刀具CAD技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

2013-05-25 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

0 引言

復雜刀具 ,主要是指拉削刀具和齒輪刀具,它們在機械工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。拉削刀具是一種高生產(chǎn)率、高精度的多齒刀具,可用于加工各種形狀的通孔、槽及不同形狀的外表面。常用的拉刀主要有圓孔拉刀、矩形花鍵拉刀、鍵槽拉刀、漸開線花鍵拉刀和成形孔拉刀等。齒輪刀具是用于加工齒輪齒形的刀具。常用的齒輪刀具主要有齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、蝸輪滾刀、花鍵滾刀、圓弧齒輪滾刀、鐘表齒輪滾刀、花鍵插齒刀和成形銑刀等。設(shè)計復雜刀具時,計算公式復雜,圖表查閱頻繁,繪制工作圖既麻煩又費時。因此,復雜刀具的設(shè)計尤其是非標準復雜刀具設(shè)計,一直是機械制造領(lǐng)域工裝設(shè)計的重大難題之一,是一項專業(yè)性很強的工作,傳統(tǒng)設(shè)計中過多依賴設(shè)計者的素質(zhì)和經(jīng)驗,重復計算多,設(shè)計品質(zhì)不高,設(shè)計周期長,并直接影響零件品質(zhì),同時影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要。

計算機輔助設(shè)計CAD(computer aided design)技術(shù)是作為計算機技術(shù)、信息技術(shù)在機械制造業(yè)中應(yīng)用的一項基礎(chǔ)技術(shù),在機械設(shè)計、制造領(lǐng)域中獲得了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。我國許多高校、研發(fā)機構(gòu)和企業(yè)單位對(泊。技術(shù)在復雜刀具設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了一系列的研究及開發(fā),推動和發(fā)展了復雜刀具CAD技術(shù)。

    1 復雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

    1.1 復雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展歷程

CAD技術(shù)起步于20世紀50年代后期,1963年美國麻省理工學院(MIT)I.E.Sutherland在其博士論文中提出的SKETCHPAD系統(tǒng)被公認為交互式圖形生成和顯式技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),而它的基礎(chǔ)理論和技術(shù)至今還是CAD技術(shù)的基礎(chǔ)。由于當時計算機系統(tǒng)的功能較低、價格較貴,早期的CAD技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用工作,主要集中在汽車、飛機等大工業(yè)集團,而技術(shù)經(jīng)濟力量比較薄弱的刀具生產(chǎn)部門并沒有跟蹤起步。但實際上早在20世紀50年代,美國的Barter Colman 公司和Fellows公司等,就已應(yīng)用計算機進行齒輪刀具齒形的設(shè)計計算,有效地提高了齒輪刀具的設(shè)計速度和精度。
我國刀具生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用計算機技術(shù)的時間較晚,水平也相對比較落后。20世紀70年代初,廣州工具廠等單位才開始應(yīng)用國產(chǎn)計算機進行少量的復雜刀具齒形設(shè)計計算。成都工具研究所趙毅等人以適合計算機特性為出發(fā)點,系統(tǒng)地整理出齒輪刀具設(shè)計的公式和有關(guān)圖表,同時在DJS-130小型計算機上,編制了BASIC語言程序,可實現(xiàn)齒輪刀具齒形設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算的自動化,這是國內(nèi)第一篇介紹應(yīng)用計算機進行復雜刀具齒形設(shè)計計算的文獻。
到了20世紀80年代中期,改革開放政策為我國的技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展帶來了強大活力,我國刀具行業(yè)應(yīng)用計算機技術(shù)取得了長足的進步。1986年,哈爾濱工業(yè)大學承擔的黑龍江省科委項目"切削刀具的CAD技術(shù)"通過了黑龍江省科委組織的鑒定。該項課題在以IBMPC/XT為主機的CAD系統(tǒng)上研制了鐘表小模數(shù)圓弧、花鍵拉刀、花鍵滾刀、蝸輪滾刀、螺旋溝成形銑刀和插齒刀等六種刀具的CAD軟件,可完成這些刀具的全部設(shè)計資料的存儲與檢索,并能完整的繪制刀具工作圖,同時可完成部分刀具切削過程的計算機仿真,該項研究成果已分別在哈爾濱第一工具廠、北京手表廠、丹東手表廠等企業(yè)應(yīng)用,鑒定委員會認為該項技術(shù)成果屬國內(nèi)先進水平,并是國內(nèi)首次鑒定的復雜刀具CAD技術(shù),對我國刀具CAD技術(shù)研發(fā)是個良好的開端。該項成果在1987年獲黑龍江省首屆計算機優(yōu)秀軟件二等獎。這可能是我國刀具行業(yè)第一個符合CAD構(gòu)思的軟件系統(tǒng)。緊接著"七五"期間成都工具研究所與成都科技大學、西安交通大學、哈爾濱工業(yè)大學和華中理工大學等單位共同承擔了國家重點科技攻關(guān)項目中"復雜刀具CAD系統(tǒng)開發(fā)"的專題(項目編號:75一52一03一18)。該項目系統(tǒng)研究了刀具CAD的方法和技術(shù)并在微機系統(tǒng)和Apollo工作站上開發(fā)了一批常用復雜刀具的CAD應(yīng)用軟件,取得了一定的成果。摸索出的微機CAD技術(shù),比較完整、實用,具有一定的推廣價值。成都工具研究所薛進才閉系統(tǒng)論述刀具CAD技術(shù)的內(nèi)涵、支持環(huán)境、技術(shù)經(jīng)濟意義,首次提出自動設(shè)計型CAD系統(tǒng)、交互設(shè)計型CAD系統(tǒng)和人工智能型CAD系統(tǒng)等三種刀具CAD系統(tǒng)的概念,并對我國刀具CAD技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提出了幾點意見。華中工學院路亞衡等人首先提出了刀具CAD 的智能化問題,論述了專家系統(tǒng)的基本技術(shù),用宏LISP語言編制剃齒刀專家系統(tǒng),初步實現(xiàn)了剃齒刀設(shè)計的智能化。復雜刀具設(shè)計專家系統(tǒng)的建立,可以顯著提高設(shè)計速度和設(shè)計品質(zhì),增強產(chǎn)品的競爭能力,它和傳統(tǒng)的CAD設(shè)計方法相比較,具有更大的優(yōu)越性。天津大學董文武等人以齒輪滾刀為例,論述了復雜刀具設(shè)計軟件的構(gòu)成和設(shè)計思路,在IBMIPC/XT,微機和MD一100型智能化繪圖機組成的個人CAD系統(tǒng)上進行了復雜刀具設(shè)計軟件的開發(fā),軟件可完成多種齒輪滾刀的設(shè)計與繪圖工作。大連理工大學康德純等人針對高級程序語言與繪圖軟件間的信息傳遞問題,研究開發(fā)了實用性較強的TBAuto軟件包,利用結(jié)構(gòu)化程序語言TRUEBASIC編程,有效解決了高級語言與AutoCAD之間的信息傳輸問題。所有這些為"八五"期間重點推廣復雜刀具CAD技術(shù)起到了良好的促進作用。
進人20世紀90年代以后,原國家科委等八個部委聯(lián)合組成CAD應(yīng)用工程協(xié)調(diào)小組,在全國正式開始實施CAD應(yīng)用工程,確定了以"甩圖板"- 實現(xiàn)繪圖設(shè)計自動化作為推廣應(yīng)用CAD技術(shù)的突破口,因此也推動了我國復雜刀具CAD技術(shù)的快速發(fā)展。華東交通大學蔣先剛等人介紹了插齒刀CAD圖形輸出系統(tǒng)研制的基本原理,將樹形結(jié)構(gòu)及圖形塊組成理論應(yīng)用于插齒刀工作圖的集成上,同時研究了插齒刀圖形接口文件的設(shè)計。沈陽工業(yè)大學杜信廉等人論述了復雜刀具CAD支撐軟件的組成、開發(fā)原則,為我國通用復雜刀具CAD軟件的開發(fā)提出了基本思路。哈爾濱科技大學譚光宇等人詳細介紹了復雜刀具系統(tǒng)軟件開發(fā)中的一些關(guān)鍵技術(shù),打破了傳統(tǒng)的程序設(shè)計模式,充分利用各種語言優(yōu)勢,進行混合編程,開發(fā)了用戶截面友好、計算處理迅速的高效軟件包,開發(fā)的軟件包能完成4大類10余種各工具廠、機床廠、汽車廠等較為通用的復雜刀具的設(shè)計,覆蓋面較大。山東工業(yè)大學楊軍等人利用c語言和AutoCAD軟件開發(fā)了一個新型的、用戶界面友好的、集齒輪刀具和拉刀的查詢、選型、設(shè)計、計算、刀具工作圖繪制和刀具工藝文件編制于一體的CAD系統(tǒng),極大地提高了復雜刀具設(shè)計的精度和效率。太原重型機械學院賈育秦等人根據(jù)準雙曲面齒輪的嚙合原理建立了切削準雙曲面齒輪的幾何模型,采用幾何體素構(gòu)造法和變差幾何法參數(shù)化實體造型來實現(xiàn)模型的快速實時生成,從而提高了運算速度、處理功能和應(yīng)用的靈活性。天津理工學院肖明等人以齒輪滾刀為例介紹在Windows環(huán)境下開發(fā)刀具CAD系統(tǒng)的方法,借助于ADS用C語言對AutoCAD進行二次開發(fā),將C語言結(jié)構(gòu)化編程、運行效率高的特點與AutoCAD環(huán)境強大的繪圖功能結(jié)合起來,從而實現(xiàn)了齒輪滾刀的參數(shù)化繪圖。

1.2 復雜刀具CAD技術(shù)的現(xiàn)狀

不難看出,到20世紀末,復雜刀具CAD技術(shù)基于DOS系統(tǒng)環(huán)境下,主要側(cè)重于CAD系統(tǒng)的模型建立、算法研究、參數(shù)化繪圖和系統(tǒng)構(gòu)成的討論。進人21世紀后,面向?qū)ο笳Z言開始日趨廣泛地應(yīng)用到復雜刀具CAD系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計中來,使復雜刀具CAD系統(tǒng)具有良好的人機對話功能。第一汽車集團公司工具廠尹宏偉利用VB6.0和AutoCAD開發(fā)出一套集設(shè)計計算、參數(shù)查詢、繪圖輸出、刀具信息管理和齒形包絡(luò)模擬等功能于一體的集成化插齒刀CAD系統(tǒng),提高了插齒刀的設(shè)計效率和品質(zhì),其齒形的精確設(shè)計和可視化模擬為插齒刀的數(shù)控加工奠定了基礎(chǔ)。中南大學毛志紅等人應(yīng)用 ObjectARX,開發(fā)工具MFC的對話框以及數(shù)據(jù)庫管理技術(shù),開發(fā)了小模數(shù)齒輪滾刀CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)可優(yōu)化滾刀設(shè)計參數(shù),自動校核齒背鏟磨,實現(xiàn)齒輪刀具快速可靠的設(shè)計。同時,隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,專家系統(tǒng)技術(shù)日益運用到復雜刀具的設(shè)計與制造領(lǐng)域中。華南理工大學邵明等人應(yīng)用空間嚙合的基本原理,建立了滾刀刃形和鏟磨砂輪廓形的計算通式;并利用CAD/CAM技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù),開發(fā)出了實用的滾刀設(shè)計制造專家系統(tǒng)。四川大學王玫等人根據(jù)漸開線插齒刀設(shè)計的特點,分析了漸開線插齒刀設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù),即變位系數(shù)和齒數(shù)的合理選擇,進而提出一種實用的漸開線插齒刀的方法- 漸開線插齒刀CAD專家系統(tǒng)的模式,大大提高了設(shè)計效率和品質(zhì)。
近幾年產(chǎn)品設(shè)計從二維繪圖發(fā)展到三維建模不能不說是個質(zhì)的飛躍,對機械制造業(yè)來說具有不可代替的深遠意義,同期國內(nèi)外出現(xiàn)了眾多優(yōu)秀的商業(yè)化三維建模軟件,如美國EDS公司的UG、Theorem公司的Solidworks,PTC公司的proeNGINEER,國內(nèi)北航海爾軟件有限公司的CAXA實體設(shè)計等。這些軟件為復雜刀具的CAD技術(shù)提供了新的平臺,國內(nèi)許多高校都展開了針對復雜刀具三維建模技術(shù)的研究工作。西北工業(yè)大學吳占陽等人在UG環(huán)境下通過對矩形花鍵滾刀三維參數(shù)化建模過程的分析,提出了將特征參數(shù)化和草圖參數(shù)化結(jié)合進行三維建模的方法,實現(xiàn)了復雜刀具參數(shù)化三維建模。
綜上所述,復雜刀具CAD技術(shù)研發(fā)從早期基于DOS系統(tǒng)環(huán)境對CAD系統(tǒng)的模型建立、算法研究、系統(tǒng)構(gòu)成的討論,之后逐漸經(jīng)歷視窗平臺早期的參數(shù)化繪圖、模型庫建立,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到設(shè)計多種復雜刀具的CAD專家系統(tǒng)、三維實體建模以及和CAM技術(shù)接軌。由此可見,近幾年復雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展進步巨大,成績斐然。

    2 復雜刀具CAD技術(shù)發(fā)展趨勢

顯然,復雜刀具CAD技術(shù)還處于研究和發(fā)展之中,目前尚未形成完善的商用復雜刀具CAD系統(tǒng)。圍繞企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計能力的提高和網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境的普及,復雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾個方面:
a) 集成化:理想的復雜刀具CAD系統(tǒng)要能夠輔助工程設(shè)計人員完成大部分的設(shè)計任務(wù),幫助他們解決設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題,能夠勝任從需求分析到最終產(chǎn)品幾何模型的建立,加工指令的生成,直至技術(shù)文檔準備的設(shè)計全過程。理想的CAD系統(tǒng)應(yīng)能支持產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM),甚至支持MRP11管理規(guī)范。集成化的CAD系統(tǒng)把各種功能模塊集成在一起因而滿足了各種功能要求。它涉及的技術(shù),如復雜刀具數(shù)字化定義和建模技術(shù)、PDM、過程協(xié)調(diào)與管理、復雜刀具數(shù)據(jù)交換、CAX(com puteraidedx)工具、DFx(designforx)工具等;
b) 網(wǎng)絡(luò)化:網(wǎng)絡(luò)化與集成化技術(shù)是相輔相成的?，F(xiàn)有的CAD軟件系統(tǒng)主要是單用戶的CAD軟件,單臺計算機的處理能力限制了其應(yīng)用范圍。在市場競爭激烈的今天,除了高品質(zhì)的刀具設(shè)計外,還要求高速度設(shè)計,這就對CAD軟件功能提出了更高的要求。適應(yīng)新的設(shè)計需求的復雜刀具CAD系統(tǒng),除了應(yīng)具有原有刀具CAD軟件的所有優(yōu)點,還要求能夠提供優(yōu)越的協(xié)同設(shè)計環(huán)境、豐富的素材數(shù)據(jù)庫和強大的網(wǎng)絡(luò)功能?；赪eb的網(wǎng)絡(luò)刀具CAD系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)及Web技術(shù)尋求設(shè)計中心的支持與協(xié)作,提供遠端刀具CAD計算與設(shè)計工具、異地異構(gòu)服務(wù),改善遠程設(shè)計的工作模式;
C) 智能化:智能CAD是CAD技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。智能化的復雜刀具CAD不僅僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與CAD技術(shù)相結(jié)合,更要深人研究人類設(shè)計的思維模型,并用信息技術(shù)來表達和模擬它,盡可能實現(xiàn)自動化設(shè)計。同時,還應(yīng)考慮材料的庫存管理、生產(chǎn)計劃、財務(wù)管理和銷售等方面的內(nèi)容,實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工程分析、加工、裝配、測試和管理集成一體化,同時通過計算機通訊、控制完成信息共享和交換,各個部門協(xié)調(diào)一致,統(tǒng)籌安排,從而降低成本,縮短設(shè)計和生產(chǎn)周期。使所設(shè)計的復雜刀具達到品質(zhì)高、成本低、周期短,以便在先進制造模式下贏得市場競爭;
d)綠色化:隨著21世紀制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求,綠色刀具是刀具生產(chǎn)企業(yè)面臨的一個重要課題。未來的復雜刀具CAD系統(tǒng)針對具體刀具,收集、整理面向環(huán)境設(shè)計的資料,形成指導設(shè)計的設(shè)計指南,建立綠色產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計工具平臺,并與其它CAD系統(tǒng)集成,形成集成的設(shè)計環(huán)境。充分考慮復雜刀具設(shè)計、制造、使用到報廢整個產(chǎn)品生命周期中不產(chǎn)生環(huán)境污染或環(huán)境污染最小化,符合環(huán)境保護要求,對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少,節(jié)約資源和能源,使資源利用率最高,能源消耗最低。

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