt o o lg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t h ee x p e as y s t e mf o r o p t i m i z i n gt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ec u t t i n gt o o lu s e do ns p e c i a lm a c h i n et o o l ， a n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d u l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l b yt r a d i t i o n a la p p r o a c hf o rc 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 sw i t hv a r i o u sg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa r ef i r s tg r o u n d ，f o l l o w e db yag r e a t d e a lo fc u t t i n gt e s t sa n dv 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 c p 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 sag r e a td e a lo f t i m ea n dc o s t t h e r e s u l t so b t a i n e df r o mt h es 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 l t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de 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 k l i b r a r y , a d ot e c h n o l o g ya r ee m p l o y e d t o d e s i g na n do p t i m i z et h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so ft h es i g l eo rc o m b i n a t i o nc u t t i n gt o o l su s e dt om a c h i n i n gh o l e a n dt h e s t r e s sa n ds t r a i no 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 g f o r c ep r e d i c t i o na r ea n a l y z 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 e p l u g i nm o d u l en a m e dc o s m o s w o r k s i ns o f t w a r es o l i d v v o r k si sa p p l i e dt oa n a l y z e a n dc h e c kt h es 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 s m o d e lo fc u t t i n gt o o li s s 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 e e s s e n t i a li n f o r m a t i o ni s s 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 sc 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 e d e s i g na n dd e v e l o p m e n tf 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 hi n d i c a t e st h a tb yo p t i m i z i n g g 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 s u 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 gc o n d i t i o n s b 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 np a r a m e t e r st e n dt o b em o r er e a s o n a b l ea n dt h ev a l u a b l er e f e r e n c et ot h es t r u c t u r ed e s i g na n dt h eu s eo f t h ec u t t i n gt o o l s ，a n dt h et o o ll i f eo ft h ec u t t i n gt o o l sa r ei m p r o v e d t h e r e f o r et h e t v 鼹华大学颈学位论艾 一_ 一 e x p e r ts y s t e mc a nm a k et h ed e s i g np r o c e s sf o rt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fc u t t i n g t o o l su s e do nm o d u l a rm a c h i n et o o l sb ee a s i e ra n dm o r er e a s o n a b l e ，a n dm a k et h e s e l e c t i o n so ft h ed i m e n s i o n sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r sm o r er e a s o n a b l e t o o t h e g e n e r a t e d2 dd r a w i n g sa n d3 ds o l i di m a g e sc a l lm e e t t h ec o n s u l t l e r sr e q u i r e m e n t s b e t t e r k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ；g 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 ；s p e c i a lm a c h i n e t o o l ；o p t i m i z a t i o n ；c o s m o s w o r k s v 嚣牮大学硕士学使论文 声喷 本人声骧所呈交的学位论文是本人在导耀指导下迸雩亍酶研究工作及取褥的 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 证书瓤使用过的材料。 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： 手 孑，主 _ 舢罗中 l 。g 年阴6 f i 导撇：冈手穗年d 苦日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 刀具合理几何参数选择概述及主要内容【1 1 刀具合理几何参数的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，它的完善程度对切削加工的现状和发展起着决定性的作 用。c i r p 的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具的允许切削速度 每隔每隔十年几乎提高一倍；由于刀具结构和几何参数的改进，刀具耐用度每 隔十年几乎提高二倍。 这也说明了选择刀具合理几何参数的重要意义。 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、加工成本低的刀具几何参数。 合理的刀具几何参数是提高刀其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、耗力且实验成本高。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索太多，而且影响因素之间又是相互作用的， 因面建立数学模型的难度很大。实用的优化或最佳化工作，只能在露定若于因 素后，改变少量参数，取得实验数据，并且采用适当方法( 例如方差分析法、 回归分析法、优选法l z l 等) 进行处理，得出优选结论。 目前刀具几何参数的选用基本上处于传统的经验及参考手册阶段，采用方 差分析法、回归分析法、优选法等方法优化刃具几何参数。 刀具的合理几何参数包含以下四方面基本内容l j 儿引： 1 刃形。即切削刃的形状。从简单的直线刃发展到折线刃、圆弧刃、月牙弧 刃、波形刃、阶梯刃及其他适宣的空闻睦线刃，同时也暖确了一定的切削加工 条件必定对应有某种适宜的刃形。这是刀具几何构形趋于合理的一种标志。刀 尖形状的改革，也是刃形变革的内容之一。刃形直接影响切削层的形状，影响 切鸯l 图形的合理性；刃形的变化，将带来切削刃各点工作角度的变化。因此， 合理的刃形，对于提高刀具耐用度、改善加工表面质量、提离刀具的抗振性和 改变切屑形态等，都有直接的意义。 2 切削刃刃区的剖面型式及参数。切削刃的剖面型式对切削加工效率、质量 和成本有重要意义。 嚣牮大学磺学彼论文 3 刀西型式及参数。选择合理的刀面型式及参数值，对切屑的变形、卷曲 和折断，对切削力、切鸯l 热、刃具密损及耐用度，有直接的影确，其中前刀面 的影响帮作用更大。 碡。刀具焦度。刃具费度包括主切削刃的前角、霖角、圭偏角、刃倾角和副切 雕刃的副恁角、副偏角等。 在实际工作中，根据具体情况的不同，所针对的几何参数设计重点也有所 不同，在本论文中，重点研究刃具角度和刀尖圆弧半径的设计。 王2 工艺参数优化专家系统国内外研究现状 一般的说，专家系统是个具霄大量专f l 知识与经验的程序系统【绷。专家系 统存储有某个专f j 领域孛经过事先总结、分析并按某种模式表示的专家知识( 组 成知识库) ，以及拥有类似与领域专家解决实际闻题的推理机嗣( 构成推理机) 。 系统筑对输入信息进行处理，弗运用知识进行推理，做出决策和判断，其解决 闯题的水平达到或接近专家的水平，因此能起到专家或专家助手的作用。专家 系统的开发和研究是入工智能中最活跃的一个应用研究领域，涉及到社会各个 方面，可以说，需要有专家工作的场所，就可以开发专家系统。无论专家系统 完成什么类型的任务，就领域闷题的基本操作来说，专家系统可分戈分析型专 家系统和设计型专家系统两类。至今隽止，大部分专家系统都是分析型专家系 统狰j 。它的主要推理方法是启发式推理分类方法，首先把原始数据或证据经过 数据抽象变成形式纯的攒象数据，然蕨经过对接象数据与抽象解之闯的窟发式 匹配找出可匹配的抽象解集，最后经过解的求精从解集中识别出具体解。如 m y c i n ( 医学诊断专家系统) 移p r o s p e c t o r ( 地康勘探专家系统) 都是典 型的分析型专家系统。 在总体上，专家系统具有以下一些共霜的特点。 王。具有专家水平的专泣知识。专家系统具有的知识越丰富，质量越高，解 决问题的能力就越强。 2 窟发性推理。专家系统运用专家的经验和知识进行启发式推理，对褥题 作出判断和决策。 3 + 灵活性。知识库和推理概甄穗互联系，又耀互独立。罴絮识库作适当的 修改和更新后，只要推理策略没有变，推理机部分就可以不变，使系统易于扩 2 话牮大学硕士学饿论文 充。 4 。透鞠性。专家系统的解释枕铡可以回答用户关于“系统是怎样褥邀这一 结论和靠必什么会提出这样的闷题挣的询闯。 5 知识更新。专家系统应殿有较好的人机界面，以此获得同用户的交流， 并笺够通过搋器学溜不断选增加知识f 霹。 专家系统的一般结构翔霉1 - 1 掰录。 1 入机接口。这是专家系统与领域专家或知识工程师及一般用户闻的界面， 由一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。 2 知识获取机构。其基本饪务是把知识输入到知识瘴中，并负责维持知识 酶一致性及完整性，建立起性麓良好的知识库。 懋声麟城裂釉 表嚣l 接“ l l i 职猎 ；l 均 i 搬删帆 i 知l 张 张g 移l 掬 i jl | 熬攒撵疑疑镑缔羲缓 ll 勰豁l 露艇熬拇那舔缝 l f i g 1 1g e n e r a ls 程髓e 赶i o f t h ee x p e r ts y s t e m 网1 - 1 专家系统的一般结构 3 。知识库及其管理机构。这是知识的存储机构，用于存储领域内的原理性 知识、专家鹩经验性知识以及有关的事实等；它的管理系统负责对知识瘁中的 知识进行组织、检索、维护等。 4 推理枧。推理机是专家系统的“思维规构，是构成专家系统的核心部 分。其饪务是模擞领域专家的思维过程，根据当前已知的事实，利用知识库中 的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得闯题的答案或证骧假设 的正确性。 5 。数据库及其管理系统。又称为“综合数据库，它楚用予存放用户提供的 霸始事实、阉题攒述以及系统运行过程中得捌的中闻结果、最终结果、运行信 息等的工作存储器。 6 ，解释机制。幽一组程序组成，它能跟踪并记录推理过程，当用户提爨诲 闯时，作相应的处理并用约定的形式输出。 疆华大学硕士学位论文 开发专家系统的关键是表示和运用专家知识，即来自领域专家的已被证明对 解决有关领域内的典型问题有用的事实和过程。尽前，专家系统主要采用基于 规则的知识表示和推理技术圈。由于领域的知识更多是不精确或不确定的，因 此，不确定的知识表示与知识推理是专家系统开发与研究的重要课题。此外， 专家系统开发工具的研制发展也很迅速，这对扩大专家系统的应用范围，加快 专家系统的开发过程，将起到积极的促进佟翔。随着计算机科学技术整体水平 的提商，分布式专家系统、协同式专家系统等新一代专家系统的研究也发展很 快。在新一代专家系统中，不但采用基于规则的推理方法，而且采用诸如人工 神经网络的方法。 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 透到机械制造业的各个领域，并已发挥了巨大的作用【9 】。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 各个领域实现智熊化的首选。在金属切削领域中，还有许多问题尚需进一步研 究完善，如刀具及刀片槽型的选择、切削用量的优选、切屑形成机理、刀具磨 损和破损机理、切屑卷曲及折断机理等，这些机理的完善就需要专家的经验和 知识的积累，这就为专家系统在这领域中的应用提供了广阔的天地。 随着人工智能技术的发展，圈外有少数的数控系统厂家开发出一些具有智能 化的刀具和切削参数优选的软件，如日本的m a z a t r o l 3 2 ，德国的t r a u b e 等。 k 0 e d a l e w ，h s a b d a l l a ，r j n a s h 在ac o m p u t e r - b a s e d i n t e l l i g e n ts y s t e mf o r a u t o m a t i ct o o ls e l e c t i o n 一文中讲述了一个适糟于当今工程环境，能自动选择加 工过程以及所需加工刀具的计算机智能系统【l0 1 。它可以利用数学模型和某些数 据来决定、计算刀具的参数和所有部件的花销。这能够帮助设计人员选择出最 优化的刀具及加工条件，还为他们提供减少加工时间和成本的建议。这个系统 还可根据被加工材料的成分及要求的表面质量、尺寸精度的表面特征计算加工 参数、估计加工时间和成本。 近年来，数控机床、加工中心等先进设备在我国包括核工业系统增加较快， 柔性制造单元或系统也在不少单位开始投入使用或筹建。c a d c a m 、c a p p 等新技 术日益发展普及。各行业工件材料种类繁多且还在不断发展。核工业系统的难 加工材料、不锈钢材料较多。另外，各行业生产厂家布局大多比较分散，生产 批量小，品种多，发展趋势大都要求加工周期短，生产工艺变化快。在这种情 4 谣华大学硕士学位论文 况下，各个部门和行业都相应的开发了针对于具体用途的小型专用专家系统。 如西北工业大学的字航难加工材料切削加工专家系统【l ，北京理工大学的硬质 合金刀具专家系统明，华南理工大学的铣削加i 过程多目标优化专家系统吲， 以及哈尔滨理工大学的刀片槽型c a d 专家系统【l3 】和数控切削加工工艺参数优化 专家系统【1 4 】等。为满足自动化生产的需要，开发针对专用机床刀具几何参数优 化用的专家系统很有必要。 1 3 课题来源及研究的目的与意义 本课题论文来自予企业委托项鼙专用机床刃具设计与切削用量优化 系统( 由宁江科技发展有限责任公司委托) 的子课题专用机床刀具几僻参数 选用专家系统及刀具强度分析。 该项目所设计系统为智能化专用机床刀具c a d 系统，用以完成用于专用机 床的孔加工刀具( 包括镗、钻、扩、铰、毽铰复合、镗钴复合、钴铰复合等刀 具形式) 的结构设计和结构优化的任务，包括图形生成模块、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 支撑数据库等五 令模块。专用祝床刀具几何参数选髑专家系统为其中酶刀具几何参数设计模块。 本论文主要针对基于刀具几何参数优化数据库的专用机床刀具几何参数选用专 家系统作了分析研究，同时完成了刀具强度分析与优化模块，使用有限元方法 对刀具强度进行分析，以优化刀具结构，确认最佳参数。 刃其的几何参数( 刀具焦度、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。除刃具角度外，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，刀具的几蔼参数也直接影响刀其的使用寿命。 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其，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 程往往簧耗费大量的时间和财力。本课题将参数化设计、专家系统、有限元与 数值模拟技术引入到刀具的设计研究中，觚丽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单一刀具和复合刀具，使用专家系统优化刀具 的几何参数，同时对设计出的刀具利用基于有限元的数值模拟技术进行强度分 析，通过对刀具麓应力分布进行分析进丽得出刃具的最佳参数，从而为图影生 5 飚华大学硕士学位论文 成模块提供最佳的刀具几何参数和刀具结构。 研究结果表明：通过专用机床刀具的几何参数选惩专家系统对刀具几何参 数进行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，可以使刀 具几何参数的设计更加合理，从而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，并提高了刀具使用寿命。因此，本专用机床刀具 几何参数选用专家系统可傻专耀机床刀具的几何参数设计过程更加便捷、合理， 图形生成模块的尺寸参数和切削用量的选取方面更加合理适用，生成的二维图 形及三维实体也更符合客户需求。 l 。4 论文思路及主要研究内容 本论文的总体思路是：设计并建立刀具几何参数优化数据库和基于该数据库 的专用机床刀具几何参数选用专家系统，通过专家系统的推理机制获墩最佳的 刀具几何参数，进丽应用s o l i d w o r k s 建立金属切削的有限元模型，使用有限元 软件c o s m o s w o r k 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，并对刀具的结构、几何参数等进行虚拟优化设计。主要内容包括： ( 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，详缨分析刀具几何参数设计的相关原理，利用s q ls e r v e r 关 系型数据库技术建立专用机床刀具几何参数优化数据库，使用户可以根据实际 情况对数据库中的数据进行维护； ( 2 ) 在理论分析麓基础上，采用面向对象的v i s u a lg h 编程语言，翻震s q l s e r v e r 关系型数据库技术，建立基于刀具几何参数优化数据库的刀具几何参数选 用专家系统。包括：知识库、规则库、推理机、解释机、知识获取机、输出模 块等。 ( 3 ) 由专家系统获取刀具几何参数，应用于s o l i d w b 揪s 三维建模，建立有限 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，应用c o s m o s w o r k s 完成对金属切削过程的静态数值模拟分析并提取计算结果。 6 强华大学硕士学位论文 2 专用机床刀具c a d 系统概述 2 王智熊刀具c 袁d 系统简介 智能c a d ( i n t e l i g e n t c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，i c a d ) 是一种出多个智能体与 多种c a d 功能模块有机集成的支持产晶设计的复杂系统。i c a d 系统运用入工智 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麓 活动，并将推理结论和所获德经验知识直接应用予产品设计中，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枫制，献而更好地完成设计。 此次设计的智能化刀具c a d 系统，可根据用户输入的被加工零件的材质、冷 却方式、加工工艺、结构特征( 实心孔、抽心孔、通孔或富孔、单一孔或复合 台阶孔) 、尺寸参数( 孔经大小、轴商尺寸或孔深要求、加工余量、刀具长度) 、 刃具形式、刃具连接方式等信息，廒溺s o l i d w o r k s2 0 0 6 参数优功能和二次开发 技术，运用c b r 技术、专家系统、动态链按库c d l l ) 技术、a d o 数据库互连技 术，按优化结果分类建立企业常用三维参数化零件麾，宪成刀具的实体造型。 并基于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瞬纸转化时所需的 编辑功能( 妇出图模板、尺寸图符撅注、设计标准等) ，以自动生成备种刃具的 装配图、零件图和匿录清单。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 刃具参数数据库；能根据优化的结果自动生成刀具工程图纸；撮据优化结巢设 计的刀其能更好的满足了机床多轴加工的瀛属要求和刃具强度和冈l l 度的要求， 延长了刀具的使髑寿命。该系统主要雹括以下五个功能模块： 图形生成模块：生成刀具的三维实体圈和二维设计图纸。包含刀具的黑体 形式、几何是度、外形尺寸、形位公差要求、熟处理要求、刀杆和刀具的材质 等，生成的二维设计图纸分为总装图、零件图和瞬录清单。瞬录清单包括基本 件、外构件、通梢律、借用件和标准件目录。 几何参数优仡模块：为图形生成模块提供所需的刀具韵几何参数( 刀具角 度、刃区型式及参数、刀面形式及参数、粥形等y 。 切测用量优化模块：推荐最优的切削蔫量并麓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。 一 刀具强度分析与优化模块：根据掰生成麓刃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 7 西华大学硪士学位论文 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 支撵数据库：为c a d 系统提供所需数据。如工件材料、刀具材料、 刃具凡 罨参数、切削用量、桃床参数、切削力霹刀具使用寿命计算所嚣的各种 修正系数等。采用s o ls e r v e r2 0 0 0 俸为数据库管理系统，采用a d o 数据库蔓 连技术实现功能模块与s q ls e r v e r 数据库的连接。 2 2 智能化专用机床刀具c a d 系统结构与基本流程 2 2 1 系统总体框架和系统流程图 如上所述，此次设计的专用机床刃具设计与切削朋量优化系统体系结构细 袭2 一董所示。震户经认证嚣进入系统，输入设计要求霸妊要豹初始数据，系统逡 震c b r 、动态链接瘁( d l l ) 、a d o 、s o l i d w o r k s _ 二次开发等技术进行参数优讫， 表2 - 1 系统体系结构 专用机床刀具设计与切削用量优化系统 刀其设计甥觏耀量优化系统数据管理 设足结刀在一定约束条知识库实铡痒图形瘁数据库 计俺构维具佟下选择可实 壤参 设建强 现预定嚣标麓 把切割基于标准离觳浓缩 患数计模、度最健切削用攫 搬工理s o l i d w箨、逶型讶型诱 输优刚值。 论和经 o r k s 用件瘁 削数削数 入 化 维度+ 验以规特征据库据库 出分 雯| l 的形纯、参 图析 式存放 数化技 与 在知识 术建模 优 库中， 化 借助专 家系统 戆推理 功畿， 实现切 削参数 的囊动 选择 s o l i d w o r k s 2 0 0 6 、v c + + 6 0 、s q ls e r v e r2 0 0 0 8 硬华大学硕士学位论文 然后按照优化结果，完成刀具的实体造型。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，最后自动生成刀 具的装配图、二维工程熙、曩录清单及有关数据。系统工作流程如图2 l 所示。 f i 9 2 1w o r k i n gf l o wo fs y s t e m 图2 1 系统工馋流程 9 西华大学硕士学位论文 2 2 2 系统工作基本流程说明 本智能刀具c a d 系统以v i s u a lc 抖6 0 为开发语言，以w i n d o w s 系统作操作平 台，以s q ls e r v e l 2 0 0 0 为底层数据库，模块化、参数化设计在s o l i d w o r k s 中进行 二次开发实现，将全部应用程序集成在s o l i d w o r k s 的菜单命令中。本系统采用 w i n d o w s 标准的界面风格，采用汉化的操作界面，以对话框方式实现各种操作。 ( 1 ) 刀具几何参数设计及切削用量优化 图2 2 至图2 - 8 为这两部分的主要操作流程。图2 - 2 是系统初始界面，该 纛麟勰鬻 篱骥缓豢i 鬻麟攀攀鬻缀鍪| | | l 羹荔 熬i 鬻鬻羲编巅鞴豢瀚鍪鬻鬃鬻鬻黪鬓纛滚灞麟黼嘲麓戮骥羹翳蕈 渗鬻鬃骥瓣蘸瑟雾馨鍪一i 荔滋鬻鬻鬻 蘩黎慧l 纛懑鬃i 鬻羹蘸 f i 9 2 - 2i n i t i a lo p e r a t i n gi n t e r f a c e 图2 - 2 初始运行界面 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，“g 粤 f m ， 自瑞矗 二且县徊fr y ： _ 一 i 堆、玉 t 上唐a 一i 一 直i 三= 一： ，t 墨：| 二二三 一! j i , i 9 2 - 3d a t ae n t r ym t e r t h c e 图2 3 数据录入界面 西华大学硕士学位论文 界面提供了“数据录入 、“同主轴箱优化 、“系统管理等选项。图2 3 为数据录入界面，用户输入加工工艺、刀具形式、加工孔尺寸等信息后单击“下 一步”，此按钮的响应函数保存输入的信息，并进入几何参数优化界面( 图2 4 ) 。 已a i b ： 蕊五工j 孕( 日霜蓼工魂疆习薷口= 二二= = 二二 庄何重 m ；t t 1 1 1 l t l i l l l 帆胁毫最：”一一- 一 一 n 量, l i i l l芏蕾量办曩量刀鼻咀_ 岖“，- 囊雌懂肭重觏鼬仿雌 厂一厂一厂一广一厂一厂厂一厂一r 一厂 瞠玎、r 弛，i 虮帅重t 厦- 一 一 一 一 切州刃仃 切刖刃蜃囊切啊舶生瞳 雌鼻茵蕾 一、t i f i 9 2 - 4o 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 fg e o m e l r i cp a r a m e t e r s 图2 _ 4 几何参数优化界面 在几何参数优化界面上，首先选择“工件材料”，其次选择“刀