（机械设计及理论专业论文）木工硬质合金成型铣刀cad系统的研究与设计.pdf

摘要 在木质材料加工中，铣刀用于加工一般平面、成型表面、榫头、榫孔及各种工艺木 片等，一般安装在各种木： 铣床、削片机、四面刨、平刨、压刨上使用。由于硬质合金 铣刀比其它合金钢刀具的耐用度高出近百倍，现已经在国内外得到广泛的应用。 随着市场全球化、经济一体化进程的加快，制造业中的竞争不断地加剧。为了保持 竞争优势，刀具企业必须采用先进的设计和制造技术。该硬质合金刀具设计的科学合理 高效性，直接影响加工产品的精度和成本。因此，在刀具设计中为了缩短设计周期、提 高刀具设计的可靠性、实现刀具生产的c a d c a p p c a m 集成，全面提高刀具企业的效 益，采用c a d 技术是必然的。本论文开发研制的木工硬质合金铣刀c a d 系统，实现了通 过a u t oc a d 参数化程序读取用户参数数据，经过优化计算，自动生成木工硬质合金铣 刀的零件图，对指导铣刀的生产，具有重要的实际意义。 本课题研究的内容包括：针对目前我国木工硬质合金刀具行业的产品设计状况，提 出了木工硬质合金刀具c a d 系统的总体设计思路和研究开发方案；以地板开榫铣刀为 例，对木工硬质合金铣刀的尺寸设计、强度校核、结构及图形绘制等几个功能模块进行 了全面的研究；分析和总结了地板开榫刀的结构特点，建造了地板开榫刀的训算及绘图 的参数化函数库，为开发商业化的木工硬质合金刀具c a d 软件奠定了基础；探讨了全面 开发商业化的木工硬质合金刀具c a d 软件的可能性；经过分析比较，选择a u t oc a d 为 开发平台，以l i s p 语言为开发语言，实现了系统各设计模块的功能；提供人机交互的 参数输入。 关键词木工铣刀；c a d ：l i s p ：二次开发 东北林业大学硕：f = 学位论文 a b s t r a c t m i l l i n gc u t t e rc a np m c e s sm ep l a n e ，s h 叩e de x t e r i o r r a b b e t ，m o r t i s ea n dm a n yk i n d so f t e c h n o l o g j ch u b si nt h ep r d c e s s i n go fw 。o dc u t t i n g sa n db ew i d e l yu s e d j nm a n ym i l l i n g m a c h i n e s ，p l a n e r sa n dp l a n e r so ff o u rs i d e s h o m i n e s sa l l o ym i l l i n g c u t t e ri s d i f m s e l y e m p l o y c di n1 0 to f c o u n m e sf o r t h em o r cd u r a b l eg r a d ec o m p a r e t ot h eo t h c ra l l o yc u t t e l a st h ec o u r s eo f m a r k e tg l o b a l i z a t i o na 1 1 de c o n o m i ci n c o r p o r a t i o nq u i c k e n ，c o m p e t i t i o ni n m a n u f a c t u r i n gb e c o m es e r i o u s i no r d e rt ow i nt h ec o m p e t i t i o n ，s h o r t e nt h ed e s i g nt i m ea 1 1 d j n c r e a s em ed e s i g l lr e l i a b i l i t y ，c a dt e c l l i 】o l o g yi sn e c e s s a 叫t ou 5 ei nt h ed e s j g no fc o m p l e x c u t t i n g - t 0 0 1 s t h et e c h n o l o g yl o g i c a la j l de m c j e n c yq u a l i t yo ft h ec u n e ra 髓c ts t r a i 曲t w a yt h e p r e c i s i o n a n dt h ec o s to ft h em a l l u f a c t u r e a c c o r d i n 9 1y ，c u t t i n g t o o lc a d c a p p c a m i n t e f a t i o nc o m e st m e ，a n db e n e f i to fc u t t i n g t 0 0 1e n t e r p r i s ei si m p m v e d i nt h i sp 印e raw o o dh o m i n e s sa l l o ym i l l i n gc u t t e rc a d s y s t e mi sd e v e l o p e d ，t h ew o o d h o m i n e s sa l l o ym i l l i n gc l i t t e “w h a m c ) c a ds y s t e mc a e so u tt h ep a r 跚e t e r sj n p u t 如m t h ea u t oc a dp a r a m e t e r sp r o g r a m s ，o u t p u t st h ea c c e s s o r yp a p e r so fw o o dh o m i n e s s “1 0 y m i l l i n gc u t t c rq u i c k l yb yo p t i m i z i n 岛t 1 1 e nd i r e c t st h em a n u f k n l r e t h ed e v e l o p m e n to ft h e w h a m cc a ds y s t e mi ss i g n i f i c a t i v eo b v i o u s l y t h ec o n t e n t so ft h er e s e a r c hi n c l u d e ：a i m i n ga tt h ep r e s e n td e s i g na c t u a l i t yi nt h e w h a m ci nc h i n a ，t h eg e n e r a ld e s i g l li d e a sa n ds c h e m e so fw h a m cc a ds y s t e ma r ep u t f o r w a r d t h ec o m p l e t e i yr c s e a r c hh a sb e 钮如1 6 i l e di nm e 向n c t i o n a lm o d u l eo ft h ed e s i g n i n g ， i n t e n s i t yp r o o 矗n g ，c o n f i g u r a t i o na n do u t p u t t i n go ft h ed r a w i n go ft h ew h a m c c a d s y s t e m t h en o o rr a b b e tc u t t e ri st h ee x a m p l ei n t h i sp a n t h i sp a p e rh a sa i l a l ”e dt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o o rr a b b e tc u t t e r e s t a b l i s h e dt h ec a l c u l a t i o no ft h ef l o o rr a b b e tc u t t e r ， p a r 砌e t e rd a t a b a s eo f d r a w i n g ，t h eb a s e m e n to f d e v e l o p i n gt h em a r k e t a b l ew h a m c c a da i l d d i s c u s s c dt h ep r o b 曲i l i t yo fc o m p r e h e n s i v ed e v o l 叩m e n to ft h em a r k e t a b l ew h m cc a d s o f h v a r e t h ep a p e ri sd e v e l o p e db yu s i n gt h ea u t oc a da sm ed e v e l o p m e n tn a ta n dt h el i s p l a n g u a g ea sm ed e v e l o p m e n t1 a 1 1 9 u a g eb yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n ga j l dp e r f o m s 劬c t i o n so f e a c hd e s i g nm o d u l eo ft h es y s t e m t h es y s t e mp r o v i d e sm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o no nm e i n p u t t i n gp a r 锄e t e r s k e y w o r d sw o o dm i l l i n gc u t t e r c a dl i s p s e c o n d a r yd e v e 】o p m e n l i i 1 绪论 1 绪论 1 1c a d 技术发展历程概述 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后期。进入6 0 年代，随着在计算机屏幕上绘图变为 可行而开始迅速发展起来。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传 统手工绘图。此时c a d 技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介 进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术【l 】。 在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是图板的替代品，即：意指c o m p u t e ra i d e d d r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 所包含的 全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年代末期，以后作为 c a d 技术的一个分支而相对独立、平稳地发展。早期应用较为广泛的是c a d c a m 软件， 近十年来占据绘图市场主导地位的是a u t o d e s k 公司的a u t oc a d 软件。在今天中国的 c a d 用户特别是初期c a d 用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。 1 1 1 曲面造型技术 2 0 世纪6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框 造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形 体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现【2 j 。 进入7 0 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中遇到 了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计 的自由曲面 3 1 。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样 品与设计者所想象的有很大差异，甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状 能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较 的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声 越来越高。此时法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时 变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统 c a d c a m 的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法【4 】，推出了三维曲面 造型系统c a t i a 。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图 模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技 术的开发有了现实的基础。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改 变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 1 1 2 实体造型技术 有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表 面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利， 东北林业大学硕：卜学位论文 以机械加工中成型铣刀设计为实例，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【i6 | 。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【1 7 1 。天津理工在“一种用于复杂刀具多参数设计的c a d 方法” 中，以涡轮滚刀设计为例，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，是天津市2 l 世纪青年科学基金资助项目【l 引。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【l9 1 。华中科技大学机械学院数控 环境下利用s q ls e r v e r 与0 b j e c ta 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深入研究。黑龙江克山师范在“关于螺旋 插齿刀c a d c a m 几何模型研究”中提出设计此类刀具的一种无设计误差的新方法，是黑 龙江省自然科学基金资助项目【2 。 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、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。 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。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具的c a d c a m 一体化 系统【2 2 】。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 o 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【2 3 】。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如何运用a u t oc a da c t i v e x 技术构造刀具零 件模型及刀具装配体的干涉检验方法【2 4 1 。燕山大学在“基于实例推理的涡轮滚刀c a d 系 统”中，针对涡轮滚刀的特点，采用基于特征和参数化的建模方法，为c b r 技术在刀具 设计方面的应用提供了一条途径【2 5 】。焦作工学院与武汉煤炭设计研究院在“成型车刀的 计算机辅助设计”中，提出在a u t oc a d2 0 0 0 平台上，利用v b a 技术开发成型车刀的 c a d 软件，可以大大提高成型车刀的设计效率和设计质量【2 6 1 。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数学 模型为基础，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，是华侨大学科研基金资助项刚驯j 。 在国外，刀具业巨头德国蓝帜( l e i t z ) 集团、乐客( l e u c o ) 集团，日本兼房 ( k a n e f u s a ) 股份公司等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 东北林业大学硕：卜学位论文 以机械加工中成型铣刀设计为实例，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i | 5 ：。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【i 22 。天津理工在“一种用于复杂刀具多参数设计的c a d 方法” 中，以涡轮滚刀设计为例，介绍了c a d 软件的总体结构、功能设计以及f o 蕊蕊a s e + 与 v c “、a u t oii s p 语言间的数据通讯，是天津市2 l 世纪青年科学基金资助项目；引。华中 理工大学在“面向对象的齿轮刀具囊囊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 粪奏系统的关键技术及解决方案；i 2 。华中科技大学机械学院数控 环境下利用s q ls e r v e r 与0 b j e c ta 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深入研究。黑龙江克山师范在“关于螺旋 插齿刀c a d c a m 几何模型研究”中提出设计此类刀具的一种无设计误差的新方法，是黑 龙江省自然科学基金资助项目；l 。 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、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。 2 n 霸0 年以后，刀具c 粪粪系统的研究工作更是百花齐放。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 霉霉钻、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 奏奏c 蓁蓁一体化 系统l i 。第一汽车集团公司工具厂在“插齿刀c 粪粪系统的开发与应用 中提出利用 v b 6 o 和a u t o c 奏奏r 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l l 。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如何运用a u t oc a da c t i v e x 技术构造刀具零 件模型及刀具装配体的干涉检验方法l | | i 。燕山大学在“基于实例推理的涡轮滚刀c a d 系 统”中，针对涡轮滚刀的特点，采用基于特征和参数化的建模方法，为c b r 技术在刀具 设计方面的应用提供了一条途径i i 。焦作工学院与武汉煤炭设计研究院在“成型车刀的 计算机辅助设计”中，提出在a u t oc a d2 n n o 平台上，利用v 妻妻技术开发成型车刀的 c a d 软件，可以大大提高成型车刀的设计效率和设计质量【2 5 i 。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数学 模型为基础，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，是华侨大学科研基金资助项刚驯j 。 在国外，刀具业巨头德国蓝帜( l e i t z ) 集团、乐客( l e u 曩曩) 集团，日本兼房 ( k 蓁蓁e f u s a ) 股份公司等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 2 术工硬质合金整体成型铣列设计的总体方案 2 木工硬质合金整体成型铣刀设计的总体方案 在木制品生产中，近年来广泛使用了各种人造板材料。为了适应这些材料的切削加 工要求，出现了高耐磨性和高耐热性的硬质合金铣刀【3 引。根据结构不同，分为装配式和 整体式，本文主要研究硬质合金整体成型铣刀的c a d 技术。 硬质合金整体铣刀是将硬质合金刀片焊接在钢质刀体上而构成的。因为这种铣刀需 要重磨的部分仅是硬质合金刀齿，故刀体的齿背无需铲齿，只要将其做成圆弧曲线或直 线即可。铣刀规定研磨后刀面，这样可以延长使用寿命。同时，由于减少了研磨面积， 也就减少了刃磨工时【3 3 1 。为了防止刃磨硬质合金的砂轮磨到钢质的刀体上而引起砂轮的 堵塞，故刀片在圆周方向应突出刀体1 1 5 m m 。 木工硬质合金整体成型铣刀应满足下列要求： ( 1 ) 铣刀能满足工件形状、尺寸和加工质量要求：切削阻力小，排屑性好，耐磨 性好。 ( 2 ) 机械加工和热处理工艺性好，制造容易； ( 3 ) 便于标准化、系列化，成本低【3 6 】。 2 1 成型铣刀基本参数的确定 木工刀具设计主要是确定刀具的尺寸参数、角度参数和硬质合金整体铣刀刀体的结 构参数等，木工成型铣刀的设计参数基本相同，有铣刀外径d 、内孔直径d 、角度参数 和齿数z 等【3 0 1 。 2 1 1 成型铣刀基本参数计算 2 1 1 1 铣刀外径d 的计算和校核 铣刀外径根据机床动力，切削质量，铣刀平衡情况确定。直径越大，铣削波纹深度 越小，但偏心不平衡，振动增加，功率消耗大，振动不平度增加。所以，铣刀直径不易 过大。通常首先选定切削速度和转数，然后用下式计算铣刀外径。 d 。：咝( r a m ) ( 2 1 ) 一一 翮 式中：y 。最大切削速度，m s ； n 转数，r m i n ： 厅圆周率。 硬质合金铣刀铣削木材时，上限速度为9 0 m s ，下限速度为5 0 - 6 0 m s ，铣胶合木质 材料的上限速度为5 0 7 0 m s ，小直径柄铣刀上限速度为3 - 5 r n s 。刨床主轴转数n = 3 0 0 0 6 0 0 0 r m i n ，铣床类主轴转数n = 3 0 0 0 - 1 2 0 0 0 r m i n ，开榫机n = 3 0 0 0 r m i n 。 也可以按下面经验数选择铣刀直径 轻型铣床d - - 5 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 ( m m ) 东北林业人学硕i ：学位论文 中型铣床d = 1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 ( m m ) 重型铣床d = 1 4 0 、1 6 0 ( m m ) 直径选取后，根据工件截形高度用下式验算最小直径 d 州。= d + 2 ( m + 。，+ k + c ) ( f i l m ) ( 2 2 ) 式中：d 铣刀内孔直径，m m ； m 铣刀齿槽底与内孔壁最小厚度，通常取1 5 2 5 m m ； 办。工件最大截形深度，m l t l ； k 在一个齿距中心角范围内齿背曲线下降量，k ：掣t a n a ，m m ； 么 c 余量，1 0 1 5 m m 。 2 1 1 2 铣刀内孔直径d 的确定 内孔直径与铣床主轴相等，根据切削功率决定。常用2 0 、3 0 、4 0 、5 0 m m 等。 2 1 1 3 齿数z 的计算 当进给速度和主轴转数已定时，选择铣刀齿数，主要考虑切削质量和进给力。齿数 越多，不平度越小。但切屑厚度很小时，刀具磨损快、功率消耗大，所以，在保证质量 的前提下，尽量选用较少的齿数。机械进给时z - 4 8 个，手工进给时，通常z = 2 个 齿，因手工进给速度小，容易保证切削质量，另外齿数少，工人可利用齿间空载间距时 间进给，减轻工人劳动强度。 齿数选定后，根据已给进给速度计算每齿进给量与表2 1 和表2 2 中每齿进给量比 较，验证能否满足加工质量。 “= 兰( m m ) ( 2 3 ) 。 1 1 2 式中：u 进给速度，m m m i n ； 玎铣刀转数，r m i n ； 卜铣刀齿数。 表2 - 1 铣削木材表面粗糙度与每齿进给量“：( r a m ) 表面粗糙度 r z 。( m ) 不同密度的每齿进给量“， 密度0 7 ( g c m 3 1 含胶 0 9 ( g c m 3 ) 、含胶 1 2 2 1 2 角度参数的确定 2 1 2 1 前角y 的选择 前角越大，切削力越小，但为保证足够的楔角和减小破坏不平度，可从表2 3 中选 值。 表2 - 3 铣刀前角经验值( o ) 2 1 2 2 后角口的选择 主要考虑减少后刀面与木材切削表面的摩擦，一般后角口取1 0 。1 5 。 2 1 2 3 确定楔角 铣刀楔角的大小，决定刀尖强度。钢质铣刀p n 曲 3 0 。，硬质合金刀风i 。 4 5 。 设计成型铣刀时，必须验算最低刃口点的楔角尾，应保证尾。i 。，尾= 9 0 。一口口一 y 。，最低刃e l 点的前角和后角计算公式。如果不满足上述要求，可将已选定的后角适当 减少1 0 2 。，但必须使及耐。 8 。，也可以将已选定前角减小3 0 - 5 。如果经过这样修改后， 最低刃口点楔角仍小于允许的最小楔角，可以适当增加铣刀外径，使最低刃口点前角减 小，从而增加楔角。 2 4 3 铣刀结构尺寸 2 1 3 1 齿宽b 的选择 根据加工要求，齿宽比工件截形宽度b 大3 5 m m 。齿宽不宜过大，以免增加铣刀 重量，浪费钢材。 2 1 3 2 确定齿槽结构尺寸 ( 1 ) 齿槽底圆半径，4 如图2 - l 所示，厂4 为齿槽底圆半径。约为铣刀直径d 的5 ，即r 4 = 0 0 5 d 。 ( 2 ) 齿槽底圆位置和齿槽前面 齿槽底圆的圆一1 5 、, 在过铣刀圆心半径为厂1 的辅助圆上，如图2 1 所示。 n r 4 = 等一( h 。+ r 4 + y ) ( m m ) z 式中：d 铣刀直径，m r r i ； 忍。工件截形高度，m m ； 瓦齿槽圆半径，m m ； y 余量，5 1 0 m m 。 东北林业火学硕：l ：学位论文 如果工件截形高度较小，h 。 l o m m ：前角也较小，y r 2 5 。时，齿槽圆的圆心在前 刀面投影的延长线上，如图2 1 ( a ) 所示。确定圆心位置后，画齿槽圆，然后在距最低 刃1 ：3 点1 的2 3 m m 处取一点p ，由p 点作齿槽圆的切线，即得齿槽的前面。当工件的 截形高度较高，前角也较大时，应使齿槽圆与前刀面相切，此时前刀面就是齿槽前面。 如果工件截形高度较高时，前角也较大时，应使齿槽圆与前刀面相切，此时前刀面 就是齿槽前面，如图2 1 ( b ) 所示。 摹 、 筵 ( q ) ( b ) 图2 - 1 齿槽圆中心位置和齿槽前面示意图 ( 3 ) 确定齿槽后面和退刀角 齿槽后面的位置与退刀角有关，最小退刀角为l o 。1 2 。为了选用现在金切角度 铣刀加工齿槽角臼，可将口化为标准角，常用p 角为1 8 。、2 2 。、2 5 。、3 0 。、4 5 。、 5 0 。等。 2 1 3 3 铣刀端面结构尺寸 ( 1 ) 刀毂厚度和宽度 套装铣刀是用夹盘夹持铣刀刀毂的端面，将它装夹在主轴上，刀毂端面要求精度较 高，为了减少精加工面积和减轻刀体重量，刀毂厚度不易过大，值与铣刀直径有 关，通常= 0 1 d 。 刀毂宽度b 与齿宽b 有如下关系：当b 、 2 0 m m 时，b = ( 0 6 0 8 ) b 取整数值。 ( 2 ) 端面环形槽结构尺寸 为了减轻铣刀重量，铣刀端面有环形槽沟。环形槽沟的内径是刀毂厚度的外径。环 形槽外径是圆弧线距离最低刃口点齿背曲线末端3 5 m m 左右。 2 2 成型铣刀c 仰系统的开发平台和开发工具 考虑到系统的使用范围和兼容性，在选择开发平台和丌发语言时，应该选择在市场 上广泛使用的流行开发平台和开发语言。 2 术工碰质合金整体成型铣川设计的总体方案 2 2 1 系统的开发平台简介 c a d 的含义是指计算机辅助设计，是计算机技术的一个重要的应用领域1 3 7 i 。a u t o c a d 则是美国a u t od e s k 企业开发的一个交互式设计平台，是用于二维及三维设计、绘 图的系统工具，用户可以使用它来创建、浏览、管理、打印、输出、共享及准确复用富 含信息的设计图形。a u t oc a d 是目前市场上最流行的c a d 系统，市场占有率位居世界第 一。a u t oc a d 软件具有如下特点： ( 1 ) 具有完善的图形绘制功能。 ( 2 ) 具有强大的图形编辑功能。 ( 3 ) 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。 ( 4 ) 可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。 ( 5 ) 支持多种硬件设备。 ( 6 ) 支持多种操作平台。 ( 7 ) 具有通用性、易用性，适用于各类用户。 此外，从a u t oc a d2 0 0 0 开始，该系统又增添了许多强大的功能，如a u t oc a d 设 计中心( a d c ) 、多文档设计环境( m d e ) 、i n t e r n e t 驱动、新的对象捕捉功能、增强的 标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使a u t oc a d 系统更加完善。 a u t oc a d 本身的功能集已经足以协助用户完成各种设计工作，是一个相当完善的开 发平台，但是它还不是一个专业的设计软件，用户还需要通过a u t od e s k 高度的可开发 性，用兼容的各种语言对其进行二次开发，从而把a u t oc a d 改造成为满足各专业领域 的专用设计工具，这些领域中包括建筑、机械、测绘、电子以及航空航天等。 a u t od e s k 企业成立于1 9 8 2 年1 月，在近二十年的发展历程中，该企业不断丰富和 完善a u t o c a d 系统，并连续推出各个新版本，使a u t o c a d 由一个功能非常有限的绘图软 件发展到了现在功能强大、性能稳定、市场占有率位居世界第一的c a d 系统，在城市规 划、建筑、测绘、机械、电子、造船、汽车等许多行业得到了广泛的应用。统计资料表 明，目前世界上有7 5 的设计部门、数百万的用户应用此软件，大约有5 0 万套a u t o c a d 软件安装在各企业中运行。 2 - 2 2 系统的开发工具简介 2 2 2 1a u t ol i s p 简介 l i s p ( l i s tp r o c e s s i n gl a n g u a g e ) 是一种计算机的表处理语言，是在人工智能 ( a i ) 学科领域广泛应用的一种程序设计语言【3 8 1 。a u t ol i s p 语言是嵌套于a u t oc a d 内部，将l i s p 语言和a u t oc a d 有机结合的产物。a u t ol i s p 是人工智能语言c o m m o n l i s p 的简化版本，作为通用l i s p 语言的一个小子集，a u t ol i s p 严格遵循其语法和惯 例，但又添加了许多针对a u t oc a d 的功能。a u t o d e s k 公司在a u t oc a d2 1 版引入 a u t ol i s p 作为应用程序编程接口( a p i ) ，用于扩展和自定义a u t oc a d 功能。用户可以 借助于a u t ol i s p 充分对a u t oc a d 进行二次开发：实现直接增加和修改a u t oc a d 命 东北林业大学硕：j ：学位论文 令，随意扩大图形编辑功能，建立图形数据库并对当前图形进行直接的访问和修改，用 适合编写图形应用程序的强大的高级语言来编写宏程序和函数，开发c a d 各种软件包。 a u t ol i s p 不仅易于使用，而且非常灵活，多年来一直是自定义a u t oc a d 的标准。 a u t ol i s p 具有广泛的应用基础，节省开发时间，不依赖于平台，在描述表格方面 有独到之处且本身灵活和精巧。a u t od e s k 公司在a u t oc a dr 1 4 发行时就表明了a u t o c a d 产品将永远把a u t ol i s p 作为a u t oc a d 的开发语言之一( p e r s i s t e n ta u t ol i s p ) 的立场，以使得a u t ol i s p 目前仍是国内外软件开发者开发a u t oc a d 的首选工具。 a u t ol i s p 语言是在普通的l i s p 语言的基础上，扩充了许多适用于c a d 应用的专用 功能后形成的一种以解释方式运行于a u t oc a d 内的程序设计语言。它有以下主要特 点： ( 1 ) a u t ol i s p 语言是函数型语言，一切功能都由函数实现。执行a u t ol i s p 程序 就是执行函数，函数通过调用，实现用户的要求。 ( 2 ) a u t ol i s p 函数和数据形式是一致的，都是s 型( 符号型) 表达式。 ( 3 ) a u t ol i s p 是一种前置式语言。 ( 4 ) a u t ol i s p 可引用c o m m a n d 函数执行a u t oc a d 中所有命令。将a u t ol i s p 代 码编排成一个文本文件，从a u t oc a d 编辑器环境把它加载到内存，便可形成一个a u t o l i s p 程序，即开发的核心程序。 2 2 2 2v is u a ll i s p 简介 从a u t oc a dr 1 4 开始，v i s u a ll i s p 被引入到a u t oc a d 中，它增强并扩展了a u t o l i s p 语言，可以通过m i c r o s o f ta c t i v e xa u t o m a t i o n 接口与对象交互，并扩展了a u t o l i s p 响应事件的能力【”】。当用户每次加载a u t ol i s p 源代码时，这些代码都将被翻译 成计算机能够识别的指令( 可执行代码) 。这种方式的优点是便于用户修改代码并测试 或调试新的代码。如果用户已经确定自己的程序能够正确地工作，那么在每次程序加载 时都对源代码进行翻译将会浪费许多时间。因此，v i s u a ll i s p 提供了用来为源代码生 成计算机可执行代码文件的编译器。这些可执行文件被称为f a s 文件。由于可执行文件 中只包含机器代码，所以对于其他用户来说源代码是不可见的，即使是字符串和符号名 也被v i s u a ll i s p 的编译器所翻译，具有一定的保密性。 作为开发工具，v i s u a ll i s p 提供了一个完整的集成开发环境( i d e ) ，包括编译 器、调试器和其他工具，可以提高自定义a u t oc a d 的效率。另外，v i s u a ll i s p 提供了 发布用a u t ol i s p 编写的独立应用程序的工具。v i s u a ll i s p 没有任何特殊的硬件需 求，能运行a u t o c a d 系统即可运行v i s u a ll i s p 。v i s u a ll i s p 还可以将更复杂的a u t o l i s p 应用封装进v i s u a ll i s p 可执行文件( v l x ) 中。v l x 文件中还可以包括其他的资 源文件，例如v b a 和d c l 文件以及编译过的a u t ol i s p 文件。 2 3 系统软件总体设计目标 一般来说，一个参数化设计系统应具备以下的功能和特点： 2 术一l 一唑质台瓮整体成型铣刀设计的总体方案 ( 1 ) 程序模块化。程序应按功能和结构的不同分成若干个模块。系统模块划分及 它们之间的联接关系的合理性，直接影响系统运行的可靠性、效率及扩展的可能性。因 此，一个系统设计的开始阶段一定要反复论证，合理地确定系统的结构。使其既易于管 理，维护，又易于扩展。每个模块既能单独操作，完成各自的功能，又要通过公共数据 区的操作相互联系，形成一个c a d 系统不可分割的整体。 ( 2 ) 数据参数化，参数局部化。一个参数化设计系统需要大量数据，除需要继承 总体数据外，还有各部件及零件的数据，其中有若干数据要经常修改。数据参数化为数 据的修改、传递、存储提供了方便。除了要修改的数据之外，其余均应设置为局部变 量，以减轻系统负担。 图2 - 2 系统流程结构框图 东北林业大学硕i ：学位论义 ( 3 ) 适时的数据修改与交互方式，数据管理应该安全可靠。 ( 4 ) 采用符合国家标准要求的标注，便于技术交流。 ( 5 ) 用户界面应友好。操作要简单，要易于用户使用，符合现在流行软件的操作 风格和操作特点。一个内行的工程技术人员经短期的培训，应能快速、熟练地进行有关 的设计。 ( 6 ) 应高效率，高质量。与传统设计和人工绘图比较，绘图的准确性和绘图效率 应有较大的提高，并节省相当可观的校对工作量。 基于以上考虑，在a u t oc a d 开发平台上，使用l i s p 语言设计开发的木工硬质合金 铣刀c a d 系统应包括下列功能：对刀具基本参数的计算和校核，对需要计算的结构尺寸 进行计算，合理构建该刀具的几何模型，具有人机交互的友好界面，快速绘制完成指导 生产的刀具零件图。 系统的流程结构如图2 2 所示 2 4 本章小结 软件系统的设计是软件开发前必要的环节。本章主要介绍了开发木工硬质合金整体 成型铣刀c a d 系统设计的总体方案，建立了本c a d 系统设计的数学计算模型，完成了刀 具的结构设计，确立了本c a d 软件的开发平台和开发语言，提出了系统软件的开发设计 目标，为本c a d 软件的开发做了全方面的准备。 3 系统的构成及计算机处理方法 3 系统的构成及计算机处理方法 3 1 系统设计的总体思路和技术方案 3 1 1 系统的总体设计思路 系统开发指导思想是从实用性和可靠性出发，结合现代信息科学技术的先进技术， 使系统达到先进性与实用性统一【4 0 1 。系统采用结构化总体设计以及基于尺寸驱动 ( d j m e n s i o n d r i v e n ) 的模块编程相结合的设计思路。在总体设计时采用由上向下、逐 层分解、逐步求精的结构化设计方法，把系统规划为若干个既相对独立又相互联系的具 有层次性功能的模块，每个模块再根据不同的设计目标分解成系列子模块，构成由子模 块组成功能模块，再由功能模块构成系统的多层机构体系。这样，系统软件结构清晰， 既有利于设计又容易阅读，有助于软件开发工程的组织管理，便于设计人员控制系统开 发的复杂性，提高系统的可靠性【4 l 】。 系统的整体结构框图如下： 图3 1 系统结构框图 3 1 2 系统的技术方案 参数化设计( 尺寸驱动) 是c a d 在实际应用中提出来的，它不仅可使c a d 系统具有 交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是c a d 技术应用领域内的一个重要研 究课题。利用参数化技术手段丌发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而繁 琐的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储引4 2 i 。 3 系统的构成及计算机处理方法 3 2 初始化模块的设计 系统的初始化模块完成的设计目标包括对开发环境原始变量的更改，对国家标准的 设置、为了绘图便捷而设置图层的属性等等。 3 2 1 系统变量的设置 a u t oc a d 图形的环境信息记录在a u t oc a d 的系统变量中。在第一次编辑一个图 形时，a u t oc a d 借助系统的样板图形a c a d d w g 自动为系统变量设置初值，为用户设置 一个相对合理的初始环境，系统变量的初始设置称为系统变量的默认值。从读写特性的 角度来分类，系统变量可分为只读系统变量( r e a d0 n l y ) 和读写系统变量。所有系统 变量的当前值都可以使用s e t v a r 命令或直接键入系统变量名、或者使用a u t o l i s p 的 g e t v a r 函数进行查询，但只有读写系统变量才可用s e t v a r 命令或直接键入系统变量 名、或者使用a u t ol i s p 的s e t v a r 函数修改其值。 在本系统中，对原始的系统变量值进行保存，变量名为“o l d + 缩写”，比如原始的 系统变量“r e g e n m o d e ”，其原始值保存在“o l d r g n ”中，如： ( s e t q0 1 d r g n ( g e t v a r ”r e g e i 1 0 d e ”) o l d c m d ( g e t v a r ”c m d e c h o ”) o l d b l p ( g e t v a r ”b l i p m o d e ”) o l d l i i 墩( g e t 、，a r ”l i m c h e c k f - ) 0 1 d p c k ( g e a r p i c k b o x ”) o l d m