（机械设计及理论专业论文）基于proe的轴向数控刀具cad系统的研究与开发.pdf

摘要 本文详细介绍了利用p r o e 的二次开发工具p r o t o o l k i t 进行参数化设计的原理、 方法和实现的关键技术，并以轴向数控刀具为例，建立了三维参数化c a d 系统，实 现了轴向数控刀具的二次开发，该系统的实施将会大大提高刀具系列产品的设计质量， 缩短产品的设计周期。本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 采用快速设计的理论和方法，建立轴向数控刀具c a d c a m 集成系统的总体 框架，并利用面向对象方法，提出面向工艺设计流程的轴向数控刀具c a d 系统的总 体结构。 ( 2 ) 采用参数化建模方法，在大型商用c a d 软件p m 但平台上，建立基于各工 序工艺设计流程的轴向数控刀具的三维实体设计模型。 ( 3 ) 研究p r o t o o l k i t 二次开发的关键技术及其在轴向数控刀具中的具体应用，并 完成数据库的后台管理。采用p r o 但的二次开发工具p r o t o o l k i t ，通过调用c 语言函 数库，在开发过程中使用动态链接库( d u 。) 方式实现p r o f e 系统、p r o t o o l k i t 应用程序、 t 4 f c 应用程序三者之间的通信，并将数据库技术用于系统的开发中，从而实现p r o e 与外部数据的连接和可视化的开发界面，开发出适合用户需要的产品。 ( 4 ) 采用p r o m e c h a n i c a 的有限元分析方法，对数控刀具的三维结构模型进行优化 设计，通过静态分析、灵敏度分析，挑选出对刚度影响较大的参数及参数变化范围， 优选出最佳的刀具几何参数，从而提高刀具的切削性能。 ( 5 ) 研究基于多种应用软件无缝集成的轴向数控刀具c a d 系统实现技术。在三 维实体模型建立的基础上，筛选出适当的软件支持平台，并利用应用软件的接口实现 多种软件的无缝集成，从而完成轴向数控刀具c a d 系统的设计与开发。 关键词：c a d 轴向数控刀具p r o t o o l k i t 二次开发优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l e , m e t h o da n dr e a l i z e dt e c h n i q u 豁o fp r o t o o l k i ta i n t r o d u c e d t h r e e - d i m e n s i o np a r a m c m ec a ds y s t e ma b o u t a x i a ln cc u t t e ri se s t a b l i s h e da n d t h r e e - p a r t yd e v e l o p m e n ti sr b 昀1 i z e d t h i ss y s t e mc a n 目e a t l yi l n p r o v et h ep r o d u c t sq u a l i t ya n d s h o r t e nt h ed e s i g np m o d t h em a i nc o n t e n t so f t 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 ) m t h e o r i e sa n dm e t h o do f r a p i dd e s i g ni sa d o p t e d , a n dt h ec a d c a mt o t a lf r a m e w o r k o f a x i a ln cc u r e ri sb u i l tu p 、v i t ht h em e t h o do f o r i e n t e d - o b j e c t , t h ec a dt o t a ls t r u c t u r eo f a x i a ln cc u t t e ri sp u tf o r w a r dw h i c hi sf a c e dt ot h ep r o c e s s p l a n ( 2 ) mm e t h o do fp a r a m e t r i cd 髓i g ni sm a d eu s eo fa n dt h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e lo f a x i a ln cc u t t e ri se s t a b l i s h e dw h i c hi sb a s e do nt h es o f l w a r e - p r o e ( 3 ) t h ek e y a n d a p p l y i n gt e c h n i q u eo f p r m l k i tt h r o e - p a r t yd e v e l o p m e n ti ss t u d i e di nt h e a x i a ln cc u t t e r , a n dt h eb a c k s t a g em a n a g e m e n to f t h ed a t a b a s ei sf i n i s h e d t h r o u g hc a l l i n gc l a n g u a g ef u n c t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o no fp i n e 、p r o t o o l k i ta n d 伍ci s r ea l ：i z e d n 姑 t e c h n i q u eo fd a t a b a s ei sa 印l i e di nt h es y s t e m t h ec o n n e c t i o no fp r o ea n do u t t e rd a t ai s a c h i e v e d ，a n dt h ev i s i u a l i z e di n t e r f a c ec o m et r u e ，s ot h ep r o d u c t so f m e e t i n gw i t ht h ec u s t o m i sd e v e l o p e d ( 4 ) t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o do ft h ep r o m e c h a n i c ai sa d o p t e dt oo p t i m i z et h e t h r e e d i m e n s i o nm o d e lo fa x i a ln cc u t t e r t h r o u g ht h es t a t i ca n a l y s i sa n dt h es e n s i t i v e a n a l y s i s 。t h ep a r a m e t e r sa r ec h o o s e nw h i c hi n f l u c et h er i g i d i t yg r e a t l ya n da f co p t i m i z e di n o r d e rt oi m p r o v et h ep r o d u c t sc a p a b i l i t y ( 5 ) t h er e a l i z e dt e c h n i q u eo fc a ds y s t e mi ss t u d i e dw h i c hi sb a s e d0 1 1m a n yk i n d so f s o f t w a r e , a b o u tt h ea x i a ln cc u t t e r b a s e do nt h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e l , t h ep r o p e r s o f l w a r c sa r ec h o o s c na n dt h ei n t e r f a c ei sa d o p t e dt or g a l i z et h e i ri n t e g r a t i o n n 圮d e s i g na n d d e v e l o p m e n to f c a ds y s t e ma b o u tt h ea x i a ln c c u r e ra r e 丘n i s h e d k e y w o r d s ：c a d a x i a ln cc u r e rp l - o 胁l k i t t h r e - p a r t yd e v e l o p m e n t o p t i m i z e dd 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 墨盗墨苎盘堂 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。 学位论文作者签名妇月签字日期：卸0 7 年1 月l 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗墨苎盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗垄兰太至 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：夸亚娟 导师签名：专锹 签字日期：回年1 月) 8 日签字日期：知许1 月j 占日 第一章绪论 第一章绪论 c i m s ( 现代集成制造系统) 是目前制造领域中一个重要的研究方向。在c 刀m s 的体 系结构中，c a d c a m 是其核心内容，也是其关键技术之一。为了不断提高c a d c a m 的技术功能使产品生产向自动化方向发展，c a d c a m 技术己不再停留在过去单一模 式、单一功能、单一领域的水平，而是向着集成化、智能化、标准化、网络化、可视 化方向发展1 1 1 1 。轴向数控刀具由于结构复杂，特别是一些数控机床加工中心所使用的 刀具在精度、可靠性和寿命等方面都有很高的要求，传统的设计方法或一般的c a d 技术很难提供最优设计方案和工艺方案，且设计和生产准备周期长。因此，采用 c a d c a m 集成技术以提高刀具设计质量和设计、制造工效，缩短产品的研发周期， 是刀具行业亟待解决的重要课题之一。 1 1c a d c a m 集成技术概述 1 1 1c a d c a m 集成技术的基本内涵 从计算机科学的角度看，设计与制造的过程是一个关于产品信息的产生、处理、 交换和管理的过程。人们利用计算机作为主要技术手段，对产品从构思到投放市场的 整个过程中的信息进行分析和处理，生成和运用各种数字信息和图形信息，进行产品 的设计与制造。 计算机辅助设计( c a d ) 1 2 , 3 1 是指工程技术人员以计算机为工具进行设计活动的全 过程，包括资料检索、方案构思、分析计算、工程绘图和编制技术文件等，它是随着 计算机、外围设备及软件的发展而形成的- - f - 综合性很高的新技术1 4 1 。广义的c a d 包括设计和分析两个方面，设计是指构造零件的几何形状、选择零件的材料，以及为 保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要求等。分析是指运用数学造型技术，如 有限元分析法、优化设计方法等，从理论上对产品的性能进行模拟、分析和测试，以 保证产品设计的可靠性。 计算机辅助制造( c a m ) 包括狭义c a m 和广义- c a m1 5 1 。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 系统集成化是在总体设计的指导下，以工程数据库为核心，以网络为 支撑，把各种功能不同的软件系统按不同的用途有机地结合起来，在统一的执行控制 程序组织下实现各种信息的传递，协调各子系统有效地运行和保证系统内信息畅通， 并达到信息交换和资源共享以及最优的整体效益。 第一章绪论 1 1 2c a d c a m 集成系统的体系结构和发展方向 1 集成系统的体系结构 对于结构化的集成系统，人们可以在更高层次和形态上来描述实际系统的信息结 构和信息活动，也为集成系统的开发计划提供合理的基础和依据1 6 1 集成系统的一般结构层次如图卜1 所示 图卜lc a d c a m 集成系统的体系结构 具体描述如_ 卜： ( 1 ) 工程数据库系统。它是集成系统的核心，能把各应用子系统之间复杂的网状 关系简化为以工程数据库为核心的并联关系。 ( 2 ) 基于并行工程的主模型技术。为了完成产品从设计到制造的全过程，必须建 立综合集成的产品定义模型，又称为主模型设计法，此方法可更加方便地生成和维护 设计和图纸，允许多个用户对产品加工设计内容( 如工夹具的设计、加工仿真、c a p p 等) 进行同时存取，各应用文件也可同时存取，并与共享的主设计模型保持相关的联 系。 ( 3 ) 图形系统。它主要用于定义产品模型，进行产品的图形设计，提供产品设计 与制造过程中的全部几何信息( 包括图纸) ，使工程数值分析结果图形化，生成各种图 像。它也是交互设计系统的基础与核心，为各专业进行交互修改、逐步优化创造了条 件，在c a d c a m 集成系统中起着重要的作用。 ( 4 ) 系统的接口及交换标准。一般c 觥a m 集成系统由若干予系统构成，各子 系统之间进行信息交换必须通过接口实现。由于集成系统的规模愈来愈大，关系愈来 愈复杂，为了引导用户方便、友好地使用集成系统，只有靠统一的用户界面，友好的 用户界面是集成化c a d c a m 系统的一个重要方面。系统的接口分为两部分：一部分 是系统与系统之间的接口，如i g e s ( 初始图形交换规范) ，s t e p ( 产品模型数据交换标 准) 等；另一部分是系统内部各环节之间的接口，如c g i ( 图形设备接口) ，c g m ( 图形 元文件) 等。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义和数 2 第一章绪论 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”，它是一种独立于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，文献删中 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”1 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n 中介绍了一个基于s t e p 产品数据表 达的计算机辅助工艺设计系统，它综合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 t e p 的应用网络。 ( 5 ) 并行加载问题。一般系统都采用串行方式连接，这种方式虽然简单易行，但 形成模块大，占用内存多，加载时间长，有时会出现内存严重不足的现象。因此，必 须采用并行连接方式，甚至动态加载方式代替串行连接方式，提高系统处理实效。 2 c a d c a m 集成系统的发展方向 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 一方面向大型化、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。 a 址i c m 集成系统的发展方向具体如下： ( 1 ) 分布式集成协同工作环境的研究。它是一种结构化的，基于标准的多种学科 的产物，包括：c a d 技术、计算机网络、多媒体、人工智能、面向对象技术、工程数 据库、并行与分布式处理、自然语言处理、认识科学和行为科学等。 ( 2 ) 并行工程环境研究。并行工程是一种产品设计、开发的组织管理方法，它强 调市场、设计、工艺和生产部门的信息沟通，在产品设计、开发时，能够同时考虑产 品生命周期各阶段的特点和目标。文献1 1 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。 ( 3 ) p d m 技术研究。它是在集成制造领域中，以软件为基础的技术，涉及整个 生命周期内所有与产品相关的信息和过程的集成。 ( 4 ) 装配模块技术研究。一个完整的产品设计必须包括所有的有关部分，从每个 零件的模型设计到产品的装配模型和装配过程模型。 ( 5 ) 智能集成系统的研究。采用标准化、模块化、系列化设计、在并行处理与分 布式计算机系统的智能开发平台上，通过智能接口，集成各应用子系统，实现多用户、 多任务的开放型和智能化的集成系统。 ( 6 ) 产品数据交换标准的研究。为了在不同的c a d 和c a m 系统之间传送和交 换数据，提高使用效率与效益和可靠性与安全性，提出了各种标准。目前，s t e p 标 准已在c a d c a m 系统的信息集成化方面得到广泛应用，但仍有许多需要完善和改进 的部分。 第一章绪论 ( 7 ) 符合c i m s 思维的系统集成方法的研究。c i m s 是一个典型的复杂大系统，因 此，可以把技术、管理和人三方面的资源集成到一个相互依赖、相互协调的系统中， 应用计算机及网络技术实现生产过程各环节的集成化。 ( 8 ) 集成化的c a s e 环境研究。为了提高c a d c a m 系统的开发，维护的质量和 生产效率，降低成本和缩短开发周期，采用集成化的计算机辅助软件工程( c a s e ) 环 境，以实现软件开发和维护的自动化。 1 1 3 应用c a d 技术的必要性 1 c a d 技术的功能和特点 ( 1 ) 产品工程的结构设计与分析。设计人员在完成产品方案设计后，c a d 技术 可以帮助设计人员进行产品结构及其组成部分的几何模型的设计与分析，可以进行手 工无法进行的复杂计算及数据的整理与表达，并可以在计算机中便捷地进行产品结构 的立体几何外形的设计与修改。 ( 2 ) 产品的性能分析与仿真。设计人员在完成产品的结构设计与分析后，c a d 技 术可以帮助设计人员进行产品结构工作过程运动过程的仿真观察，对产品的性能进行 计算分析，并将计算结果以直观的图形再现在设计人员面前，以便判断是否满足用户 的要求，同时还提出修改建议，而这些工作靠手工是无法进行的i 1 2 l 。 ( 3 ) 对产品结构的可装配性的检查。设计人员在完成产品结构中的各组成部分设 计后，可将产品的各部分在计算机里进行模拟装配，以便观察产品设计的正确性和装 配干涉等可装配性检查，从而保证产品一次装配成功。 ( 4 ) 自动生成产品的设计文档资料。设计人员通过c a d 技术可以快速生成精确 美观的产品设计文档资料，如产品的各组成部分的工程图样、产品装配图图样。 ( 5 ) 设计文档的管理及产品数控加工仿真。设计人员完成产品上述各步骤任务后， 可以生成产品的数控加工指令文件，并在计算机里进行加工仿真，以检查产品的可加 工性以及加工刀具轨迹的生成，从而保证实际加工时的一次加工成功。 2 应用c a d 技术的必要性 目前，设计中的大多数活动都可以用c a d 技术来实现，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。设计过程与c a d 技 术的关系如图1 - 2 所示，应用c a d 技术的必要性主要体现在： ( 1 ) 应用c a d 技术，可使企业提高产品质量和开发能力，从而能够快速地设计 出更复杂、更精密、性能价格比更高的精品上市，提高企业的市场竞争能力。 ( 2 ) 企业内部结构优化和企业间的合作需要c a d 技术的支持。由于c a d 技术可 以提高设计效率、节省劳力、使设计文档资料进行计算机化管理，因而可以精减设计 部门调整与优化管理的内部运行机制。 4 第一章绪论 图卜2设计过程与c a d 技术的关系 ( 3 ) c a d 技术是企业应用任何先进制造模式与技术系统所不可跨越的核心技术 1 1 3 l 。因为任何产品都需要经过设计这个环节，即使是反求工程中，也需要设计，即不 存在不设计的生产模式。 1 2 刀具市场及切削技术概述 1 2 1 刀具市场概述 我国是一个制造业大国，在知识经济和全球经济一体化的背景下，在新一轮国际产 业结构调整中，我国正逐渐成为世界最重要的制造业基地之一，现代制造业加工工业正 逐渐移至我国，因此服务于现代制造业的工( 刀) 具行业面临重大的机遇和挑战。一方 面本土化的市场容量大了；另一方面现代制造业对刀具的要求提高了，刀具产品不再被 简单的视为消耗品，而是作为提高制造效率和精度的手段，对刀具产品的要求上升为“高 效率、高精度、高可靠性和专用化”宗旨的全新概念。 c a d 技术发展到今天，己经涵盖了产品整个生命周期的方方面面，其内涵与外延的 不断深化与拓展，使其成为理所当然的产品快速设计和创新设计开发的核心技术，而刀 具的设计与制造又决定着制造业的生存与发展。目前，我国己成为世界的第三大刀具市 场，但由于技术和装备落后等原因，致使我国刀具在品种、质量和材料等各方面与国外 相比均存在较大的差距。日本、德国、美国等先进国家的刀具制造商正在大举抢占中国 市场，使国内的刀具企业面临新的挑战。因此，提高刀具设计质量和制造工效就成为亟 待解决的问题。 要想改变这种格局，充分发挥我国劳动力成本低的优势，满足现代制造业越来越高 的本土化呼声，使企业有实力参与国际竞争并开拓国际市场，就必须充分利用c d ，c a m 集成为代表之一的计算机和信息技术，改造和提升传统的刀具制造业，使其跟上现代制 造业迅猛发展的步伐。 5 广一 第一章绪论 1 2 2 切削技术及刀具发展趋势 近年来，数控刀具的科技成果主要体现在研发一刀多切削功能、提高其刀刃切削 性能方面，以适应高速、硬质、干式、精细切削及高效率数控机加工切削技术要求。 随着零件毛坯制造技术的进步，零件毛坯几何尺寸及切削余量控制较为精确，数控刀 具新结构、新品种的研发主要集中在轻、中负荷切削范围内，并以专用孔加工、拉削、 滚压、铣削及车削等五类刀具的变革较为活跃，配套研发其相应刀片断屑槽形。切削 技术及刀具发展趋势可以归纳如下1 4 1 ： ( 1 ) 开创了高速切削等新工艺，全面提高了加工效率。高速切削作为一种新的切 削工艺显示出独特的优越性，根据不同的加工要求还出现了高进给速度的高效加工工 艺或高生产率加工工艺，反映出高速切削技术的巨大发展潜力； ( 2 ) 以硬质合金材料为主的各种刀具材料性能全面提高。硬质合金的性能不断改 进以及应用面扩大成为切削加工主要的刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要 作用。在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导的作用，但其他刀具材料的性能 也得到了显著的改善，扩大了各自的应用领域，形成了各种刀具材料既有独特优势和 使用范围又相互取代补充的整体格局，可以说正是刀具材料的全面的迅速的发展为当 今高速、高效率的金属切削加工奠定了基础； ( 3 ) 涂层成为提高刀具性能的关键技术。刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具 的发展中起着十分重要的作用，可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调 整不断开发出新的涂层，以满足加工多样性的需要，它是提高和改善刀具性能的一项 又快又好的技术，有着十分广阔的应用前景： ( 4 ) 快速发展的配套技术。切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐 渐发展起来的，是现代切削技术不可缺少的组成部分，并与切削技术和刀具保持着快 速同步的发展，包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀 具系统平衡及刀具管理。 1 3 二次开发概述 1 3 1 二次开发的必要性 企业及各研究部门在普及三维c a d 软件的同时，可以通过二次开发的方法量身定做 出最有效的产品设计流程”。作为通用的c a d 软件平台，l 、 o e 软件在通用性上非常出 色，覆盖了众多的产品设计领域，也考虑了一般性的设计规范。但是，l p i o e 软件也存在 如下不足： ( 1 ) 在设计标准和规范以及标准件库上和我国都存在着差异，无法满足国内的具体 要求； ( 2 ) 造型技术以几何形体构造为着眼点与产品设计中零部件设计为重点有出入，影 6 第一章绪论 响产品的设计效率； ( 3 ) 系统的设计计算能力差，用户难以借助于这类通用的c a d 系统完整自如地表达 自己的设计思路，实现专业化的设计流程； ( 4 ) 产品的模型信息集中在几何信息和拓扑信息，对工艺信息、加工信息和物料信 息等缺乏全面考虑，不利于在更高层次上进行c a d 技术的应用与推广。 上述缺陷与企业对p r o e 系统的用户化需求形成矛盾，应运而生的p r o e - - 次开发成 为解决这一矛盾的主流技术蚰。 1 3 2 二次开发的模式 1 二次开发模式的分类和特点 二次开发是增值开发商或最终用户在软件开发商所提供的开发环境与编程接口基 础上，根据自身的技术需求，进行新功能开发或软件环境定制的过程。在二次开发过 程中，根据二次开发技术的不同，可分为两种模式：内嵌机制和外部开发机制1 1 7 , 1 8 1 。 内嵌机制是把语法解释器集成在宿主程序中，直接在程序中调用脚本程序段，执 行后即可在宿主程序中获得结果，如a r cv i e w 中的脚本、a u t o c a d 中的a u t o l i s p 就 属于这种形式。外部开发机制则是由外部集成开发环境( 如v c - hv b ，d e l p h i 等) 调 用宿主程序暴露在外的接口，在调用程序中实现宿主程序的功能模块提供的功能。内 嵌机制的优点是针对性较强，与宿主程序的融合性好，易学易用，它主要用于对宿主 程序功能的扩充( 如c a d 图形节点自动探测、自动更正) ，再建c a d 模板库及界面 定制等。然而由于它固定在宿主程序上，因此功能受到限制，灵活性不足，只能与宿 主程序一起运行。外部开发机制方式则具有非常强大的功能，几乎可以实现宿主程序 提供的所有功能，并具有较强的独立性，还可生成新的应用程序，拥有自己的界面和 功能，其执行不影响宿主程序的运行。另外，外部开发机制还可以将开发成果作为插 件形式在宿主程序中调用，增加宿主程序的功能模块。这一开发模式就相当于一次软 件创新，但是亦有其不足，它要求二次开发人员具有较高的素质，对宿主程序应有相 当地了解，且对宿主程序的要求较高。 2 二次开发机制的体系结构 ( 1 ) 内嵌机制的体系结构内嵌机制以宿主程序为核心，脚本语法解释器是其关 键部件。在这一模式当中，先由宿主程序初始化内嵌的语法解释器，再装入脚本程序 段，语法解释器根据程序代码控制宿主程序对功能模块的调用，通过功能模块在宿主 程序中实现脚本代码需要执行的功能。内嵌机制的体系结构如图1 3 所示。 现 u_ 用 韧始化 控制 图l - 3 内嵌机制的体系结构 7 第一章绪论 ( 2 ) 外部开发机制体系结构外部开发机制具有较强的独立性，二次开发应用程 序通过自己的内部函数，按一定的方式调用宿主程序的功能模块，而不与宿主程序发 生关系。这些功能模块的功能可被认为是二次开发应用程序内部功能，与二次开发应 用程序无缝连接，并直接在程序中实现，如图1 - 4 所示。 实现 调用 图1 4 外部开发机制的体系结构 外部开发机制主要涉及组件的调用，从外部开发接口看主要有两种：开发系统功 能扩展模块和开发独立系统。功能扩展模块，即d l l 插件，主要是通过继承系统提供 的插件接口类改写接口函数实现；在加载注册功能扩展模块时，由界面管理模块利用 动态消息机制和宿主程序进行交互。独立系统的开发是更高层次的二次开发，涉及到 各个层次接口对象和独立接口的调用。由于弹出式对话框是目前最先进、最流行的一 种人机交互界面，能向用户提供图形与文字共存的可视化环境，使操作更为自然、简 便和快速，而p r o t o o l k i t 只提供下拉式菜单的编程接口，没有提供开发复杂对话框的 编程接口及数据库访问接口，为充分利用m f c 强大的功能实现对话框的开发和实现 对数据库的访闯，所以本系统采用的是外部开发机制中的开发系统功能扩展模块这种 方式。 在软件开发中还要注意用工程化思想指导开发，首先二次开发必须符合工程设计 的特点，其次二次开发系统的设计过程应遵循软件工程的方法和步骤。本系统中我们 进行二次开发是以机械工程理论及实践为基础，以软件工程理论作指导，面向机械设 计的实际问题来着手进行。 1 3 3p r o e 二次开发的特点 基于p r o e 进行二次开发，具有以下四个显著特点： ( 1 ) 继承性：二次开发是在已有软件基础上进行的进一步完善和提高，使之更适合 用户的要求，所以有很强的继承性； ( 2 ) 专业性：由于二次开发一般都是针对特定用户进行的设计，因此二次开发的专 业性很强，必须由一些既懂专业技术，又具备软件设计能力的专门人才来完成； ( 3 ) 相对简单性：由于二次开发是对己有软件的提高，许多原理性的东西已由支撑 软件完成，因此开发工作相对比较简单，工作量相对较少； ( 4 ) 实用性：二次开发都是针对特定用户进行设计的，因此对该用户来说，成功的 二次开发可以大幅度提高软件的使用效率。 第一章绪论 1 3 4p r o e 二次开发的发展现状 由于p r o e 在c a d c a m 领域的优秀表现，它在各个大中型企业中的使用率越来越高， 但是这同时也带来了另外一个问题，那就是怎样对通用软件进行本地化的问题鲫。因 为通用的c a d 软件在设计的时候不可能考虑到每个企业的特殊情况，要想充分发挥c a d 软件的功能，为企业创造更大的效益，企业必须根据自身的特点，对软件进行本地化的 工作，这也是所有c a d 软件都留有开发接口的原因。由于p r o t o o l k i t 开发界面的功能很 弱，而且根本没有连接数据库的功能，所以必须借助于其它的开发工具来实现。而这就 涉及了开发工具和p r o t o o l k i t 的兼容性问题。这个问题长期以来一直困扰着开发人员， 没有得到很好的解决，这也是使得人们认为p r o e 难于开发的原因哪，2 。 目前，国内外有许多高校和设计人员都在进行p r o e - - 次开发的研究工作： 南京航空航天大学的研究者们”详细讨论了基于p r o e 平台的工程图纸生成软件中 零件视图、尺寸、注释等的自动生成方法，并通过编写c 语言程序调用二次开发工具 p r o t o o l k i t 提供的相关函数，具体实现了p r o e 平台上轴类零件工程图纸的自动生成，从 而改变了传统的人工出图方式，极大提高了设计人员的工作效率。 北方交通大学机械与电子控制工程学院的研究者们仍壤用p r o e 参数化尺寸驱动设计 技术和二次开发模块p r o t o o l k i t ，以v i s u a lc h 0 为开发工具开发出标准件库，其用户界 面友好且具有开放式的库结构，用户可以任意修改库内的标准件而不会对系统产生影 响，如果用户需要对标准件库进行扩充，只需建立新的零件族模板文件，并在相应的数 据文件上增加一条记录，加入相应的预览图即可。该系统的建库采用的是零件组的方式， 通过建立零件组模板零件和对应的参数表，既减少了建库的工作量，又方便用户扩充和 修改库内的零件。该系统与p r o e 一体化，当标准件库安装完成后，自动在系统装配菜单 “中增加“s t a n d a r d l i b r a r y ”选项，不需要任何的附加程序或操作，它还实现了与p r o e 装配环境的集成，更加方便快捷。 华南理工大学的研究者们讲1 利用p r o t o o l k i t j 挂行二次开发，比较方便地实现了面 向特定产品的程序自动建模功能，并且把较为丰富的非几何特征如材料特征、精度特征 等加入所产生的模型中，所有信息存入统一的数据库，是实现c a d c a e c a m 集成的关 键技术之一。另外，他们又提出了用动态链接库方式( d l l ) 实现用微软基本类库( m f c ) 开发p r o e 弹出式对话框界面的通讯机制。 湖南大学的刘坚博士等人“”开发了一个基于特征技术的轴类零件c a d 系统。它通 过系统的菜单界面及文字提示交互地选择特征类型并输入所需参数，由此产生产品的形 状特征，然后根据设计后续过程的需要补充设定产品的相关信息，如粗糙度、材料、公 差等完备产品信息模型，随后根据产品的性能要求、功能特点对产品特征进行修改、完 善，最后按照后续设计要求选定所有相关信息并按一定格式输出产品模型，完成产品建 模的全部工作。 分析上述这些基于p r o e 的c a d 系统，它们都只是针对某一部分或某一特定功能所做 的研究和开发，仍然不能满足我国大多数企业的设计要求。正是由于目前国内利用p r o e 进行二次开发的c a d 系统比较少，功能还不够强大，所以这方面的研究工作亟待提高。 9 第一章绪论 1 3 5p r o e 系统的二次开发工具 成熟的c a d 软件在提供强大的应用功能的同时，一般还为用户提供进行二次开 发的接口，如i - d e a s 的o p e n a r c h i t e c t u r e ( 0 a ) ，u g 的u g o p e n a p i 等。p r o e n g i n e e r 在提供强大的设计、分析、制造功能的同时，也为用户提供了多种二次开发工具。常 用的二次开发工具有：族表( f a m i l yt a b l e ) 、用户定义特征( u d f ) 、p r o p r o g r a m , j - l i n k , p r o t o o l k i t 等1 2 6 1 。 ( 1 ) p r o p r o g r a m p r o e 软件对于每个模型都自动产生一个包含主要设计步骤和参数列表的程序一 p r o p r o g r a m 。它是由类似b a s i c 的高级语言构成的，用户可以根据设计需要来编辑 该模型的p r o g r a m ，使其作为一个程序来工作。p r o p r o g r a m 的基本语法包括i n p u t , r e l a t i o n s ，e x e c 【胍，a d d 等语句，它们分别是： 1 ) n 岬i 阡一参数提示与参数输入设定。i n p u t 结构包含i n p u t 和e n di n p u t 两句保留字段，可以在它们之间加入问题提示和参数输入命令来实现对参数的赋值， 然后系统在调入该模型时会按照提示来询问用户； 2 ) r e l a t i o n s 数学关系的设定。在保留字r e l a t i o n s 和e n dr e l a t i o n s 之间可以加入数学关系表达式。通过建立起参数间的数学表达关系式来将设计参数相 关联，使用户能使用最少的参数来驱动零件模型生成。 3 ) m e l s e _ 一条件语句的设定。条件语句不仅可以检验输入参数值是否在合理 范围内，还能实现程序流程控制。具体方法是：通过对用户输入的参数进行判断，然 后根据判断结果决定执行模块中的执行命令，它一般能够控制零件特征是否出现和特 征中的尺寸信息。 4 ) e c i 舳执行语句的设定。执行语句是根据程序中的设定要求生成零件 模型的语句。此前用户输入的参数值、数学关系和判断结果都将在此时零件建构过程 中反映出来。 综合应用上述四种语句，可以通过输入少数参数数值，实现三维零件实体的自动 创建。利用此工具可以将某些经常要更改的步骤或尺寸，事先以语句的方式写入，使 得每个使用这些零件的普通人员也能明白如何操作，在使用当中只需输入关键的参数， 便可直接生成零件，从而大大地提高了零件设计效率| 2 7 1 。它的主要特点是开发工作量 小，易于实现，但是开发余地不大，有些功能有待完善。 ( 2 ) p l d ，r o o l k i t p r o t o o l k i t 是p r o e 提供的一个功能强大的二次开发包1 2 8 1 9 它以c 语言为依托， 封装了许多针对p r o e 底层资源调用的库函数和头文件。通过调用p r o t o o l k i t 中的库 函数，编写外部应用程序，可以方便、安全地访问p r o e 的数据库及其应用程序，进 行二次开发，扩展p r o e 功能。因此，p r o t o o l k i t 是p r o e 提供给用户的调用其内部资 源的接口，它的应用面很广，能够访问底层函数实现较为复杂的功能。 1 0 第一章绪论 ( 3 ) p r o j - l i n k p r o j - l i n k 是p r o e 提供的又一个功能强大的基于j a v a 语言的二次开发包，并随 p t c 公司产品的升级而不断发展，它使j a v a 程序能够访问p r o e 进程的内部构件，设 计用户自己的p r o e 模型，用户可以选择任何第三方编译集成环境来开发自己的j - l i n k 应用程序。 基于上述对三种p r o e 二次开发工具的具体阐述，选择功能强大的p r o t o o l k i t 开发工 具进行程序的二次开发，以充分发挥面向对象程序设计方法的优点。 1 4 课题的提出和主要内容 1 4 1 课题的提出 2 0 世纪8 0 年代以后，在微电子、计算机技术、信息工程和材料工程等高新技术的推 动下，金属切削技术进入了以高速、高效、高精度为标志的高速切削新阶段，而数控机 床和切削刀具作为数控加工技术的基础工艺和装备，为制造技术进入高速切削实用阶段 起着十分重要的作用。铣削作为一种主要的切削加工方式，广泛应用于汽车、电站设备、 冶金、矿山设备、石油化工设备、机床等机械加工行业中，但是国内传统的工具厂由于 信息化水平落后，不但不能快速响应市场，而且根本不能满足现代制造业对数控刀具“三 高一专”的品质要求。因此，不仅在国际数控刀具市场中没有位置，还将迅速丧失本土 化市场中本已很少的份额。 为了改变这种刀具行业整体水平落后的局面，实现行业振兴，首先要消化吸收引进 的生产技术，利用好现有的高技术设备；其次应当进一步加强自己的科学研究，提高产 品的开发能力，推广应用c a d c a m 技术，扩大c n c 机床和加工中心的使用，更快推出 新型数控刀具来满足用户日益增加的专用化需求，从而能够在激烈的市场竞争中立于不 败之地。 结合天津市制造业信息化科技工程项目。c a d c j 蝴技术在高精度数控刀具制造中 的应用( 项目编号：0 4 3 1 8 3 5 1 1 2 ) ”的研究内容，提出“基于p r o e 的轴向数控刀具c a d 系统的研究与开发”的研究课题，以轴向数控刀具中的四齿立铣刀为研究对象，研究基 于工艺设计流程的立铣刀参数化设计及优化设计的关键技术及实现方法，解决轴向数控 刀具的三维建模、数据管理的全相关性等一些问题。 第一章绪论 1 4 2 课题研究的主要内容及全文章节安排 ( 1 ) 研究轴向数控刀具c a d c a m 系统及 c a d 子系统的总体框架。采用快速设计的理 论和方法，建立了轴向数控刀具c 胱j m 集成系统的总体框架；采用面向对象方法， 提出了面向工艺设计流程的轴向数控刀具 c a d 系统的总体结构。 ( 2 ) 构建轴向数控刀具的三维参数化实 体设计模型。采用参数化建模方法，在大型 商用c a d 软件竹o ，e 平台上，建立基于各 工序工艺设计流程的轴向数控刀具三维实体 设计模型。 ( 3 ) 研究p r o t o o l k i t 二次开发的关键技术 及其在轴向数控刀具中的具体应用，并完成 数据库的后台管理。采用p r o e 二次开发的 工具p r o t o o l k i t ，通过调用c 语言函数库， 在开发过程中使用动态链接库( d l l ) 方式实 现p r o l 系统、p r o t o o l k i t 应用程序、m f c 应用程序三者之间的通信，并将数据库技术 用于系统的开发中，实现p r o e 与外部数据 的连接和可视化的开发界面，从而开发出适 合用户需要的产品。 厂 l 第六章 i 结论与展望l 1一 图l - 5 全文章节安捧 ( 4 ) 轴向数控刀具结构的优化设计采用p r o m e c h a n i c a 有限元分析方法，对数控 刀具的三维结构模型进行优化设计，通过静态分析、灵敏度分析，挑选出对刚度影响 较大的参数及参数变化范围，优选出最佳的刀具几何参数，从而提高刀具的切削性能。 ( 5 ) 研究基于多种应用软件无缝集成的轴向数控刀具c a d 系统实现技术。在三维 实体模型建立的基础上，筛选适当的软件支持平台，并利用应用软件的接口实现多种 软件的无缝集成，从而完成轴向数控刀具c a d 系统的设计与开发。全文章节安排如 图卜5 所示。 1 5 本章小结 本章主要阐述了如下内容： 1 概述了c a d c a m 集成技术的基本内涵和体系结构，提