二级圆柱齿轮减速器箱体零件的建模与加工

1、 二级圆柱齿轮减速器箱体零件的建模与加工司粉燕(陕理工机械工程学院机械电子工程专业043班，陕西 汉中 723003)指导教师：侯红玲摘要 本文介绍了用三维软件Pro/ENGINEER对二级圆柱齿轮减速器机座的建模设计及加工，运用数控机床及数控加工技术对二级圆柱齿轮减速器机座进行加工工艺的设计，用Pro/ENGINEER数控加工对机座进行仿真加工并且自动生成数控加工程序。关键词 减速器机座,Pro/ENGINEER三维建模， Pro/E数控仿真加工。Gear reducer two box parts modeling and processing SiFenyan(Grade04,Class

2、3,Machinery and Electronic Engineering.Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, Shaanxi)Tutor:HouHonglingAbstract: This paper describes a new three-dimensional software Pro / ENGINEER pair of two cylindrical gear reducer machine design and modeling processing and use of CNC machine tools a

3、nd CNC machining technology on two cylindrical gear reducer Block Machine Design Process, using Pro / ENGINEER NC machine to simulate the processing and automatic generation of CNC machining proceduresKey words: Reducer seat; Pro / ENGINEER 3D Modeling ; Pro / ENGINEER NC machining simulation 目录第1章.

4、绪论31.1 Pro/E简介 3 1.2数控技术及自动加工的发展趋势71.3圆柱齿轮减速器的介绍18第2章.二级圆柱齿轮减速器机座的设计与分析.202.1.二级圆柱齿轮减速器箱体的结构分析.202.2.减速器机座的工艺分析.202.3毛坯的选择.212.4.基准选择.212.5.拟定机械加工工艺路线.212.6.确定机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸.222.7.机床的选取.252.8.确定切削用量.39第3章.二级圆柱齿轮减速器底座的建模.43第4章.二级圆柱齿轮减速器底座的加工50第5章.致谢.56第6章.参考文献.57 第1章.绪论 1.1Pro/E简介 PRO/EGGINEER软件是一个

5、CAD/CAM/CAEICAPP集成化的机械设计软件，它为机计、分析、加工一体化提供了一整套的解决方案，本论文的很大一部分是基于该软件的。Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特性的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一

6、基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 ProEngineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中

7、功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为

8、方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下

9、： 1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）； 2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）； 3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。 4支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，ProPROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。 5贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER的基本功能. ProENGINEER是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。Pro/ASSEMBLY是 Pro

10、/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在 Pro/Engineer环境下运行，它具有如下功能： 1在组合件内自动零件替换(交替式) 2规则排列的组合(支持组合件子集) 3组装模式下的零件生成(考虑组件内已存在的零件来产生一个新的零件)4 Pro/ASSEMBLY里有一个 Pro/Program模块，它提供一个开发工具。使用户能自行编写参数化零件及组装的自动化程序，这种程序可使不是技术性用户也可产生自定义设计，只需要输入一些简单的参数即可。5组件特征(绘零件与，广组件组成的组件附加特征值如：给两中零件之间加一个焊接特征等）。 ProENGINEER 提供了一个全面的电缆布线功能，它为在Pr

11、o/ENGINEER的部件内真正设计三维电缆和导线束提供了一个综合性的电缆铺设功能包。三维电缆的铺设可以在设计和组装机电装置时同时进行，它还允许工程设计者在机械与电缆空间进行优化设计。Pro/CABLING功能包括： 1新特征包括：电缆、导线和电线束； 2用于零件与组件的接插件设计； 3在Pro/ENGINEER零件和部件上的电缆、导线及电线束铺设； 4. 生成电缆/导线束直线长度及BOM信息； 5从所铺设的部件中生成三维电缆束布线图；6对参数位置的电缆分离和连接。7空间分布要求的计算，包括干涉检查； 8电缆质量特性，包括体积、质量惯性、长度； 9用于插头和导线的规定符号。 ProCAT Pr

12、oCAT是选用性模块，提供 ProENGINEER与 CATIA的双向数据交换接口，CATIA的造型可直接输入 ProENGINEER软件内，并可加上 ProENGINEER的功能定义和参数工序，而 ProEngineer也可将其造型输出到 CATIA软件里。这种高度准确的数据交换技术令设计者得以在节省时间及设计成本的同时，扩充现有软件系统的投资。 五、ProCDT Pro/CDT是一个 Pro/ENGINEER的选件模块，为 CADAM 2D工程图提供 PROFESSIONALCADAM与 Pro/ENGINEER双向数据交换直接接口。CADAM工程图的文件可以直接读入Pro/ENGINEE

13、R，亦可用中性的文件格式，经由PROFESSIONAL CADAM输出或读入任何运行 Pro/ENGINEER 的工作站上。Pro/CDT避免了一般通过标准文件格式交换信息的问题，并可使新客户在转入 Pro/ENGINEER后，仍可继续享用原有的 CADAM数据库。 ProCMPOSITE Pro/COMPOSITE是一个 Pro/ENGINEER的选件模块，需配用 Pro/ENGINEER及Pro/SURFACE环境下运行。该模块能用于设计、复合夹层材料的部件。Pro/COMPOSITE在Pro/ENGINEER的应用环境里具备完整的关联性，这个自动化工具提供的参数化、特征技术适用于整个设计

14、工序的每个环节。 ProDEVELOP Pro/DEVELOP是一个用户开发工具，用户可利用这软件工具将一些自己编写或第三家的应用软件结合并运行在 Pro/ENGINEER软件环境下。Pro/IDEVELOP包括C语言的副程序库,用于支援 Pro/ENGINEER的交接口，以及直接存取Pro/ENGINEER数据库。 ProDESIGN Pro/DESIGN可加速设计大型及复杂的顺序组件，这些工具可方便地生成装配图层次等级，二维平面图布置上的非参数化组装概念设计，二维平面布置上的参数化概念分析以及3D部件平面布置。Pro/DESIGN也能使用2D平面图自动组装零件。它必须在 Pro/Engin

15、eer环境下运行。其功能有： 13D装配图的连接层次等级设计； 2整体与局部的尺寸、比例和基准的确定； 3情况研究-参数化详细草图（2D解算器、工程记录和计算）绘制； 4组装：允许使用3D图块表示零组件了定位和组装零件位置； 5自动组装。 ProDETAIL Pro/ENGINEER提供了一个很宽的生成工程图的能力，包括：自动尺寸标注、参数特征生成，全尺寸修饰，自动生成投影面，辅助面，截面和局部视图，Pro/DETAIL扩展了Pro/ENGINEER这些基本功能，允许直接从Pro/ENGINEER的实体造型产品按。ANSI/ISO/JIS/DIN标准的工程图 Pro/DETAIL支持的功能包括

16、：1支持ANSI，ISO，JIS和DIN标准； 2全几何公差配合： * 特征控制标志 * 基本尺寸标注 * 公差基准面和轴； 3 测量标准 * 毫米尺寸 * 公差尺寸 * 角度尺寸 4字符高度控制； 5图内可变字符高度； 6用户自定义字体； 7图内多种字体； 8双尺寸标准； 9纵向尺寸标注； 10扩展视图功能： * 零组件剖视图 * 自动画面剖线 * 半剖图 * 多暴露视图 * 旋转面剖视图 * 比例视图（所有视图不同比例） * 轴测图(ISO标准); 11表面光洁度标记。12用户自定义绘图格式和绘图格式库； 13图表； 14用于Pro/DETAIL设置隐含标准的配置文件； 15用于注释表面光

17、洁度和球星的多引线种类； 16尺寸与尺寸线平行； 17可选择的消隐线显示观察； 18具有输入用于注释的ASCII文件能力； 19多层零件图和布置图。 Pro/DETAIL也包括2D非参数化制图功能，可用于生成不需要3D模型的产品图。 Pro/DETAIL提供下列功能： 1具有读其它符合 IGES40、SET和 DXF标准的 CAD系统生成的图形能力。 2具有修改输入图形来影响设计修改或更新能力。 3具有利用 Pro/PROJECT提供图形储存、恢复等功能来管理这些图形的能力。 4具有通过 IGES到 PTC支持的绘图仪输出这些图形能力。 5具有将非相关性几何体加到 Pro/DETAIL图形的能

18、力。 6具有生成用户自定义的符号和符号库的能力。 7具有生成用户自定1.2数控技术及自动加工的发展趋势1.2.1数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提

19、高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从EMO200

20、1展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。 在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提

21、高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 2. 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动

22、加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可

23、在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。 3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化

24、生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机

25、床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO

26、2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。4. 重视新技术标准、规范的建立（1） 关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OM

27、AC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。（2）关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命

28、周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。 目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项

29、计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。数控机床的产生1948年美国八森兹公司在研制加工直升飞机叶片轮廓样板时提出了数控机床的初始设想，后来与麻省理工学院合作开始了三坐标铣床数控化的研究工作，1952年公开发表了世界上第一台数控机床的样机试制成功，它采用电

30、子管元件，可以直线插补。1955年经改进后进入实用阶段，在加工复杂的曲面零件中发挥了很大的作用。在50年代由于价格上和技术上的原因数控机床局限于航空工业中应用，到60年代由于晶体管的发展，提高了数控系统得可靠性、价格也开始下降，民用工业开始使用数控机床，其中多数是数控钻床，数控冲床等点位控制机床。数控机床的发展至今已有几十年的历史，其与电子技术、自动化技术、计算机技术的发展密切相关。1.2.2数控机床的特点1.加工精度高数控机床加工精度一般在0.005-0.100mm之间 ，更重要的是数控机床加工精度不受零件形状复杂程度的影响，数控机床消除了操作者的人为误差，提高了同批零件加工尺寸的一致性，使

31、产品质量稳定可靠。2.生产效率高使用数控机床加工，对工模具的要求降低了，省去了划线工作，使加工准备时间缩短。在加工中由于数控机床有较高的重复精度，可以只做首件检验工作，简化了检验工作，节省了检验时间。刀具也可自动更换，使多道工序可以连续加工，缩短加工周期，这些方面都使数控机床加工的生产效率显著提高。3.改善劳动条件数控机床调整后，输入纸带可自动连续加工直至加工完毕自动停车，简化了工人的操作，减轻了工人的劳动强度。有利于生产管理4.有利于向计算控制和管理发展1.2.3机床数控系统的组成1.信息载体又称输入介质，常用的载体有穿孔带，穿孔卡，磁带，其中以穿孔带最为常用，它载有在数控机床上加工一个零件

32、所必需的各种信息。2.数控装置数控装置接受载体送来的信息经计算和处理后去控制机床的动作，当然这些计算和处理的步骤都是预先安排好的，这种安排可以用专用计算机固定接线的硬件来实现，也可用预先放在小型通用计算机或微机内的系统程序来实现。3.伺服系统伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分，它的关键问题是它的响应速度和精度。数控机床的伺服系统按其控制原理可分为以下三类。 (1).开环伺服系统（如图1.1）放大步进电机减速齿轮丝杆螺母工作台数控装置工作台 图1.1(2).闭环伺服系统如图1.2所示，采用直线位移测量元件，测量机床移动部件工作台（或主轴箱）的位置，并将测量结果送回与数控装

33、置命令的移动量相比较，二者不相等有差值时，将此差值放大控制伺服电机带动工作台继续移动，直至测量值与命令值为零或接近于零时停止移动。比较装置减速齿轮放大伺服电机数控装置丝杠螺母工作台测量装置 图1.2(3).半闭环系统如图1.3所示，采用装在丝杠上或伺服电机轴上的角位移测量元件，测量丝杠或电机轴的转动量间接的测量工作台的位移量。数控装置比较装置放大伺服系统工作台丝杠螺母减速齿轮测量装置 图1.34.数控机床它是在普通机床的基础上发展起来的，但也作了很多改进和提高，如采用轻巧的滚珠丝杠传动，采用滚动导轨或素导轨消除爬行，采用刀库及机械手的自动换刀装置，并对机床结构进行改造以提高刚度和适应数控系统数

34、控加工技术的概述5.数控编程及其发展 数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的 环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。下面就对数控编程及其发展作一些介绍。(1).数控编程的基本概念 数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutterlocationpoint简称CL点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。(2

35、).数控编程技术的发展概况为了解决数控加工中的程序编制问题，50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（AutomaticallyProgrammedTool）。其后，APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APTAC（Advancedcontouring）(增加切削数据库管理系统)和APT/SS（SculpturedSurface）(增加雕塑曲面加工编程功能)等先进版。采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几

36、何元素.APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问

37、题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。在集成化方面，以开发符合STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。 (3). NC刀具轨迹生成方法研究发展现状数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控

38、加工程序。下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。(4).基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为CSG和BREP混合表示的），它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发

39、，是特征加工的基础。实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。本文从系统需要角度出发，在ACIS几何造型平台上实现了这种基于点、线、面和实体的数控加工。(5).基于特征的NC刀轨生成方法参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。W.R.Mail和A.J.Mcleod在他们的研究中给出了一

40、个基于特征的NC代码生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。目前开发的系统只适用于2.5D零件的加工。LeeandChang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。这个系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征。最小的长方块与最终产品模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成三步完成：（1）、切削多面体特征；（2）、切削自

41、由曲面特征；（3）、切削相交特征。JongYunJung研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。文章把基于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针对几种基本特征（孔、内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP（InterProgramming）技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。另外，JongYunJong还在他1991年的博士论文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路径。特征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。但特征加工不同于实体加

42、工，实体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同：从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体，不带有任何功能语义信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工则从本质上解决了上述问题；特征加工具有更多的智能。对于特定的特征可规定某几种固定的

43、加工方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更是如此。如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若CAPP系统能提供相应的工艺特征，那么NCP系统就可以大大减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实现的；特征加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流动，为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。6.数控仿真技术(1).计算机仿真的概念及应用从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种

44、有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有越来越重要的地位。计算机仿真的过程可通过图1所示的要素间的三个基本活动来描述：建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。仿真模型是对系统的数学模型（简化模型）进行一定的算法处理，使其成为合适的形式（如将数值积分变为迭代运算模型）之后，成为能被计算机接受的“可计算模型”。仿

45、真模型对实际系统来讲是一个二次简化的模型。仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响。计算机仿真技术的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域（航空、航天、化工等方面）继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。(2).数

46、控仿真技术的研究现状数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的正确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验。但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。后来又采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹），有相当大的局限性。对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件（如，石蜡、木料、改性树脂和塑料等）来检验加工的切削轨迹。但是，试切要占用数控机床和加工现场。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿

47、真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。从试切环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发

48、展而发展的，包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。(3)直接实体造型法这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运算，工件体的三维模型随着切削过程被不断更新。Sungurtekin和Velcker开发了一个铣床的模拟系统。该系统采用CSG法来记录毛坯的三维模型，利用一些基本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一轨迹运动时所走过的区域。在扫描了每段NC代码后显示变化了的毛坯形

49、状。Kawashima等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树（graftree）表示，即除了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树（octtree）的叶结点。边界结点包含半空间，结点物体利用在这些半空间上的CSG操作来表示。接合树细分的层次由边界结点允许的半空间个数决定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的可视化。用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时太长，于是一些基于观察的方法被提出来。(4).基于图像空间的方法这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。VanHook采用图象空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。他使用类似图形消隐的zbuffer思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿z轴的一个长方体，称为Dexel结构。刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算，见图3，切削过程