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(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

0 引言

復(fù)雜刀具 ,主要是指拉削刀具和齒輪刀具,它們?cè)跈C(jī)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(jì)復(fù)雜刀具時(shí),計(jì)算公式復(fù)雜,圖表查閱頻繁,繪制工作圖既麻煩又費(fèi)時(shí)。因此,復(fù)雜刀具的設(shè)計(jì)尤其是非標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜刀具設(shè)計(jì),一直是機(jī)械制造領(lǐng)域工裝設(shè)計(jì)的重大難題之一,是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中過多依賴設(shè)計(jì)者的素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn),重復(fù)計(jì)算多,設(shè)計(jì)品質(zhì)不高,設(shè)計(jì)周期長(zhǎng),并直接影響零件品質(zhì),同時(shí)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD(computer aided design)技術(shù)是作為計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù),在機(jī)械設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域中獲得了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。我國(guó)許多高校、研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)單位對(duì)(泊。技術(shù)在復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列的研究及開發(fā),推動(dòng)和發(fā)展了復(fù)雜刀具CAD技術(shù)。

    1 復(fù)雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

    1.1 復(fù)雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展歷程

CAD技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代后期,1963年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)I.E.Sutherland在其博士論文中提出的SKETCHPAD系統(tǒng)被公認(rèn)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(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能較低、價(jià)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(jī)等大工業(yè)集團(tuán),而技術(shù)經(jīng)濟(jì)力量比較薄弱的刀具生產(chǎn)部門并沒有跟蹤起步。但實(shí)際上早在20世紀(jì)50年代,美國(guó)的Barter Colman 公司和Fellows公司等,就已應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行齒輪刀具齒形的設(shè)計(jì)計(jì)算,有效地提高了齒輪刀具的設(shè)計(jì)速度和精度。
我國(guó)刀具生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的時(shí)間較晚,水平也相對(duì)比較落后。20世紀(jì)70年代初,廣州工具廠等單位才開始應(yīng)用國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行少量的復(fù)雜刀具齒形設(shè)計(jì)計(jì)算。成都工具研究所趙毅等人以適合計(jì)算機(jī)特性為出發(fā)點(diǎn),系統(tǒng)地整理出齒輪刀具設(shè)計(jì)的公式和有關(guān)圖表,同時(shí)在DJS-130小型計(jì)算機(jī)上,編制了BASIC語(yǔ)言程序,可實(shí)現(xiàn)齒輪刀具齒形設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的自動(dòng)化,這是國(guó)內(nèi)第一篇介紹應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜刀具齒形設(shè)計(jì)計(jì)算的文獻(xiàn)。
到了20世紀(jì)80年代中期,改革開放政策為我國(guó)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了強(qiáng)大活力,我國(guó)刀具行業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。1986年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的黑龍江省科委項(xiàng)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(xiàng)課題在以IBMPC/XT為主機(jī)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(jì)資料的存儲(chǔ)與檢索,并能完整的繪制刀具工作圖,同時(shí)可完成部分刀具切削過程的計(jì)算機(jī)仿真,該項(xiàng)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(huì)認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)成果屬國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平,并是國(guó)內(nèi)首次鑒定的復(fù)雜刀具CAD技術(shù),對(duì)我國(guó)刀具CAD技術(shù)研發(fā)是個(gè)良好的開端。該項(xiàng)成果在1987年獲黑龍江省首屆計(jì)算機(jī)優(yōu)秀軟件二等獎(jiǎng)。這可能是我國(guó)刀具行業(yè)第一個(gè)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(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華中理工大學(xué)等單位共同承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中"復(fù)雜刀具CAD系統(tǒng)開發(fā)"的專題(項(xiàng)目編號(hào):75一52一03一18)。該項(xiàng)目系統(tǒng)研究了刀具CAD的方法和技術(shù)并在微機(jī)系統(tǒng)和Apollo工作站上開發(fā)了一批常用復(fù)雜刀具的CAD應(yīng)用軟件,取得了一定的成果。摸索出的微機(jī)CAD技術(shù),比較完整、實(shí)用,具有一定的推廣價(jià)值。成都工具研究所薛進(jìn)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(jì)意義,首次提出自動(dòng)設(shè)計(jì)型CAD系統(tǒng)、交互設(shè)計(jì)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(duì)我國(guó)刀具CAD技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提出了幾點(diǎn)意見。華中工學(xué)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(yǔ)言編制剃齒刀專家系統(tǒng),初步實(shí)現(xiàn)了剃齒刀設(shè)計(jì)的智能化。復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的建立,可以顯著提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)品質(zhì),增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力,它和傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)方法相比較,具有更大的優(yōu)越性。天津大學(xué)董文武等人以齒輪滾刀為例,論述了復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)軟件的構(gòu)成和設(shè)計(jì)思路,在IBMIPC/XT,微機(jī)和MD一100型智能化繪圖機(jī)組成的個(gè)人CAD系統(tǒng)上進(jìn)行了復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)軟件的開發(fā),軟件可完成多種齒輪滾刀的設(shè)計(jì)與繪圖工作。大連理工大學(xué)康德純等人針對(duì)高級(jí)程序語(yǔ)言與繪圖軟件間的信息傳遞問題,研究開發(fā)了實(shí)用性較強(qiáng)的TBAuto軟件包,利用結(jié)構(gòu)化程序語(yǔ)言TRUEBASIC編程,有效解決了高級(jí)語(yǔ)言與AutoCAD之間的信息傳輸問題。所有這些為"八五"期間重點(diǎn)推廣復(fù)雜刀具CAD技術(shù)起到了良好的促進(jìn)作用。
進(jìn)人20世紀(jì)90年代以后,原國(guó)家科委等八個(gè)部委聯(lián)合組成CAD應(yīng)用工程協(xié)調(diào)小組,在全國(guó)正式開始實(shí)施CAD應(yīng)用工程,確定了以"甩圖板"- 實(shí)現(xiàn)繪圖設(shè)計(jì)自動(dòng)化作為推廣應(yīng)用CAD技術(shù)的突破口,因此也推動(dòng)了我國(guó)復(fù)雜刀具CAD技術(shù)的快速發(fā)展。華東交通大學(xué)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(shí)研究了插齒刀圖形接口文件的設(shè)計(jì)。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)杜信廉等人論述了復(fù)雜刀具CAD支撐軟件的組成、開發(fā)原則,為我國(guó)通用復(fù)雜刀具CAD軟件的開發(fā)提出了基本思路。哈爾濱科技大學(xué)譚光宇等人詳細(xì)介紹了復(fù)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(jì)模式,充分利用各種語(yǔ)言優(yōu)勢(shì),進(jìn)行混合編程,開發(fā)了用戶截面友好、計(jì)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(jī)床廠、汽車廠等較為通用的復(fù)雜刀具的設(shè)計(jì),覆蓋面較大。山東工業(yè)大學(xué)楊軍等人利用c語(yǔ)言和AutoCAD軟件開發(fā)了一個(gè)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(jì)、計(jì)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(fù)雜刀具設(shè)計(jì)的精度和效率。太原重型機(jī)械學(xué)院賈育秦等人根據(jù)準(zhǔn)雙曲面齒輪的嚙合原理建立了切削準(zhǔn)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(shí)體造型來實(shí)現(xiàn)模型的快速實(shí)時(shí)生成,從而提高了運(yùn)算速度、處理功能和應(yīng)用的靈活性。天津理工學(xué)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(yǔ)言對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā),將C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化編程、運(yùn)行效率高的特點(diǎn)與AutoCAD環(huán)境強(qiáng)大的繪圖功能結(jié)合起來,從而實(shí)現(xiàn)了齒輪滾刀的參數(shù)化繪圖。

1.2 復(fù)雜刀具CAD技術(shù)的現(xiàn)狀

不難看出,到20世紀(jì)末,復(fù)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(jìn)人21世紀(jì)后,面向?qū)ο笳Z(yǔ)言開始日趨廣泛地應(yīng)用到復(fù)雜刀具CAD系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中來,使復(fù)雜刀具CAD系統(tǒng)具有良好的人機(jī)對(duì)話功能。第一汽車集團(tuán)公司工具廠尹宏偉利用VB6.0和AutoCAD開發(fā)出一套集設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)效率和品質(zhì),其齒形的精確設(shè)計(jì)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(xué)毛志紅等人應(yīng)用 ObjectARX,開發(fā)工具M(jìn)FC的對(duì)話框以及數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)參數(shù),自動(dòng)校核齒背鏟磨,實(shí)現(xiàn)齒輪刀具快速可靠的設(shè)計(jì)。同時(shí),隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,專家系統(tǒng)技術(shù)日益運(yùn)用到復(fù)雜刀具的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中。華南理工大學(xué)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(jì)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(shí)用的滾刀設(shè)計(jì)制造專家系統(tǒng)。四川大學(xué)王玫等人根據(jù)漸開線插齒刀設(shè)計(jì)的特點(diǎn),分析了漸開線插齒刀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),即變位系數(shù)和齒數(shù)的合理選擇,進(jìn)而提出一種實(shí)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(jì)效率和品質(zhì)。
近幾年產(chǎn)品設(shè)計(jì)從二維繪圖發(fā)展到三維建模不能不說是個(gè)質(zhì)的飛躍,對(duì)機(jī)械制造業(yè)來說具有不可代替的深遠(yuǎn)意義,同期國(guó)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(guó)EDS公司的UG、Theorem公司的Solidworks,PTC公司的proeNGINEER,國(guó)內(nèi)北航海爾軟件有限公司的CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)等。這些軟件為復(fù)雜刀具的CAD技術(shù)提供了新的平臺(tái),國(guó)內(nèi)許多高校都展開了針對(duì)復(fù)雜刀具三維建模技術(shù)的研究工作。西北工業(yè)大學(xué)吳占陽(yáng)等人在UG環(huán)境下通過對(duì)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(jìn)行三維建模的方法,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜刀具參數(shù)化三維建模。
綜上所述,復(fù)雜刀具CAD技術(shù)研發(fā)從早期基于DOS系統(tǒng)環(huán)境對(duì)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(tái)早期的參數(shù)化繪圖、模型庫(kù)建立,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到設(shè)計(jì)多種復(fù)雜刀具的CAD專家系統(tǒng)、三維實(shí)體建模以及和CAM技術(shù)接軌。由此可見,近幾年復(fù)雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步巨大,成績(jī)斐然。

    2 復(fù)雜刀具CAD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

顯然,復(fù)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(fù)雜刀具CAD系統(tǒng)。圍繞企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的提高和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境的普及,復(fù)雜刀具CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為以下幾個(gè)方面:
a) 集成化:理想的復(fù)雜刀具CAD系統(tǒng)要能夠輔助工程設(shè)計(jì)人員完成大部分的設(shè)計(jì)任務(wù),幫助他們解決設(shè)計(jì)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(zhǔn)備的設(shè)計(jì)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(fù)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(fù)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(tái)計(jì)算機(jī)的處理能力限制了其應(yīng)用范圍。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天,除了高品質(zhì)的刀具設(shè)計(jì)外,還要求高速度設(shè)計(jì),這就對(duì)CAD軟件功能提出了更高的要求。適應(yīng)新的設(shè)計(jì)需求的復(fù)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(diǎn),還要求能夠提供優(yōu)越的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境、豐富的素材數(shù)據(jù)庫(kù)和強(qiáng)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(jì)中心的支持與協(xié)作,提供遠(yuǎn)端刀具CAD計(jì)算與設(shè)計(jì)工具、異地異構(gòu)服務(wù),改善遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)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(shì)。智能化的復(fù)雜刀具CAD不僅僅是簡(jiǎn)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(jì)的思維模型,并用信息技術(shù)來表達(dá)和模擬它,盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。同時(shí),還應(yīng)考慮材料的庫(kù)存管理、生產(chǎn)計(jì)劃、財(cái)務(wù)管理和銷售等方面的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、加工、裝配、測(cè)試和管理集成一體化,同時(shí)通過計(jì)算機(jī)通訊、控制完成信息共享和交換,各個(gè)部門協(xié)調(diào)一致,統(tǒng)籌安排,從而降低成本,縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。使所設(shè)計(jì)的復(fù)雜刀具達(dá)到品質(zhì)高、成本低、周期短,以便在先進(jìn)制造模式下贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng);
d)綠色化:隨著21世紀(jì)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(gè)重要課題。未來的復(fù)雜刀具CAD系統(tǒng)針對(duì)具體刀具,收集、整理面向環(huán)境設(shè)計(jì)的資料,形成指導(dǎo)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)指南,建立綠色產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具平臺(tái),并與其它CAD系統(tǒng)集成,形成集成的設(shè)計(jì)環(huán)境。充分考慮復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)、制造、使用到報(bào)廢整個(gè)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(hù)要求,對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)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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