（机械制造及其自动化专业论文）基于ug环境的铣刀参数化设计系统研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n t h er e s e a r c ho fm i l l i n gc u t t e rp a r a m e t r i c d e s i g ns y s t e m b a s e do nu g b yl uy u e n i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uy o n g x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 二6 二 思。 学位论文作者签名： p 芍 日飙如口r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年i 学位论文作者签名：砂易哆 签字日期：沙。7 7 i 新虢别水贾 签字喻叩宅f 。慢 东北大学硕士学位论文 摘要 基于u g 环境的铣刀参数化设计系统研究 摘要 随着c a d 技术的发展，刀具c a d c a m 的应用已成为保证刀具设计、加工质量和 提高效率的有效途径。目前国外刀具制造行业广泛采用c a d c a m 技术，大大的缩短了 产品开发周期和制造周期，提高了技术含量，降低了成本。相比之下，我国的刀具制造 行业还有很大差距，特别是国有大中型企业，参与国际竞争的能力较弱。 本课题将c a d 技术和刀具设计实践经验相结合，寻求一种适合企业化的刀具造型 设计系统，建立刀具常用零件库的基本框架，为更好地完成刀具设计系统的构建打下了 坚实的基础。在本论文中，作者主要进行了以下研究： 论文采用w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 为操作系统，基于e d s 公司开发的 c a d c a m c a e 软件u n i g r a p h i c sn x4 0 ，运用其强大的参数化造型技术建立零件族， 利用u g o p e nm e n u s c r i p t 工具定制用户菜单，利用u g o p e nu i s t y l e r 工具设计用户对 话框，运用二次开发模块u g o p e na p i 提供的内部开发语言和v i s u a lc + + 6 0 高级语言， 采用特征建模和编程结合的方法，开发了三维参数化数控机床铣刀常用零件库。 对参数化与特征建模基本理论、u g 二次开发相关技术以及基于u g 的零件建库方 法等进行了深入研究。在用户界面设计以及应用程序设计等方面不断实践，深入研究 u g 二次开发方法，获取了u g 二次开发的完整实施进程。 以直柄立铣刀及其相关铣刀的参数化造型，参数化驱动，零件库的建立为例，阐述 了系统设计的全过程，验证了应用此设计系统对提高设计效率、加强对已存在铣刀的管 理，具有重要意义。 关键词：u g ；铣刀；三维造型；参数化设计；零件库 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f m i l l i n gc u t t e rp a r a m e t r i cd e s i g n s y s t e m b a s e do nu g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a d ，t h ea p p l i c a t i o no fc a d c a mi n t on ct o o lp r o d u c t i o n h a sb e c o m ea ne f f e c t i v ea p p r o a c ht og u a r a n t e ed e s i g n i n ga n dp r o c e s s i n gq u a l i t yo fm a c h i n e t o o l sc o m p o n e n t sa n di m p r o v ee f f i c i e n c y n o wf o r e i g nn ct o o lm a n u f a c t u r ei n d u s t r yh a s g r e a t l ys h o r t e n e dt h en ct o o lo fm a k i n gp e r i o d ，h e i g h t e n e dt h en ct o o lo ft e c h n i c a lc o n t e n t a n dr e d u c e dt h ec o s tb ym a k i n gu s eo fc a d c a mt e c h n i c a l t ot h e c o n t r a r y ，n ct o o l m a n u f a c t u r ei n d u s t r yi no u rc o u n t r yh a s l a g g e db e h i n d ，e s p e c i a l l yi nt h es t a t e o w n e d e n t e r p r i s e s c h i n a sa b i l i t yt oc o m p e t ew i t hi n t e r n a t i o n a ln ct o o lm a n u f a c t u r ei n d u s t r yi s w e a k t h i sp a p e r ，w h i c hc o m b i n e st e c h n o l o g yo fc a da n dl o t so fm o u l dd e s i g ne x p e r i e n c e ， s e e kan ct o o l sp a r t sd e s i g ns y s t e mf i t t i n gc o r p o r a t i o n t h i sp a p e re s t a b l i s hb a s i cf r a m eo f d e v e l o p i n gc o m m o nu s ep a r t sl i b r a r y ，w h i c hh e l p sf i n i s h i n gt h ed e s i g no fm i l l i n gc u t e e r d e s i g ns y s t e mb e t t e r t h em a i ns t u d yi sf i n i s h e da sf o l l o w s ： w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a li su s e da st h eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h ep a r t sf a m i l yi sc r e a t e d u s i n gt h es t r o n gp a r a m e t r i cs h a p i n gt e c h n o l o g yo fc a d c a m c a es o f tu n i g r a p h i c sn x d e v e l o p e db ye d sc o m p a n y t h eu s e rm e n ui sm a d eb yu g o p e nm e n u s c r i p tt o o l ，t h eu s e r d i a l o gb o xi sd e s i g n e db yu g o p e nu i s t y l e rt 0 0 1 t h et h r e e d i m e n s i o np a r a m e t r i cd r i v e m o d u l eo fc n c m i l l i n g ，b yt h em e t h o do fc h a r a c t e rs h a p i n gc o m b i n ew i t hp r o g r a m m e ， m a k i n gu s eo fi n t e r i o rd e v e l o p i n gl a n g u a g e p r o v i d e db ys e c o n dd e v e l o p i n gm o u d l e u g o p e na p ia n dv i s u a lc + + 6 0h i g hl e v e ll a n g u a g e t h ep a r a m e t r i ca n df e a t u r em o d e l i n gb a s i ct h e o r i e s ，t h ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u eo fu g s e c o n dd e v e l o p m e n ta n dt h em e t h o do fc r e a t i n gc o m m o nu s e p a r r c sl i b r a r yb a s e do nu g a r e s t u d i e dd e e p ly t h ec o m p l e t ea c t u a l i z a t i o np r o c e s si so b t a i n e db yp r a c t i s i n gt h eu s e ri n t e r f a c e a n da p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g na g a i na n da g a i na n ds t u d y i n gt h es e c o n dd e v e l o p m e n tm e t h o d o f u gi nd e t a i l t a k e s t r a i g h t s h a n kc u t t e ra n di t sa s s o c i a t e d c o m p o n e n t sp a r a m e t r i cm o d e l i n g ， i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r r c t p a r a m e t r i c d r i v e n ，e s t a b l i s h m e n to fp a r t sl i b r a r yf o re x a m p l e ，e x p o u i l dt h ew h o l ep r o c e s so f s y s t e md e s i g na n dv e r i f yt h es i g n i f i c a n to fa p p l i c a t i o no ft h i sd e s i g ns y s t e mf o ri m p r o v i n gt h e d e s i g ne f f i c i e n c ya n de n h a n c e m e n to f m a n a g e m e n to fp r e e x i s t i n gp a r t sl i b r a r y k e yw o r d s ：u g ；m i l l i n g ：t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ；p a r a m e t r i cd e s i g n ：p a r t s l i b r a r y l v 目录 声明i 摘要i i 。a b s t r a c t i l i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 现代c a d 技术1 1 2 1c a d 技术的发展现状1 1 2 2c a d 的技术进展与发展趋势2 1 2 3c a d 系统的二次开发技术4 1 3 论文研究背景内容意义5 1 3 。1 论文的背景5 1 3 2 论文的内容6 1 3 3 论文的意义7 1 4 论文研究方法7 1 5 本章小结8 第2 章参数化设计与特征建模9 2 1 参数化设计9 2 1 1 参数化设计概述9 2 1 2 约束1 1 2 1 3 参数化设计的主要特点1 2 2 1 4 铣刀参数化设计的方法1 3 2 2 特征建模一15 2 2 1 特征的定义1 6 2 2 2 特征分类1 6 2 2 3 特征建模的特点1 7 2 3 基于特征的参数化设计17 v 壅! ! 垄芏翌兰堡垒圭一 一 目录 一一一一 ： 2 3 1 基于特征参数化的概述1 7 2 3 2 基于特征的铣刀参数化设计1 8 2 4u g 的特征建模与参数造型1 9 2 5 本章小结2 0 第3 章铣刀参数化设计系统构建及模型建立2 1 3 ，1 铣刀的基本特性2 1 3 1 1 铣刀的分类2 】 3 + 1 2 铣刀的铣削方式2 l 3 1 3 铣刀的材料属性2 2 3 2 铣刀参数化设计系统构建2 3 3 2 1 构建参数化设计系统意义2 3 3 2 2 系统主要功能及工作流程2 4 3 2 3 建立系统的主要工作2 5 3 3 铣刀参数化模型的建立2 5 3 3 1 模型结构分析2 5 3 3 2 基于u g 的立铣刀参数化模型建立+ 2 8 3 4 本章小结3 2 第4 章铣刀参数化零件库的建立3 3 4 1 建立三维参数化零件库的原则3 3 4 2 基于u g 建立三维零件库的方法3 4 4 3 铣刀常用零件库的建立3 8 4 3 1 建库方法选择3 8 4 3 2 常用零件库的结构3 9 4 1 3 3 建立零件库的关键技术4 0 4 4 实例4 5 4 5 本章小结4 6 第5 章铣刀参数化设计系统实现4 7 5 1 总体设计思路4 7 5 2 铣刀参数化设计系统的开发4 9 v i 东北大学硕士学位论文目录 5 2 1 设计系统环境4 9 5 2 2 设计用户界面对话框5 0 5 2 3u g 菜单的设计和添加5 2 5 2 4 动态链接库创建5 4 5 2 5 应用程序设计5 6 5 3 实例6 1 5 4 本章小结6 5 第6 章结论与展望6 6 参考文献6 7 致谢7 0 v i i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 信息及其它高新技术的发展壮大和成熟应用，为企业产品开发创新开辟了有效的途 径，其中随着以2 0 世纪6 0 年代诞生的c a d 技术为代表的信息技术在产品开发中的深 入应用，开创了崭新的产品开发模式数字化产品设计，由此所带来的设计观念、设 计方法、组织形式的全面创新，将迎来机械产品设计的现代化。c a d 技术具有工程及 产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工程数据库管理和生成设计文件 等功能。经过4 0 多年的努力，c a d 技术的广泛应用已经引起了一场工程设计领域的技 术革命，特别是近2 0 年来，由于计算机硬件性能的不断提高，c a d 技术有了大规模的 发展。 在刀具制造业，近几年国内已有一些企业、院校开发出一些基于二维的c a d 系统 或c a d c a m 集成系统，但在高精度数控刀具制造领域，基于三维c a d 平台的 c a d c a m 集成系统，目前国内还是一个空白。因此，深化应用c a d c a m 集成技术， 充分利用先进的设计制造手段，以提高产品的快速设计、制造能力，缩短产品的研发周 期，是刀具行业急需解决的重要课题之一。 1 2 现代c a d 技术 1 2 1c a d 技术的发展现状 从美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号所配的图形系统算起，c a d 迄今已有5 0 年 历史；若以m i t 林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 发表的人机通信的图形系统博士论文为开 始，也有3 6 年的历史了。 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，它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。进入7 0 年代，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 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，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 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 品零件的主要信息。 7 0 年代末到8 0 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，c a e c a m 技术也开始有 了较大发展。s d r c 公司在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开 发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在c a d 技术方面也进 行了许多开拓；u g 则着重在曲面技术的基础上发展c a m 技术，用以满足麦道飞机零 部件的加工需求。基于对于c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发 布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。由于实体 造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d c a e c a m 的模型 表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着c a d 技术的发展方向，目前已广泛应用 于机械、建筑、汽车、电子、航空航天等领域口1 。 我国c a d c a m 技术的研究起步于7 0 年代，当时仪有少数大型企业和科研单位及 部分高校参加，进展速度很慢。近年来，由于计算机价格的不断下降，加之改革开放和 国内外市场激烈竞争形势的不断发展，促使我国科技人员采用新技术的积极性不断高 涨，c a d c a m 技术的优点逐渐被更多的人们所接收。 近几年来，少数大型企业在某( 和某些) 专业领域大胆应用c a d c a m 技术后， 真正提高了产品质量，缩短了生产周期，取得了较好的社会经济效益。这些企业认识到 了c a d c a m 技术是提高生产效益必不可少的条件之一。如天津7 1 2 厂，西安黄河机器 制造厂和电子部3 8 所等。中小企业开始使用c a d c a m 技术。从7 0 年代中后期起，国 内一些高等院校和科学院的研究所以及一些大型企业在c a d c a m 技术领域内进行了 大量的研究工作，自行开发了一些实用的c a d c a m 软件。由于这些软件价格比较便宜， 维护和培训较方便，所以便于推广应用。国内计算机生产厂商己能为c a d c a m 提供微 机和工程工作站。尽管如此，与国外相比差距仍然很大。 目前我国c a d 系统仅仅作为绘图工具，缺乏设计方法和设计理论的指导，我国三 维c a d 系统还不成熟，c a d 技术开发创新少、仿制多，c a d 软件的开发缺乏理论研 究和算法的研究，信息集成技术落后，数据交换格式和标准化落后。 1 2 2c a d 的技术进展与发展趋势 进入2 l 世纪，c a d 造型技术在理论上并没有出现人们期待已久的重大突破，但是 在应用和实用技术方面还是取得了不少的进展n 1 ，这表现在以下几个方面： ( 1 ) 图形交互功能改进 智能化的图标菜单：多层次的弹出式或下拉式菜单已不能满足使用者的需求。良好 的菜单结构可以使设计周期提前2 0 5 0 。智能化的图标菜单结构是c a d 软件今后 7 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的发展趋势。 “拖放式”造型：设计就是灵活的修改。直观地、实时地对三维实体进行“拖放式” 的设计与修改一直是设计人员追求的目标。 动态导引器：目前在某些软件中，伴随光标而随时随地弹出菜单的操作模式已经越 来越多。 ( 2 ) 应用功能改进 发展功能高度集成化的c a x 体系：即用一个c a x 软件来快捷地、一路畅通地开发 出客户所需要的产品。 知识融合技术：知识融合技术是能够进行自动化过程设计、管理可能性因素和实践 性因素的一门技术。它让用户能够创建和保存自己的规则和过程，物理、化学或者在其 它领域创建的工程规则都可以被集成 特定工业过程的智能向导：过程向导融合了业界特有的过程知识，把设计技术中复 杂的因素连接到了自动的过程当中。 系统化造型：使用系统化造型，设计者能够通过改变产品中的任何零件，进行各种 变型，来查看完整的产品及其生产过程。 ( 3 ) 系统功能改进 c a d 软件中加入p d m 功能：具有p d m 功能的c a d 软件正在逐渐为用户所认识 和接受。实现设计协同是未来c a d 的主要发展方向之一。 p l m 环境中的c a d ：在p l m 解决方案中，c a d 功能是其中必不可少的一个有机 组成部分，简称为p l m3 d 。 c a d 技术的发展一直是跟着实际应用的需求而发展的，随着c a d 技术的广泛应用， 新的需求又不断出现n 5 1 。主要表现如下： ( 1 ) 模型理论的研究：由于传统的几何模型、特征模型已不能满足现代制造技术的 要求。从而提出了面向产品生命周期的关系型产品模型的概念。这一概念的提出，是为 了解决信息在设计、制造和检验及装配等环节的共享问题，完整地描述产品在概念设计 装配设计零件设计全过程中的各种属性和相互关系，实现产品生命周期中的内 部描述信息和外部过程信息的集成。在产品模型的研究上，当前拉出的非流形模型的研 究就是一个典型，目前我国也在研究非流形模型用于c a d 系统中。另外，基于s t e p 的c a d 技术的研究也是为了建立较好的产品模型。 ( 2 ) 自顶向下的设计技术：目前流行的c a d 系统只能支持自下而上的设计方法，即 先设计零件然后搭积木式地进行装配设计。而新的设计需求要求c a d 系统还要支持自 3 一 垄些叁堂堡士芋位论文第1 章绪论 顶向下( t o p 、d o w n ) 的设计方法，并且也可混合使用这两种设计方法。 ( 3 ) 客户机朋匣务器及网络环境下的c a d 技术：随着客户机服务器系统在企业的应 用，企业大都建立了网络环境。因此，单机的c a d 系统已不适合，网络环境下的c a d 系统已成为普遍的要求。 ( 4 ) 多媒体系统c a d 技术的研究应用。 ( 5 ) 并行环境下的c a d 技术的研究应用：在并行环境下的c a d 系统要求全关联的 关系模型，包括各种隐含在模型中的设计关系和设计约束。 ( 6 ) 集成化技术的研究：要实现设计、制造到管理，产品生命周期的全过程的无缝 集成，都是c a d 技术研究的内容之一，其基础是p d m 以及灵活的外部接口，良好的开 放性，功能增大的开发语言等。 1 2 3c a d 系统的二次开发技术 c a d 软件的二次开发是指在现有的软件基础上，为了使之更加符合用户需求，而 对软件做的开发工作。其目的是提高效率，充分发挥通用c a d 软件的价值。二次开发 将应用对象的设计规范、构造描述、设计方法等以约束集成到通用c a d 平台中去，以 使应用对象的设计智能化、集成化。 国际和国内知名的c a d c a m 软件如u g 、p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、s o l i d w o r k s 以 及c a x a 系统等，都是商品化的通用平台。这些通用软件需要考虑各行业、各地区用 户的需要，而并非针对某一领域甚至某种产品的专用软件，因此用它来完成某一具体产 品的设计时往往不是很方便。因为不同企业有不同的产品，其设计方法、产品结构不尽 相同，即使是面向某一类对象的专用的商品化c a d 软件，也难以满足形形色色的具体 需要，所以不可能从软件公司买到适合所有产品设计需要的软件哺1 。因此，欲利用c a d 技术取得积极效果，必须以通用c a d 软件为基础，结合自身实际情况，进行不同程度 的用户化、本地化开发，以建立应用绘图系统和数据库，形成具有自身特色的c a d 系 统，这也是c a d 软件均提供二次开发手段的原因。 如果能在引进的原始c a d 系统基础上，根据本企业或行业的常规性产品或工程设 计的实际需要，将设计手册、制造手册中的各种数据、典型的结构、计算方法与公式及 产品标准、技术要求、外构件、原材料的样本、手册，本企业或行业产品的典型结构、 经验数据、工装情况等方面的资料、数据、图形等与现有c a d 系统有机地融合起来， 使设计人员从繁重的重复劳动中解放出来，做到数据共享；甚至更一步，将本企业或行 业多年来的设计经验总结出来，形成有特色的设计规范、设计方法、典型结构、标准、 通用零部件、功能模块，并相应地在c a d 系统内建立起数据库、图形库、方法库、知 一4 东北大学硕士学位垒叁一 箜! 主窒笙 _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 。 识库及其应用程序，从而真正发挥c a d 系统的效用和优越性。c a d 二次开发的意义不 仅在于提高设计效率，而且还是提高产品设计质量的重要途径，是提升c a d 应用水平 的重要手段。 我国一贯重视c a d 技术的引进、推广和应用工作，但同时也非常重视c a d 软件的 自主开发。目前，国内实际使用的c a d 系统可分为两大类：一类是国内主权版的c a d 系统，另一类是国外商品化的c a d 系统。由于国外c a d 系统发展早、技术先进、产品 成熟、售后服务周到，仍占据着主要的市场份额。 目前，国内c a d 技术的应用已逐步进入高级阶段，许多用户都针对本行的特点对 c a d 进行二次开发，c a d 二次开发技术几乎在各个行业中都有应用实例，并已有许多 商品化软件问世。但各行业c a d 二次开发技术的发展水平存在较大差距，机械、电子、 建筑、航空航天等最早应用二次开发技术，其二次开发程度也最高。开发出的c a d 系 统能够集计算、参数化画图、数据管理为一体，并直接与计算机辅助制造( c a m ) 和计 算机辅助工艺设计( c a p p ) 有机结合即3 。目前国内已开发成功一批符合工程需要的应用 软件，逐渐形成了一批具有较高素质的研究开发队伍。 其他行业的c a d 二次开发技术则相对落后，有的仅仅是- d , 部分工程技术人员的 个人行为，还没有形成专门从事c a d 二次开发的研究队伍。虽然也出现了一些c a d 应 用软件，但大多数仅仅针对某一类型的产品或产品的一部份而开发的小型应用系统，解 决的问题也比较有限陋1 。国外成功的c a d 技术开发企业为了加快c a d 技术开发步伐， 都选择了高起点的c a d 技术开发战略，即利用已有的技术成果，在此基础上二次开发 自己的c a d 技术，而不是将人力物力浪费在低水平的重复开发上，这样既可以提高效 率，又能保证自己的产品具有较高的技术含量和水平。 1 3 论文研究背景内容意义 1 3 1 论文的背景 金属切削刀具是直接对零件进行切削加工的生产工具，刀具的性能直接影响切削加 工的效率、精度和表面质量，进而影响产品的质量，因此研究和改进刀具的设计方法， 对整个机械制造业具有重要的现实意义和经济意义阳1 。 刀具c a d 是刀具设计的必然发展方向，是随着计算机技术，尤其是c a d 技术的发 展而发展的。与其他产品零件相比，刀具设计更具有规范化的特点，即对一种特定的刀 具( 如立铣刀、面铣刀) 来说，其结构都是近似的，拓扑关系是相同的，只是由于原始关 一5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 系的改变使刀具参数值的选取不同而形成适合某一零件加工的刀具图纸。 由于切削数控自动化的发展，以及现代生产对多品种、小批量非标刀具品种、规格 的需求增多，刀具常规的设计与制造方法难以满足需要，从而促进了该类刀具c a d 的 开发与应用。德国h e r t e l 公司建立了可转位孔加工刀具c a d ，i n t e r s o l l 公司建立了铣削 刀具c a d 等，国内科研院所也开发了许多刀具c a d 及专家系统。如四川大学的渐开线 花键拉刀专家系统，天津理工学院的立铣刀c a d 系统，西安易博公司的标准刀具c a d 系统等，这些c a d 系统大部分都是企业根据自己需求开发的适合自己需要的二维c a d 系统，基于三维设计软件开发的刀具c a d 系统很少。 目前制造行业三维c a d 设计软件的普及应用己经非常广泛，但在国内众多的企业 中，三维c a d 软件的应用仍仅限于产品设计部门，在刀具设计部门推广应用的不是很 多，目前企业的刀具设计大都采用二维c a d 制图，已经不能满足企业实施c i m s ( 计 算机现代集成制造系统) 一体化的需求。广泛采用三维设计方法，开发三维刀具c a d 系统，实现常用刀具的快速建模和复杂刀具的智能快速设计是刀具c a d 技术发展的必 然趋势。 1 3 2 论文的内容 基于缩短刀具设计周期，提高设计效率。结合美国e d s 公司的u n i g r a p h i c s 甜软件 为平台，以直柄立铣刀参数化设计为例，开发了一个刀具参数化设计的应用系统。在 u g 软件启动时，刀具设计菜单自动加载到u g 主菜单上，简捷直观，操作方便，与u g 的集成环境有机地结合在一起，具有良好的人机交互性、可扩充性和可移植性。 本文主要研究内容如下： ( r 1 ) 阅读国内外文献资料，调研国内外数控机床刀具设计的发展现状，研究刀具设 计系统的组成结构及功能需求，确定了刀具设计系统的功能要求。 ( 2 ) 开发了基于u g 环境的铣刀参数化设计系统。研究u g 二次开发方法，获取 u g 二次开发的完整实施方案，包括：主菜单的u g o p e nm e n u s c r i p t 设计与应用、对话 框的u g o p e nu i s t y l e r 可视化设计与应用、在u g 环境下利用参数化设计方法建立零件 族、应用c 语言基于v i s u a lc + + 6 0 开发平台的u gn x 4 0 应用程序接口的建立、u g o p e n a p i 程序的编制等。 ( 3 ) 基本完成了数控铣刀零件库的建立和程序的编制。采用参数化技术和关系表达 式等方法，实现铣刀标准件的建立；根据u g o p e na p i 应用程序接口和v i s u a lc + + 6 0 的开发，直接通过对编制菜单的调用和对话框的修改，实现对各模块的控制。 ( 4 】通过实例验证了系统的有效性与实用性。 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 建立常用零件库作为开发铣刀参数化设计c a d 系统的一项重要基础性工作，对提 高c a d 系统的运行效率和质量，缩短产品开发周期将起到重要的作用。结合企业自身 的实际，建立符合国家标准、行业标准和企业标准的标准件库，在设计过程中直接调用， 可极大地简化设计过程，提高刀具的设计效率。 1 3 3 论文的意义 刀具设计是工装设计的重要组成部分，做为影响切削加工效率、精度和表面质量的 关键因素，快捷、正确的刀具设计是实现产品图纸性能要求的重要保证，针对刀具设计 中采用二维c a d 系统存在的种种弊端，开发具有通用刀具快速生成模型和复杂刀具智 能设计的刀具三维c a d 系统，具有如下意义： ( 1 ) 刀具的三维参数化设计，将使刀具设计从平面走向立体，设计错误可以及早发现， 保证产品的生产周期和设计性能，方便各个部门之间技术人员的沟通，采用参数化技术， 设计人员工作效率可以大幅提高，缩短刀具了设计周期，保证了刀具设计的标准化、规 范化。 ( 2 ) 做为工装设计管理系统的部分，由数据管理系统对刀具设计结果进行统一管 理，保证了刀具数据和模型的可继承性和共享性，提升了设计资源的利用效率，可以对 刀具模型进行快捷、准确的检索，是对企业实施c i m s ( 计算机现代集成制造系统) 一体化的有力支持。 ( 3 ) 目前国内很多大型企业采用的c a d 软件都是u g 。u g 是当今世界上最先进和紧 密集成的、面向制造行业的c a d c a e c a m 高端软件，已经成为中国航空、航天、汽 车、计算机、机械等领域的首选软件，在企业的c a d c a e c a m 中发挥着显著的作用， 但是目前在刀具设计方面，国内还鲜有基于u g 平台的刀具c a d 系统的二次开发的成 功实践，本课题针对高端c a d 系统的二次开发，也能够探索高端软件二次开发的商品 化前景。 综上所述，依据企业目前的c a d 应用实际情况，开发出基于u g 环境下的刀具三 维参数化c a d 系统，有着良好的现时应用效果和广阔的市场发展前景。 1 4 论文研究方法 论文开发的应用系统是在成熟的u g 软件上进行二次开发实现的。论文的系统开发 使用了u g 软件、u g 软件的二次开发语言u g o p e na p i 、u g o p e nu i s t y l e r 、u g o p e n m e n u s c r i p t 、v c + + 语言及数据库技术。u n i g r a p h i c s ( 简称u q 是集c a d c a e c a m 于一 7 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 体的三维参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应 用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。 在u g 软件平台上运用参数化设计方法建立所需部件模型，然后利用m i c r o s o f tv i s u a l c + + 6 0 编程并调用u g o p e na p i 函数，实现对模型的参数化设计过程。然后调用 u g o p e nm e n u s c r i p 模块提供用户创建并编辑u n i g r a p h i c s 的下拉菜单及工具条，通过 调用u g o p e nu i s t y l e r 开发的对话框实现系统功能，并且运用数据库连接技术实现与 a c c e s s 数据库系统链结，管理所有数据。 1 5 本章小结 本章简要分析了国内、外c a d c a e c a m 技术的发展状况、优越性和发展趋势， 论述了刀具c a d 技术的发展现状和存在的主要问题。介绍了论文研究的背景、内容和 方法。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章参数化与特征建模 第2 章参数化设计与特征建模 2 1 参数化设计 新的产品在打样设计的过程中不可避免的要多次反复修改，进行零件形状和尺寸的 综合协调、优化。因此设计人员希望在产品的设计初始阶段就能方便的建立产品的描述 模型，从而能够方便的绘制和修改产品的草图，进行多种方案的优化设计。这具体表现 在设计绘图工作中就能够定义图形间的拓扑关系，标注初始参数，而后再根据需要改变 具体的尺寸，以产生同类形状的图形。对于定型的产品，需要形成系列，以便针对用户 的生产特点提供不同吨位、功率、规格的产品型号。例如图2 1 所示是机床中的两个垫 片的零件主视图。通常的情况下不同的零件即使再相似，都会有两张不同的图纸，虽然 下面的两个零件图只有两个孔的直径不同，但是这就需要设计人员绘制两张图纸。为了 解决此类问题，人们开始对寻找一种手段，让设计人员在绘制这种形状特征类似的零件 时能只设计一次。从而产生了参数化设计的思想。 2 1 1 参数化设计概述 图2 1 相似零件图 f i g 2 1s i m i l a rp a r t s 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是通过改动图 形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动完成对图形中相关 部分的改动，从而实现对图形的驱动“。 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题。机械设计是一个创造性的活动， 是一个反复修改、不断完善的过程。同时，对很多企业，设计工作往往是变型或系列化 9 东北大学硕士学位论文 第2 章参数化与特征建模 设计，新的设计经常用到已有的设计结果。据不完全统计，零件的结构要素9 0 以上是 通用或标准化的，零件有7 0 8 0 是相似的。在参数化设计技术出现以前，传统的c a d 使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象几何关系，设计只存储最后的结果，而不关 心设计的过程。这种设计系统不支持初步设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地 自动处理对己有图形的修改，不能有效地支持变型化、系列化设计，从而使得设计周期 长、设计费用高、设计中存在大量重复劳动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需 求。传统的造型方法都只是几何图素的简单堆砌，仅描述了产品的可视形状，而不包括 产品的设计思想( 即产品的几何图素之间的拓扑关系和约束关系) ，也不具备由于几何尺 寸变化而使图形变换的尺寸驱动功能。这样一来，哪怕是要改变复杂零件的一个尺寸， 也需要擦掉原有图形，重新构建一个新的图形，这种简单的重复工作严重影响设计效率。 在这种情况下，参数化设计方法应运而生。参数化设计以约束造型为核心、以尺寸 驱动为特征。在参数化设计中采用参数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制 几何形状，实现产品的精确造型，而不必在设计时专注于产品的具体尺寸；参数化设计 方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型；对己有设计的修改， 只需变动相应的参数，而无需运行产