（机械制造及其自动化专业论文）数控异形玻璃磨边加工中心cadcam系统开发.pdf

浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 摘要 玻璃由于其透明 透光 反射 多彩 光亮的特性 已经作为一种重要的 建筑 装饰材料被广泛地应用在各个领域 市场潜力十分巨大 但目前国内玻 璃深加工技术相对落后 高度自动化玻璃磨边加工设备多依赖于进口 价格昂 贵 维修费用高 很难满足我国玻璃深加工企业的要求 因此 我国自主开发 自动化玻璃磨边设备具有重要的现实意义 以c a d c a m 技术和计算机数控技 术为核心的数控异形玻璃磨边加工中心是浙江大学与杭州华迪机械有限公司最 近合作研发成功的高新技术装备 由于玻璃深加工工艺的特殊性 必须开发出 一套专用的c a d c a m 系统 本论文的主要目的就是结合玻璃深加工特殊的加 工工艺及c a d c a m 技术 研究和开发出数控异形玻璃磨边加工中心 c a d c a m 系统 论文使用面向对象设计和分析方法对数控异形玻璃磨边加工中心的 c a d c a m 软件进行分析和设计 成功研制了软件系统并在实际加工得到了应 用 论文主要内容包括 第一章是绪论 阐述了本论文的研究背景及重要意义 介绍了国内外数控 异形玻璃磨边c a d c a m 系统发展状况 论述了面向对象c a d c a m 设计的方 法 第二章简要地阐述了数控异形玻璃磨边加工中心系统的特点 组成 性能 和工艺特点 介绍了数控异形玻璃磨边 j a r 中心的工作原理 第三章是系统的总体设计 对数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统 进行了需求分析 根据面向对象的方法给出了图形和路径两个基本类对象 同 时分析了相关功能模块与基本类对象之间的关系 最后 设计出数控异形玻璃 磨边c a d c a m 系统的用户界面 第四章设计与实现了对玻璃加工图形和路径两个基本类对象进行操作的功 能模块 并着重研究了异形玻璃磨边c a d c a m 系统中的关键技术 实现了基 于遗传算法的加工路径优化及抛光轮磨损补偿 第五章对数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统进行了测试和维护 并对加工实例进行了分析 研究表明设计的c a d c a m 系统是有效和可行的 最后是本文的研究内容总结 并对数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统的发展做了展望 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃詹边加工中心c a d c a m 系统研究 关键词 数控异形玻璃磨边c a d c a m 系统面向对象技术路径优化 遗传算法 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 a b s t r a c t g l a s si sa ni m p o r t a n tb u i l d i n ga n dd e c o r a t i n gm a t e r i a lt h a tw i d e l yu s e di n v a r i o u sf i e l d sb e c a u s eo fi t s s p e c i a lc h a r a c t e r i s t i cs u c ha st r a n s p a r e n t r e f l e c t e d p o l y c h r o m ea n ds h i n i n g i t sm a r k e tp o t e n t i a li sm u c hh u g e t h et e c h n o l o g yo ft h e g l a s sd e 印一p r o c e s s i n gi sc o r r e s p o n d i n g l yl a g g a r di nc h i n a t h ea d v a n c e da u t o m a t e d g l a s s 鲥n d i n ge q u i p m e n ti sn e a r l yd e p e n d e n to ni m p o r t b u tt h e 曲c eo ft h e s e m a c h i n e si sh i g h t h ec o s to fm a i n t e n a n c ei s e x p e n s i v e i tc a nn o ts a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fd o m e s t i cc o r p o r a t i o n s s ot h ei n h o u s ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e d g l a s s 卯n d i n ge q u i p m e n ti so fm a j o rs i g n i f i c a n c e t h ec n cv a r i e d s h a p eg l a s s g r i n d i n gm a c h i n ec e n t e r i nw h i c ht h ek e yt e c h n o l o g yi sc a d c a ma n dc n c i st h e h i g h t e c he q u i p m e n td e v e l o p e db yz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n dh a n g z h o uh u a d i m a c h i n el t d t h e r em u s tb ed e v e l o p e ds p e c i a le a d c a ms y s t e mf o rt h es p e c i a l g l a s sg r i n d i n gt e c h n i q u e 蹦sp a p e r st a s ki st or e s e a r c ha n dd e v e l o po nt h e c a d c a ms y s t e mf o rt h ec n c v a r i e d s h a p eg l a s sg r i n d i n gm a c h i n ec e n t e rw h i c h b a s eo nc h a r a c t e r i s t i co f g l a s sg r i n d i n ga n dc a d c a mt e c h n o l o g y t h ep a p e ra n a l y s e sa n dd e s i g n st h ec a d c a ms o f t r a r ew h i c hi ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e da n da p p l i e d f o rt h ec n cv a r i e d s h a p eg l a s sg r i n d i n gm a c h i n i n gc e n t r e b yo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d t h ep r i m a r yc o n t e n to f t h ep a p e ri n c l u d e c h a p t e rli st h ei n t r o d u c t i o n t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a t i o no f t h er e s e a r c h a r ee x p a t i a t e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i ca n dt h ef o r e i g nn c g l a s s 鲥n d i n g c a d c a ms y s t e mi si n t r o d u c e da n dt h eo b j e c t o r i e n t e dc a d c a m d e s i g nm e t h o d i sd i s c u s s e d c h a p t e r2b r i e f l yd e s c r i b e st h ec n cv a r i e d s h a p eg l a s sg r i n d i n gm a c h i n e c e n t e r sc h a r a c t e r i s t i c s t r u c t u r e p e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c a lf e a t u r e sa n di n t r o d u c e s t h ew o r kp r i n c i p l eo f t h i sm a c h i n ec e n t e r c h a p t e r3i st h ed e s i g no f t h es y s t e ma saw h o l e i td o e sr e q u i r e n a e n t sa n a l y s i s o f c a d c a ms y s t e m o f f e r st w ob a s i cc l a s so b j e c t sw h i c hi n c l u d eg r a p h i ca n dp a t h b yo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d a n a l y 辩st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l e v a n tf u n c t i o n m o d u l e sa n db a s i cc l a s so b j e c t a tl a s tt h eu s e ri n t e r f a c eo fc a d c a ms y s t e mi s d e s i g n e d c h a p t e r4i n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n to ff u n c t i o nm o d u l e sw h i c h o p e r a t e st w ob a s i ce l a a so b j e c t sa n di l l u s t r a t e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fc a d c a m s y s t e mf o rg l a s sg r i n d i n g t h e o p t i m i z a t i o n o fp r o c e s s i n g p a t h b a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h m a n dt h e c o m p e n s a t i o no f b u f f i n gw h e e la r er e a l i z e d 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 c h a p t e r5i n c l u d e st h et e s ta n dm a i n t e n a n c eo fc a d c a ms y s t e mf o rc n c v a r i e d s h a p eg l a s sg r i n d i n gm a c h i n ec e n t e ra n di tg i v e st o wt h ep r a c t i c es a m p l e s t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ec a d c a ms y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e ri se 位c 吐v e a n df e a s i b l e a tl a s tt h er e s e a r c hc o n t e n ti ss u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c to ft h ec a d c a m s y s t e mf o rc n cv a r i e d s h a p eg l a s sg r i n d i n gm a c h i n i n g c e n t r ei sf o r e c a s t e d k e yw o r d s c n cv a r i e d s h a p eg l a s s g r i n d i n g c a d c a m s y s t e m o b j e c t o r i e n t e d p a t ho p t i m i z a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m 学号 2 0 5 0 8 0 7 8 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及取得 的研究成果 据我所知 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 也不包含为获得迸 江盘芏或其他 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名交磕譬 签字日期 司年1 月 t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅 和借阅 本人授权迸鎏盘鲎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 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 痞哆赶宝 导师签名 签字日期 嘲年c 月叶日签字日期 0 1 年7 学位论文作者毕业后去向 逝卞乒屯孬 欹氖 话么氮 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 玻璃是重要的建筑 装饰材料 其透明 透光 反射 多彩 光亮的特性 使得它被广泛应用于建筑构造 家具装修 汽车风挡等各个领域 玻璃深加工 主要是指以平板玻璃为基本原料 根据使用要求 采用不同的加工工艺诸如切 割 磨边 雕刻 抛光制成具有特定新功能的二次加工制品 是一种新型高附 加值的产业 目前发达匡家平板玻璃的深加工率 用于深加工的玻璃原片量与全 部玻璃原片产量之比 达8 w 0 9 0 而我国的深加工率只有1 6 明显偏低 目前国内生产的大部分玻璃深加工设备仍然以半手工操作为主 需要耗费大量 人力资源 而高档自动化加工设备均被发达国家所垄断 根据中国建筑玻璃与 工业玻璃协会2 0 0 5 年的调查显示 由于高档玻璃深加工设备价格昂贵 在中小 型企业中约有9 5 的中高档装饰玻璃仍然靠手工进行加工 而在大型企业中 9 8 以上使用进口设备进行中高档装饰玻璃的加工 国产的自动化装备在整个 玻璃加工企业的应用率不到7 绝大部分企业没有能力购置国外昂贵的自动 化设备 而被迫使用高能耗 低附加值的中低端装备 即使是有能力购置国外 设备的大型企业其使用成本也非常之高 致使玻璃制品的利润大大降低 l l 近年来 随着经济的高速发展 对玻璃的需求急剧增长 如中空玻璃的产 量2 0 0 4 年达3 0 0 0 万平方米 到2 0 0 5 年已经达到5 0 0 0 万平方米 市场用量几 乎以翻番的速度递增 预计今后十年 我国玻璃工业还将飞速发展 特别是深 加工玻璃 无论在产量 消费量 出口方面都具有非常广阔的前景 这意味着 将对玻璃加工行业提出更高的要求 这也使得物美价廉的玻璃深加工自动化装 备有着很大的社会需求量 2 玻璃磨边就是根据玻璃的轮廓外形 完成直磨 斜磨 或者磨出不同的花 型边缘轮廓 国内传统的玻璃磨边都靠手工操作或使用一些中低档设备 劳动 强度大 加工质量不易得到保证 效率低 废品率较高 成本也较高 对加工 的形状也有所限制 高档的玻璃磨边机必须全依赖进口 如上所述 进口设备 成本高 工人培训周期长 极大地增加了玻璃磨边加工行业的成本 为了加强 国内玻璃机械生产厂家的国际竞争力 节约玻璃加工生产成本 必须开发出拥 有自主知识产权的 并符合本国国情的自动化玻璃磨边设备 浙江大学现代制 造工程研究所和杭州华迪机械有限公司已成功地联合开发出数控异形玻璃磨边 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 加工中心 该加工中心就是利用数控技术和c a d c a m 技术 可以对异形复杂 图形的玻璃进行磨边加工 浙江大学现代制造工程研究所主要承担数控系统和 c a d c a m 系统的研制 玻璃作为一种硬脆材料 其加工工艺和金属 木材等加工有着截然不同的 区别 因此目前主流的c a d c a m 软件也由于工艺差别太大而无法直接使用 必须使用专用的c a d c a m 系统 因此必须开发出与数控异形玻璃磨边加工中 心配套的c a d c a m 系统 1 2c a d c a m 发展简介 计算机辅助设计 c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c a d 和计算机辅助制造 c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g c a m 简称c a d c a m 是指以计算机为 主要技术手段来生成和运用各种数字信息和图形信息 进行产品的设计和制造 c a d c a m 的基础技术积累可追溯到2 0 世纪5 0 年代 1 9 5 0 年 第一台图 形显示器 w h i r l w i n di 在美国麻省理工学院诞生 并在此基础上出现了新的 学科一计算机图形学 c a d 技术逐渐发展 到7 0 年代 二维绘图和三维线框 图形为主的c a d 系统形成主流 并于1 9 7 3 年诞生了第一个实体造型试验系统 1 9 7 8 年第一代实体造型软件推向市场 到2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代 实体造 型技术成为c a d 技术发展的主流 并走向成熟 1 9 5 2 年 美国开始研制实用 数控机床 标志着c a m 开始了发展历程 c a m 技术的发展主要是数控编程和 计算机辅助工艺规划两个方面 1 9 5 5 年美国麻省理工学院伺服机构实验室开发 了a p t 系统 并进一步完善 随着计算机技术 c a d 技术的发展 数控编程 开始向交互式图形编程过渡 进入2 0 世纪7 0 年代 c a d c a m 开始走向共同 发展的道路 首先是不同c a d 和c a m 系统之间数据接口的开发 将不同的系 统集成在一起 然后用统一的产品数据模型同时支持c a d c a m 的信息表达 实现了真正意义上的集成化c a d c a m 2 0 世纪8 0 年代 出现了一大批工程 化的c a d c a m 商品化软件系统 如c a d a m c a t i a u g i d e a s p r o e n g i n e e r 等 进入2 0 世纪9 0 年代 特征造型技术的成熟应用 使得 c a d c a m 系统的集成度不断提高 c a d 技术的研究和应用主要是围绕着几何造型展开的 先后经历了线框造 型 曲面造型和实体造型和特征造型等发展阶段 后来 c a d 逐渐涉及到有限 元分析 动力学分析与仿真 运动学分析与仿真等考察产品综合特性的内容 随着计算机辅助手段在制造业中日益广泛的应用 实践中有了进一步提高生产 组织的集成化和自动化程度的要求 c a d 从概念上进一步扩展到与制造全过程 2 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 相关 现在 c a d 技术己经被赋予了比较广泛的意义 己经成为绘图 设计计 算与分析一体化的综合技术 c a m 技术主要是围绕着数控编程技术开始发展起来的 数控加工是 c a d c a m 发挥效益最直接 最明显的环节之一 c a m 有狭义和广义的两个概 念 狭义的c a m 是指从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动 包括 c a p p n c 编程 工时定额的计算 生产计划的制定等 这是最初的c a m 系 统的狭义概念 这一概念可以进一步缩小为n c 编程的同义词 c a m 的广义概 念 除了上述狭义定义所包含的内容外 还包括制造活动中与物流有关的所有 过程的监视 控制和管理 如加工 装配 检验 存储 输送等 3 j 1 3 国内外玻璃深加工装备c a d c a m 系统概况 国外的玻璃加工c a d c a m 系统经历比较长的时间发展 因此产品也比较 成熟 德国的a l b a r w i r s a m 公司的是一家专门从事玻璃加工系统软件开发 的公司 4 其产品包括a l f a k 2 0 0 0 一种玻璃采购管理系统软件 x o p t 2 0 0 0 玻璃排样系统软件 s h a p i n g n e s t i n g 玻璃加工的c a d c a m 系软件 等 等 其中s h a p i n g n e s t i n g 是一种交互式基于w i n d o w s 图形界面的系统软件 它的主要功能有 对任意花形进行输入 数据处理 后置处理操作 可单独输入 钻孔 刻花 磨边等加工几何体信息 输入相关的参数定义特定的制造工艺 d x f v d a f s i c e s 图形格式接口 提供i n t e r m a c m a s t e r e d g e 或者b a v e l l o n i a l p a 玻璃机械加工中心接口 意大利i n t e r m a c 公司c n c 刻花机和c n c 加工中心 4 j 可以生 产各种 卫浴镜 车花玻璃 家具台面 钟表面 灶台等 并可加工各种复杂的 异形 的磨边 刻花 抛光 写字 钻孔等 采用真空将玻璃吸附在吸盘上 抛磨时 间可任意选择 内 外置的大功率电机可使机床进行高速 高精的玻璃加工 操作简单方便 性能稳定可靠 随系统出售的c a d c a m 软件 i n t e r m a c 功 能也比较强大 有c a d 摸块 c a m 模块 刀具管理 i o 接口 文档管理几 大功能模块组成 它的c a m 部分有很多的加工方式组成 磨花 g r i n d i n g 直线切割 s t r a i g h tc u t t i n g 外轮廓切割 o u t l i n ec u t t i n g 雕刻 e n g r a v i n g m i l l i n g 也提供了很多不同的加工线型供用户选择 选择好加工方式 加工刀 具 加工几何体和一系列加工参数之后 用户还可以动态仿真刀位轨迹 另外 它还有一些辅助功能 比如用数字编号表示刀位轨迹路径的加工顺序及加工方 向 刀位轨迹的总长度 预计的加工时间等等 总之 这是一套很好的玻璃加 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 工的c a d c a m 系统软件 但也存在一些缺点 例如 对线素的加工顺序和加工 方向不能人工修改 而在生产加工中 这一功能很有实际应用 而且 由于它 是与数控系统捆绑销售 价格十分昂贵 这是一套英文版的软件 对操作人员 的要求也比较高 另外 软件的维护和升级也很不方便 意大利乐华蒂 l o v a 兀 公司是目前世晃上最先进的玻璃加工设备生产商 之一 5 1 其生产的z e n e d g e 2 2 型c n c 数控全自动异形磨边 抛光 钻孔机可 用于对具有内弧 外弧 交接角的异形玻璃进行磨边及抛光 适用于批量的家 电 汽车 家私玻璃研磨 抛光和钻孔 随系统出售的c a d c a m 系统可自动 设计图形 满足上述功能要求 能自动生成加工路径 是目前世界上较为成熟 的玻璃磨边c a d c a m 系统 同样也是与数控系统捆绑销售 所以价格不菲 界面非汉化 软件的维护和升级也比较麻烦 国内自动化玻璃磨边机起步较晚 在机器质量 加工精度 生产效率 使 用寿命上与国外机器还有相当大的差距 国内目前知名度较高的厂家有中山市 富山玻璃机械有限公司 北京玻璃人玻璃产品有限公司 中山市迪威玻璃机械 股份有限公司 中山市富山玻璃机械有限公司其生产的f 系列的直线斜边磨边 机f 6 采用链条链板传动 有p l c 自动控制系统 并用触摸屏作为人机界面 且能显示玻璃厚度 斜边宽度及角度 剩余玻璃厚度和加工速度等各种参数 适用于加工各种平板玻璃或镜片的斜边及底边 在加工过程中 玻璃的尺寸 磨边方式完全靠手工输入 中山市迪威机械制造有限公司d 系列磨边机使用进 口传动组件及p l c 伺服控n t n 加工精度较高 运行较稳定可靠 可以完成直 线 双边玻璃的粗磨 精磨 抛光与棱边的粗 精磨一次加工完成 其中d s l 玻璃异形磨边机还可用于半自动异形平板玻璃磨边 使用不同的磨轮可加工玻 璃的斜边 圆边 平边 鸭嘴边及其它成形边 但人机界面均为进口 也均为 参数输入 达不到完全自动化的要求 北京玻璃人玻璃产品技术有限公司生产h i t e c hs k b y m i i 是一款性能 较高的全自动卧式异形斜边机 8 l 可磨玻璃厚度4 3 0 m m 斜度可加10 4 5 0 的 玻璃斜边 可实现在无模板的条件下 磨头自动沿玻璃边缘行走并加工 但该 产品没有较强的人机对话 在加工斜边时不具备绘图和编程功能 只能设定操 作数据 没有直观性 操作虽简单易行 但对工人要求必须熟练 综上所叙 国产磨边机器大部分只具备半自动化功能 局限于直边 双边 磨边功能 对于异形磨边机 较为先进的机器均采用国外的控制系统 且人机 界面简单 不具备丰富的图形设计功能和工艺参数调整功能 玻璃磨边 c a d c a m 还没有真正用于生产加工中 国内对玻璃磨边c a d c a m 研究工作 也在近几年才开始 其中华中科技大学最为显著 华中科技大学国家数控系统 4 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 工程技术研究中心所开发的c a d c a m 系统首先对异形玻璃进行测量 保存数 据 再进行工艺参数设置 输出g 代码 其不足之处不能在系统中自行设计玻 璃形状 c a d c a m 软件是用户与系统进行交互的重要窗口 c a d c a m 技术 的发展和应用水平己经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要 标志之一 所以必须从我国国情出发 研制低成本 强适应性 又具有较高性 能指标的玻璃深加工的c a d c a m 软件 力求打破发达国家的技术封锁 为我 国玻璃深加工行业的发展作出贡献 1 4 数控异形玻璃磨边c a d c a m 系统开发 1 4 1c a d c a m 系统中软件应具有的基本功能 虽然不同的c a d c a m 系统可有不同的功能要求 但就玻璃磨边 c a d c a m 系统来说 应具有的基本功能是 1 产品几何造型功能 产品几何造型软件是c a d 系统的核心 因为c a d 任务的后续处理 均在几何造型的基础上进行的 所以几何造型功能的 强弱 在较大程度上反映了c a m 系统功能的强弱 对于玻璃磨边系统 必须具备复杂的线框造型功能 2 2 d 图形处理能力 能够根据用户的需求 对图形进行交互编辑 设计 出满意的2 d 结构图 3 对外交换数据的能力 能够与其它c a d c a m 系统进行数据交换 钔优化设计功能 产品设计过程实际上是寻优的过程 也就是在某些条件 的限制下 使产品的实际指标达到最佳 5 1 数据管理功能 c a d c a m 系统在设计过程中要处理的数据不仅数量 大 而且类型也较多 即其中有数值型数据和非数值型数据 也有随着 设计过程不断变化的设计 即动态数据 为了要统一管理这些数据 在c a d c a m 系统中应该有工程数据管理系统 c a p p 功能 工艺设计人员利用计算机完成零件的工艺规划设计 它接 受来自c a d 系统的零件信息 包括几何信息和工艺制造信息 运用工 艺设计知识 设计合理的加工路线 选择优化的加工参数和加工设计 另外系统还具备对磨边加工路径进行优化的功能 7 c a m 功能 在c a m 过程中主要包括两类软件 c a p p 与数控编程 n c p r o g r a m m i n g n c p 当前对c a m 软件的范畴划分存在一些差异 一 种是狭义的理解 将c a m 软件看作是n c p 现在大部分商品化的所谓 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 c a m 软件 实际上都是n c p 对于狭义c a m 是由c a d 系统向c a m 系统提供零件信息 c a p p 系统向c a m 系统提供加工工艺信息和工艺 参数 c a m 系统最终根据工艺流程和几何尺寸 工艺精度要求 自动 产生零件程序 进而产生刀位文件 最终生成n c 加工程序 另一种是 广义的理解 即认为c a m 包括了c a p p 与n c p 的内容 所以 往往 将c a d c a p p c a m 集成系统称为c a d c a m 集成系统 玻璃磨边 c a d c a m 系统采用狭义的c a m l 9 j 1 4 2c a d c a m 系统的设计原则 c a d c a m 系统既要满足服务对象的需求 实现既定目标 又要适应 c a d c a m 技术发展水平 考虑未来的发展和用户所具有的条件 包括经费 人员技术水平等 因此应遵循以下原则 综合考虑各方面因素加以决策 1 实用化原则 c a d c a m 是一项实用性 针对性非常强的技术 具有高投入 高产出 高风险的特征 实施c a d c a m 技术必须以实力化为前提 否则很难带来经济 和社会效益 因此在进行系统设计时 首先必须明确其应用领域和对象 即用 于哪类产品的设计制造 要解决哪类问题 达到什么样的深度 要达到的具体 目标及需要的关键技术 2 适度先进性原则 c a d c a m 是一项仍处于不断发展和完善中的技术 新的技术不断涌现与 应用 一些过时的技术也在不断地淘汰 因此 在设计c a d c a m 系统时 要 用发展的眼光 要对c a d c a m 技术未来的发展有一定的预测 在此基础选用 实用性强 技术先进且成熟的设备与软件 避免系统建成不久就被淘汰的厄运 降低投资风险 3 系统性原则 系统性原则有两方面的含义 一是指在系统设计时要充分考虑功能 软硬 件配置上的完整性 二是指要充分考虑各硬件设备和软件在功能 性能方面的相 互匹配 从而确定系统的继承水平 有此提出对系统硬件 系统软件 支撑软 件 数据库 网络 数据交换 各种接口等的具体要求 4 整体设计与分步实施原则 如上所叙 c a d c a m 是处于不断发展和完善的高投入高风险的技术 在 进行系统设计时 即要考虑实用性和企业的经济承受能力 又要考虑系统的先 进性和系统性 这就要求将近期目标与长远目标有机地结合起来 根据人力 6 浙江丈学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 资金 现有技术水平等约束条件来确定近期目标 也要考虑到将来地发展以确 定长远目标 系统设计时要充分考虑系统性 完整性和先进性 而实施时充分 考虑实用性和经济承受能力 分布实施 逐步建设 嘲 1 4 3 面向对象的c a d c a m 应用软件设计方法 c a d c a m 应用软件设计与实现阶段着重考虑如何描述设计软件结构 实 现信息处理方法 将设计模型转换成程序设计方法 面向对象 o b j e c to r i e n t e d o o 技术是一种与传统软件工程的功能方法 完全不同的 以对象为中心的方法 它不仅是一种程序设计技术 更重要的是 体现了一种思维方法 下面我们从认知方法学和程序设计方法学两方面来描述 o o 技术的基本特征 从认知方法学角度来看 o o 技术是属于思维科学中一项工程技术 o o 方法学是属于思维科学中的一项技术科学 0 o 方法学认为 客观世界是由各 种 对象 组成的 任何事物都是对象 每一个对象都有自己的运动规律和内 部状态 每个对象都属于某个对象类 是该对象类的一个元素 o o 方法学还 认为 通过类比发现对象之间的相识性 即对象间的共同属性 并以此为基础 形成对象类 这些对象类按 类 子类 和 父类 的概念构成树型层次关 系 如无特殊说明 处于下一层次上的对象类可以自然继承位于上 层次上的 对象属性 对已分成类的各个对象 可以通过定义一组 方法 来说明该对象 的功能 对象之间的相互联系通过传递 消息 来完成 消息就是通知对象去 完成一个允许作用于该对象的操作 至于该对象如何完成这个操作的细节 则 封装在相应对象的定义中 对于外界是隐蔽的 从程序设计方法学角度来看 0 o 方法是一种与传统软件工程的功能方法 完全不同的 以对象为中心的方法 对象是数据和有关操作的封装体 每个对 象都是某一对象类 c l a s s 的实例 i n s t a n c e 一个类实质上定义的是一种对 象类型 描述了属于该类型的所有对象的性质 从程序设计学角度看 o o 方 法有如下基本特征 a o o 方法突破了传统的将数据与操作分离的模式 较好地实现了数据 的抽象 b 0 o 方法的继承性体现了概念分离抽象 在对象继承结构上 下层对 象继承上层对象的特征 属性和操作 因而面向对象方法便于软件的演化和增 量式扩充 c o o 方法用消息将对象动态链接在一起 与传统的模块调用不同 0 o 7 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 方法采用了灵活消息传递方式 从而便于在概念上体现并行和分布式结构 d o 0 方法具有信息隐藏性 对象将其实现细节隐藏在其内部 因此无 论是对象功能的完善扩充 还是对象实现的修改 影响仅限于该对象内部 而 不会对外界产成影响 这就保证了面向对象软件的可构造性和易维护性 1 1 1 1 4 4o p e n g l 三维图形技术 o p e n g l 是近年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准 它是在s g i 等 多家世界闻名的计算机公司的倡导下 以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的 一个通用共享的开放式三维图形标准 目前 包括m i c r o s o f t s g i i b m d e c s u n h p 等大公司都采用了o p e n g l 做为三维图形标准 许多软件厂商也纷 纷以o p e n g l 为基础开发出自己的产品 其中比较著名的产品包括动画制作软 件s t u d i o m a x 仿真软件o p e ni n v e n t o r v r 软件w o r l dt o o lk i t c a m 软件 p r o e n g i n e e r g i s 软a r c i n f o 等等 值得一提的是 随着m i c r o s o f t 公司在 w i n d o w sn t 和w i n d o w s 中提供了o p e n g l 标准及o p e n g l 三维图形加速卡的 推出 o p e n g l 在微机中有了广泛的应用 同时也为广大用户提供了在微机上 使用以前只能在高性能图形工作站上运行的各种软件的机会 o p e n g l 实际上是一个开放的三维图形软件包 它独立于窗口系统和操作 系统 以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植 o p e n g l 可以与v i s u a lc 紧密接口 便于实现机械手的有关计算和图形算法 可保证 算法的正确性和可靠性 o p e n g l 使用简便 效率高 它具有七大功能 1 建模 o p e n g l 图形库除了提供基本的点 线 多边形的绘制函数外 还提供了 复杂的三维物体 球 锥 多面体 茶壶等 以及复杂曲线和曲面 如b e z i e r n u r b s 等曲线或曲面 绘制函数 2 变换 o p e n g l 图形库的变换包括基本变换和投影变换 基本变换有平移 旋转 变比 镜像四种变换 投影变换有平行投影 又称正射投影 和透视投影两种 变换 其变换方法与机器人运动学中的坐标变换方法完全一致 有利于减少算 法的运行时间 提高三维图形的显示速度 3 颜色模式设置 o p e n g l 颜色模式有两种 即r g b a 模式和颜色索引 c o l o ri n d e x 4 光照和材质设置 o p e n g l 光有辐射光 e m i t t e dl i g h t 环境光 a m b i e n tl i g h t 漫反射光 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 d i f f u s el i g h t 和镜面光 s p e c u l a rl i g h t 材质是用光反射率来表示 场景 s c e n e 中物体最终反映到人眼的颜色是光的红绿蓝分量与材质红绿蓝分量的 反射率相乘后形成的颜色 5 纹理映射 t e x t u r em a p p i n g 利用o p e n g l 纹理映射功能可以十分逼真地表达物体表面细节 6 位图显示和图象增强 图象功能除了基本的拷贝和像素读写外 还提供融合 b l e n d i n g 反走样 a n t i a l i a s i n g 和雾 f o g 的特殊图象效果处理 7 双缓存 d o u b l eb u f f e r i n g 动画 双缓存即前台缓存和后台缓存 简而言之 后台缓存计算场景 生成画面 前台缓存显示后台缓存已画好的画面 此外 利用o p e n g l 还能实现深度暗示 d e p t hc u e 运动模糊 m o t i o n b l u r 等特殊效果 从而实现了消隐算法 1 6 1 1 4 5c a d c a m 系统的开发内容和步骤 用户的c a d c a m 系统一般是面向产品的如机械零件设计系统 模具设计 系统 液压或气动元件设计系统 发动机设计系统等 通用c a d c a m 软件无 论功能多么完善 对于某些特定的用户有特定的运行环境 其运行效率不一定 高 甚至不能满足特殊用户的特殊应用功能 专业人员必须按照设计工作或行 业的需要进行二次的开发 开发工作主要有 1 建立产品数据模型和产品数据库 2 建立产品参数化图形数据库和国家标准数据库 3 1 对通用c a d c a m 系统软件做国际化和国家标准数据库 4 1 建立产品数据库管理系统 5 特殊工作符号和汉字处理 6 各个子系统与数据库集成 包括主控模块及接1 2 1 设计和数据交换接口程 序设计 n 用户交互界面的设计 c a d c a m 系统的模块设计 包括 用户界面设计 交互图形设计 对话 系统及应用接口设计 专用设计方法库 应用程序模块 的设计 产品数据库 的设计 文件管理系统设计 数据管理系统设计 图形管理系统设计 产品信 息系统设计 零部件设计 装配设计 参数化设计 图形库创建工具及管理工 具设计 其他如运动分析 有限元分析 c a p p n c 模块设计与接口设计 1 7 2 0 j 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 1 5 本论文的研究内容 本论文在计算机图形学和计算机数控技术上 结合玻璃磨边加工工艺 研 制数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统 第一章是绪论 阐述了本论文的研究背景及重要意义 介绍了国内外数控 异形玻璃磨边c a d c a m 系统发展状况 论述了面向对象c a d c a m 设计的方 法 第二章简要地阐述了数控异形玻璃磨边加工中心系统的特点 组成 性能 和工艺特点 介绍了数控异形玻璃磨边加工中心的工作原理 第三章是系统的总体设计 对数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统 进行了需求分析 根据面向对象的方法给出了图形和路径两个基本类对象 同 时分析了相关功能模块与基本类对象之间的关系 最后 设计出数控异形玻璃 磨边c a d c a m 系统的用户界面 第四章设计与实现了对玻璃加工图形和路径两个基本类对象进行操作的功 能模块 并着重研究了异形玻璃磨边c a d c a m 系统中的关键技术 实现了基 于遗传算法的加工路径优化及抛光轮磨损补偿 第五章对数控异形玻璃磨边加工中心c a d 2 a m 系统进行了测试和维护 并对加工实例进行了分析 研究表明设计的c a d c a m 系统是有效和可行的 最后是本文的研究内容总结 并对数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统的发展做了展望 l o 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 第二章数控异形玻璃磨边加工中心系统 2 1 数控异形玻璃磨边加工中心简介 数控异形玻璃磨边加工中心就是将计算机数控技术和c a d c a m 技术结合 在一起 可对异形 各种复杂图形 玻璃 进行满足各种磨边工艺的加工 达 到了低成本 高质量 高效率的加工要求 是一种完全可以替代手工操作的高 度自动化设备 数控异形玻璃磨边加工中心 也可称之为机器人化玻璃磨边机 该设备实 现了五轴四联动加工 具有主刀库和副刀库 在加工过程中可实现磨轮自动更 换 该设备可满足不同形状要求的玻璃磨边深加工 效率高 质量保证 如图 2 1 i 所示为浙江大学现代制造工程研究所和和杭州华迪机械有限公司联合开 发的数控异形玻璃磨边加工中心的外形图 图2 1 1 数控异形玻璃磨边加工中心外形图 2 2 数控异形玻璃磨边加工中心系统组成 数控异形玻璃磨边加工中心机床的组成主要包括 床身 横梁 加工砂轮 伺服电机 刀库及真空吸附装置 真空吸附装置是用来装卡玻璃的 横梁的设 计也较为关键 因为横梁是移动部件 其惯性的大小直接影响加工的动态性能 浙江大学硕士学位论文数控异形玻璃磨边加工中心c a d c a m 系统研究 其设计的准则是在保证足够的刚度的前提下尽量减小横梁的重量 加工臂的设 计也是这一设计准则 刀库是用于安放刀具的 设计为可安装1 0 把刀具 该数控系统是五轴四联动的 其中两轴为同步轴 基本结构如图2 2 1 所 示 五个轴分别是x y y z c 图中为m l m 2 m 2 m 3 m 4 图2 2 1 中m 5 是变频电机 由p m a c 卡对变频器进行控制 其中y 和y 是同 步控制