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山东大学硕士学位论文 模具型腔数控加工刀具优选 摘要 在模具型胶的数控加工研究中，首先考虑的问题之一是刀具和切削参数的自 动选择。刀具选择是一个复杂的优化过程，它受到多种因素的影响。国内外现有 的c a d c a m 系统仍然需要工艺员手工确定选择刀具和加工参数，才能生成刀具位 置源文件( c l s f ) ，再调用后处理模块生成数控加工程序，加工程序的质量依赖于 工艺员的技巧和经验，容易造成数控机床的利用效率不高。刀其选择时，所选的 刀具不仅要有所需的加工能力，而且应是在一定优化目标下的最优刀具。因此， 在零件投入生产前就必须优化刀具组合，可以使没有多少加工经验和技巧的工艺 员也能编制高效的加工程序。 粗加工是数控加工的重要阶段之一，其任务是快速地切除工件毛坯上的大部 分多余材料，只保留用于半精加工和精加工的适当加工余量。事实上，在数控加 工复杂的模具和零件时，大约7 0 的原材料由粗加工阶段切除，大量的加工时间消 耗在粗加工中。 因此，在型腔加工的粗加工阶段，以基于加工时间的最低加工成本作为优化 目标进行刀具组合的选择对于缩短加工时间、提高加工效率、降低生产成本具有 重要意义。 本文内容首先对c a d c a m 技术进行了分析，进而开发了基于模具型腔数控加工 的刀具优选系统，采用求解单源有向无环图的最短路径问题的d i j k s t r a 算法，使 得在数控加工前能获取最优刀具组合及相应的工艺参数：获取最低制造成本并在 高端c a d c a m 软件i g 平台上进行数控编程、生成n c 程序单，利用自主开发的数 控加工仿真系统( n c e d it ) 进行模拟加工。 关键词：型腔加工刀具优选d i j k s t r a 算法c a d c a m 数控加工仿真 山东大学硕士学位论文 a ni n v e s t i g a t i o no f o p t i m a lt o o ls e q u e n c es e l e c t i o nf o rp o c k e t n c m a c h i n i n g a 丑s t r a c t d u r i n gt h ei n v e s t i g a t i o no f d i e - p o c k e tn cm a c h i n i n g ，t h ei s s u et h a ta p p r o p r i a t et o o l s e q u e n c es e l e c t e da u t o m a t i c a l l ys h o u l db ec o n s i d e r e df i r s tt h es e l e c t i o no f c u t t i n g t o o l si sa c o m p l i c a t e da n do p t i m a lp r o c e s s ，w h i c hi sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s t h e p r e s e n tc a 功，c a ms y s t e m ss t i l lr e q u i r ep r o c e s s o r st os e l e c tt o o l sa n dc u r i n g p a r a m e t e r sm a n u a l l y s u b s e q u e n t l y ，t h ep r o c e s s o r sp r o d u c ec l s ff i l e sa n dn c m a c h i n i n gp r o g r a m sb yu s i n gt h em o d u l eo f p o s v r o c e s s o rt 站q u a l i t yo f n cp r o g r a m s d e p e n d st o om u c ho nt h eu s e r st e c h n i q u ea n de x p e r i e n c e ，w h i c ha r ep r o n et oc a u s el o w e f f i c i e n c y t h ec u t t i n gt o o l sn o to n l yn e e dt h ec a p a c i t yi nm e t a lr e m o v a lp r o c e s s e s ，b u t a l s oa r eo p t i m a lo n e su n d e ro p t i m i z e do b j e c t i v e s a c c o r d i n g l y ，j tj sn e c e s s a r yt o o p t i m i z ec u t t i n gt o o l sb e f o r ec u t t i n g 也ep a r t s ，w h i c hc o u l dl e tp r o c e s s o r s1 a c ko f e x p e r i e n c ea n dt e c h n i q u ee d i th i g h - e f f i c i e n c yn cp r o g r a m s r o u g hc u ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts t a g e si nn cm a c h i n i n g i t sm a i nf u n c t i o ni s t or e m o v er e d u n d a n tm a t e r i a lf r o mt h ew o r k p i e c ei ng r e a tq u a n t i t y ，a n do n l yr e s e r v e a p p r o p r i a t ep a r ts t o c kw h i c hw i l lb er e m o v e db ys e m i r o u g ha n df i n ec u t s i nf a c t ， a p p r o x i m a t e l y7 0 o fr a wm a t e r a l s 、i l lb er e m o v e di nt h es t e oo fr o u g hc u tw h e n c o m p l i c a t e dd i e s m o u l d sa n dp a r t sa r em a c h i n e db yn cm a c h i n e s ，s or o u g hc u t c o n s u l d e sp l e n t i f u lo f t i m e c o n s e q u e n t l y ，d u r i n gt h er o u g hc u to fp o c k e tm a c h i n i n g ，i ti ss i g n i f i c a n tt os e l e c t c u t t i n gt o o l sa i m e da t t h el o w e s tt i m e - b a s e dp r o d u c t i o nc o s t w h i c hc a ns h o r t e n p r o c e s s i n gt i m e ，i m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n dr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t i nb r i e f , f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc a d c a mt e c h n i q u e s e c o n d l y ，i td e v e l o p sa c u r i n gt o o l ss y s t e mb a s e d o nd i e m o u l dp o c k e tn cm a c h i n i n g t oa t t a i nt h e s h o r t e s t p a t hi nt h es i n g l e s o u r c e ，d i r e c t e d ，a c y c l i cg r a p hc a nb eo b t a i n e db ye m p l e y i n g d i j k s t r a a l g o r i t h m ，w ec a no b t a i no p t i m a lt o o l sc o m b i n a t i o n ，c o r r e s p o n d i n gc u t t i n g p a r a m e t e r sa n dt h em i n i m a lm a c h i n i n gc o s t l a s u y ，w ec a nd e v e l o pn cg & mc o d e sb y u s i n gh i 曲c m ) c a ms o f l w a r e 一一u g ，a n ds i m u l a t em a c h i n i n gb yu s i n gn c p r o c e s s i n ge m u l a t o rs y s t e m ( n c e d i t ) d e v e l o p e db yo u r s e l v e s k e y w o r d s ：p o c k e tm a c h i n i n g ，o p t i m a lt o o l ss e l e c t i o n ，d i j k s t r a sa l g o r i t h m c a d c a m ，n cp r o c e s s i n ge m u l a t o r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丝! ! 虱日期：! ! ：艺：27 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签争：j 峥师签名：啦日 期：堡墼上乡 山东大学硕士学位论文 1 1 c a d c a m 技术概述 第1 章绪论 近5 0 年来，c a d c a p p c a m 技术获得飞速发展。1 9 6 2 年美国麻省理工学院 ( m i t ) 的i e s u t h e r l a n d 发表了s k e t c h p a 卜人机对话系统一文，这是一 篇世界公认的计算机图形设计论文的处女作，它奠定了计算机辅助设计( c a d 一 - - - c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 的理论基础。2 0 世纪7 0 年代，开始出现了c a d 和c a m 集成的趋势。即c a d c a m 集成系统l tj 计算机辅助制造( c a m c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 2 年美国麻省理工学院( m i t ) 试制成 功第一台数控机床，数控机床的诞生实现了复杂零件的自动加工。1 9 5 5 年m i t 研 制成功了自动编程工具a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l i n g ) ，这些硬件和软件 的出现奠定了计算机辅助制造的基础。c a m 通常划分成广义c a m 和狭义c a m ， 广义c a m 是指用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造活动，其中包括直接 制造活动和间接制造活动，涉及工艺准备( 计算机辅助工艺规程设计c a p p c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g 、计算机辅助工装设计与制造、n c 自动编程、工 时定额和材料定额的编制等) ，生产控制，以及质量保证等内容。狭义c a m 是指 计算机在某个制造环节中的应用，通常是指计算机辅助数控加工j 。 1 1 1 三维c a d 模型的几种表达方法 随着c a d 技术的发展，出现了许多种三维模型的表达方法，其中常见的有以 下几种”j ： 1 ) 构造立体几何表达法( c o n s t r u c t i v es o li dg e o m e t r y ，简称c s g 法) 它采用布尔运算法则( 并、交、减) ，将一些简单的三维几何基元( 如立方体、 圆柱体、环、锥体) 加以组合、变化成复杂的三维模型实体，这种方法的优点是， 易于控制存储的信息量。所得到的实体真实有效，并且能方便地修改它的形状。 此方法的缺点是，可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大， 比较费时。 第1 夏 山东大学硕士学位论文 2 ) 边界表达法( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n ，简称b r e p ) 它根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。这种方法的优 点是，能快速地绘制立体或线框模型。此方法的缺点是，它的数据是以表格形式 出现的，空间占用量大，修改设计不如c g s 法简单。例如，要修改实心立方体上 的一个简单孔的尺寸，必须先用填实来删除这个孔，然后才能绘制一个新孔；所 得到的实体不一定总是真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象，描述缺乏唯 一性。 3 ) 参数表达法( p a r a m e t e rr e p r e s e n t a t i o n ) 对于自由曲面难于用传统的几何基元来进行描述，可用参数表达法。这些 方法借助参数化样条、贝塞尔( b e z i e r ) 曲线和b 样条来描述自由曲面它的每一 个x 、y 、z 坐标都里参数化形式。各种参数表达格式的差别仅在于对曲线的控制 水平，即局部修改曲线而不影响临近部分的能力，以及建立几何体模型的能力。 其中较好的一种是非一致有理b 样条法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修 改曲率，能准确地描述几何基元。 为了综合以上方法的优点，目前，许多c a d 系统常采用c s g 、b r e p 和参数表 达法的组合表达法。 4 ) 单元表达法( c e l lr e p r e s e n t a t i o n ) 单元表达法起源于分析( 如有限元分析) 软件，在这些软件中，要求将表面离 散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形，在快速成型技术中采用的三 角形近似( 将三维模型转化成s t l 格式文件) ，就是一种单元表达法在三维面的应 用形式。 1 1 2 曲面建模 曲面建模又叫表面建模( s u r f a c em o d e l i n g ) ，是通过对物体的各种表面或曲 面进行描述的三维建模方法，主要使用于其表面不能用简单的数学模型进行描述 的复杂物体型面，如汽车、飞机、船舶、水利机械和家用电器等产品外观设计以 及地形、地貌、石油分布等资源描述中，这种建模方法的重点是由给出的离散点 数据构成光滑过渡的曲面，使这些雠面通过或逼近这些离散点。目前应用最广的 是双参数曲面，它仿照参数曲线的定义，将参数曲面看成是一条变曲线按其参数 运动形成的轨迹。这些年来，通过大量的生产实践，在曲线、曲面的参数化数学 薷2 贾 山东大学硕士学位论文 表示及n c 编程方面取得了很大进展。广为流行的几种参数曲线、曲面有贝塞尔 ( b e z i e r ) 、b 样条、孔斯、非均匀有理b 样条曲线、曲面等。 1 、贝塞尔( b e z i e r ) 曲线与曲面 贝塞尔( b e z i e r ) 曲线与曲面是法国雷诺汽车公司的b e z i e r 在1 9 6 2 年提出的 一种构造曲线、曲面的方法。图1 1 a 所示为三次b e z i e r 曲线的形成原理，这是 由四个位置矢量q o 、q 。、q 2 、q 3 定义的曲线。通常将q o 、q 。、q 。组成的多边形折 线称为b e z i e r 控制多边形，多边形的第一条折线和最后一条折线代表曲线起点、 终点的切线方向，其它顶点用于定义曲线的阶次和形状。b e z i e r 瞌线的一般数学 表达式为： p ( f ) = 马，。( f 乜 ( o ，1 ) 式中q 为各顶点的位置矢量，骂。( ，) 为b e r n s t e i n 基函数，并有 ( f ) 2 百焉，f ( 1 _ f y 卜一卢o 1 ，2 玉) 当n = 3 时，上式变为 j p ( r ) = o - t ) 3 q o + 3 t ( 1 一，) 2q l + 3 t 2 ( 1 - t ) q 2 + r 讼 写成矩阵形式则为 p ( t ) = i t 3 ，2 r 1 q o q i q q 3 上式为三次b e z i e r 曲线。三次b e z i e r 曲线是应用最广泛的曲线。由于高次 b e z i e r 曲线还有些理论问题待解决，所以通常都是用分段的三次b e z i e r 曲线来代 替。 b e z i e r 曲线具有直观、使用方便，便于交互设计等优点。但b e z i e r 曲线和定 义它的特征多边形有时相差甚远，同时当修改一个顶点或改变顶点数量时，整条 曲线形状都会发生变化，所以曲线局部修改性比较差。 用一个参数t 描述的向量函数可以表示一条空间曲线，用两个参数u 、v 描述 的向量函数就能表示一个曲面。如图1 1 b 所示，可以直接由三次b e z i e r 曲线的 定义推广到双三次b e z i e r 曲线的定义。 图1 1 b 中有四条b e z i e r 曲线p 。( u ) ( i = 0 ，l ，2 ，3 ) ，它们分别以q 。j 为控制顶 第3 贾 1 0 o o o 3 o o 3 乇3 oo ，q ， 山东大学硕士学位论文 点( j = o ，l ，2 ，3 ) 。当四条曲线的参数t e l l 时，形成四点p 。( u ) 、p 。( u ) 、p ：( u 4 ) 、 p 。( u ) ，由这四点构成b e z i e r 曲线方程为： 3 p ( u ，v ) = = ( v ) p ，( u ) | 0 当u 从0 ：l 发生变化时，p ( u + ，v ) 为一条运动直线，构成的曲面方程为 ，333 p ( u + ，v ) = b ，( v ) e ，( u ) q “= 韪，( u ) b ”( v ) j * o t oj 神 3 - o 即为双三次b e z i e r 曲线方程，写成矩阵形式为： p ( u ，v ) 2 u m 。鼠w 。t y 7 式中u 2 【u 3 u 2u l 】，v 5 【v 3 v 2v l 】 mb = m i b = 一13 3-6 33 lo 一3l 3 o oo oo a ) 圈11 三次b e z i e r 曲线及双三次b e z i e r 曲回 2 、b 样条曲线与曲面 b 样条曲线与b e z i e r 曲线密切相关，它继承了b e z i e r 曲线直观性好等优点， 仍采用特征多边形及权函数定义曲线，所不同的是权函数不是伯思斯坦基函数， 而是b 样条基函数。b 样条基函数定义为 e 。，( ，) 。去丢( 一1 ) ，( t + n - i - ( 眶1 ) 第4 贾 叩 蚺 ” q q q q i j q q 9 q u ” ” q q q q 啪 啪 q q q q 山东大学硕士学位论文 式中，i 是基函数的序号，i = o ，1 ，2 ，n ：n 是样条次数；j 表示一个基函数 是由哪几项相加。例如将n - - 3 代入式中得： = 吉( 。+ 3 t 2 _ 3 ，+ 1 ) ： 巨，( f ) = l ( 3 t 3 - 6 t 2 + 4 ) ( ) = l ( - 3 t 3 + 3 t 2 + 3 t + 1 ) ；( ，) = ，3 因此三次b 样条曲线的矩阵表达式为： p ( t ) = i t 3 f 2f 1 一13 36 33 lo 一31 30 oo 00 q o q i 9 2 q b 样条曲线与特征多边形相当接近，同时便于局部修改。与b e z i e r 曲面生成过 程相似，由b 样条曲线也很容易推广到b 样条曲面，如下图所示， p ( u ，v ) = e ，( ”) 易，( 弓 j 1 0 ；o 推广到任意次b 样条曲面，设 一组点p t j ( i = o ，1 ，2 ，m ：j = o ， 1 ，2 ，n ) ，则通用b 样条曲面 方程为： mh p ( u ，v ) = 巨( “) 与，。( v ) p i j p j = oj = o 3 、几种简化曲面生成方法 ( 1 ) 线形拉伸面 这是将一条剖面线c ( u ) 沿方向d 滑动所扫成的曲面。设滑动距离为d ，且n u r b s 曲线，则扫成的线形拉伸面可写成 lnl s ( “，v ) = ，。( “) j ，：( v ) 弓，。o ) ? 1 ：( v ) 弓 t=oj曲t-qi卸 其中控制顶点和权因子定义为 只。= # ，p 。= e + d d ，w 、。= w 1 = _ ( 2 ) 直纹面 给定两条相似的n u r b s 曲线或其他曲线，它们具有相同的次数和相同的节点 第5 页 ，呻 v 山东大学硕士学位论文 矢量，将两条曲线上对应点用直线相连，就构成了直纹面。 ( 3 ) 旋转面 将定义的曲线绕某轴( 如z 轴) 旋转3 6 0 。，就得到旋转面。旋转面的特征是与 2 轴垂直平面上的曲线是一个整圆。 ( 4 ) 扫描面 扫描面构造方法很多，其中应用最多、最有效方法是沿导向曲线( 亦称控制曲 线) 扫描而成为曲面，它适用于具有相同构形规律场合。具体定义时，只需在给 定的距离内，定义垂直于导向曲线的剖面曲线即可。 1 1 3c a d c a p p c a m 系统 1 c a x a 系列c a d c 黼a e 软件h 电子图版：适用于通用绘图和设计的c a d 软件。可用于机械制图、电气制图、 建筑制图、平面包装等所有需要二维绘图的场合。是一种高效、方便、智能化的 设计和绘图工具。 注塑模具设计：注塑模专业c a d 软件。提供注塑模标准架和零件库，以及塑 料、模具材料和注射机等的设计参数数据库。可随时查询、检索；并能自动换算 型腔尺寸，对横具进行各种计算。 线切割：面向数控线切削机床的c a m 软件，可以交互方式绘制需切割的图形， 自动生成带有复杂形状轮廓的两轴线切割加工轨迹。输出3 d 或g 代码，支持快、 慢走丝线切割机床、水切割、火焰切割、激光切割等数控机床的编程加工。 数控铣：面向数控铣床的c a m 软件。可对包含任意多个干涉岛的复杂形状= 维区域进行铣削加工编程。并可生成加工腔槽带有拔模斜度的二轴半刀具轨迹。 c a 数控铣充分利用数控机床的“固定循环”功能，实现钻孔、深钻孔、攻丝、 镗孔等十几种加工方式。 制造工程师：面向加工中心的c a m 软件。强大的造型功能可快速建立复杂的 三维模型，具有灵活多样的加工方式，快速生成加工轨迹。通用后置处理适用于 各种数控系统。支持三坐标测量机，具有数控代码反读和真实感仿真功能。 注塑工艺设计：是与美国c 4 订o l d 公司合作开发的面向注塑行业的c a e 软 件。采用国际c a e 技术的最新成果，通过科学的分析方法和简便的操作，可预测 注塑工艺过程，确定优化的注塑工艺参数，达到优化设计的目的。 第6 其 山东大学硕士学位论文 矢量。将两条曲线上对应点用直线相连，就构成了直纹面。 ( 3 ) 旋转面 将定义的曲线绕某轴( 如z 轴) 旋转3 6 0 。，就得到旋转面。旋转面的特征是与 2 轴垂直平面上的曲线是一个整圆。 ( 4 ) 扫描面 扫描面构造方法很多，其中应用最多、最有效方法是沿导向曲线( 亦称控制曲 线) 扫描而成为曲面它适用于具有相同构形规律场合。具体定义时，只需在给 定的距离内定义垂直于导向曲线的剖面曲线即可。 1 c a x a 系列c a d t c a m c a e 软件1 3 j 电子图版：适用于通用绘图和设计的c a d 软件。可用于机械制图、电气制图、 建筑制图、平面包装等所有需要二维绘图的场合。是一种高效、方便、智能化的 设计和绘图工具。 注塑模具设计：注塑模专业c a d 软件。提供注塑模标准架和零件库，以及塑 料、模具材料和注射机等的设计参数数据库。可随时查询、检索；并能自动换算 型腔尺寸，对模具进行各种计算。 线切割：面向数控线切割机床的c a m 软件，可以交互方式绘制需切割的图形， 自动生成带有复杂形状轮廓的两轴线切割加工轨迹。输出3 d 或g 代码，支持快、 慢走丝线切割机床、水切割、火焰切割、激光切割等数控机床的编程加工。 数控铣：面向数控铣床的c a m 软件。可对包含任意多个干涉岛的复杂形状二 维区域进行铣削加工编程。并可生成加工腔槽带有拔模斜度的二轴半刀具轨迹。 c a x a 数控铣充分利用数控机床的“固定循环”功能，实现钻孔、深钻孔、攻丝、 镗孔等十几种加工方式。 制造工程师：面向加工中心的c a m 软件。强大的造型功能可快速建立复杂的 三维模型，具有灵活多样的加工方式。快速生成加工轨迹。通用后置处理适用于 各种数控系统。支持三坐标铡量机，具有数控代码反读和寞实感仿真功能。 注塑工艺设计：是与美国c m o l d 公司合作开发的面向注塑行业的c a e 软 件。采用国际c a e 技术的培新成果，通过科学的分析方法和简便的操作，可预测 注塑工艺过程，确定优化的注塑工艺参数达到优化设计的目的。 注塑工艺过程，确定优化的注塑工艺参数达到优化设计的目的。 第6 贾 山东大学硕士学位论文 当前在国际范围内，最值得我们注意跟踪的机械c a d 软件有法国达索公司的 c a t i a 、美国麦道公司的u g i i 、s d r c 公司的i - d e a s 、a p p l i c o n 公司的b r a v o 、 c d c 公司的i c e m 、p r i m e 公司的c a d d s 5 、法国的e u c l i d 和美国的i n t e r g r a p h 等。 这些公司技术积累根底厚、系统功能强、集成度高、市场占有奉大、业务经营有 方，都有继续迅速发展的实力后盾。 2 u n i g r a p h i c s l i ( u g - i i ) c a d c a m 系统1 4 叫 u g i i 起源于美国麦道公司的产品。它是美国麦道公司从1 9 7 5 年买下一家小 公司( u n i t e d c o m p u t i n g c o r p o r a t i o n ) 后发展起来的。 u g i i 是一个集c a d 、c a e 和c a m 于一体的机械工程辅助系统。适用于航 空航天器、汽车、通用机械以及模具等设计、分析、制造工程。该软件可在h p 、 s u n 、d e c 等工作站上运行。自称安装总数近3 万台，广泛用于航空、汽车、发 动机和其他机械行业。u g - h 主要功能及特点有： u g i i 的曲面实体造型起源于英国形谱数据公司的p a r a s o l i d 系统，采用了 标准的r r e p 结构的实体模型。 u g i i 发展了概念设计思想，即草图设计，基于“变量几何”的设计思想， 通过修改参数而改变设计。 基于特征的实体造型。 尺寸驱动编辑功能：用户利用编辑技术，指定草图的约束，特征参数和几 何关系，利用尺寸驱动生成所需的实体模型。 u g - i i 具有统一的数据库，实现了c a d c 胱a i v l 之间无数据交换的自由 切换。 u g i i 提供二次开发工具g r i p 、a p i ，允许用户扩展u g i i 功能。同时也 以工业标准软件工具集提供用户，作为开发目的的系统工具。 3 p r o e n g i n e e r 系统i “叼 p r o e n g i n e e r 系统是美国参数化技术公司的产品。该公司成立于1 9 8 6 年， 它虽然成立较晚，但由于没有沉重包袱，设计思想先进，在短短的几年里很快就 开发出一个面向机械工程的p 啪n g i n e e r 系统。它的一面世，就以它的尺寸驱 动、基于特征设计的实体造型软件深受用户欢迎。有的热情用户把它称作下一代 c a d 系统，并将取代现存的c a d 系统。从1 9 8 8 年销售额仅为3 2 7 万美元，到1 9 8 9 年达1 1 0 3 万美元，增加了三倍以上，从这种商业上的成就可知p r o e n g i n e e r 确实是一个设计思想新颖的好软件。当时的p t c 公司也公开宣称，将与i b m 公司 第7 其 山东大学硕士学位论文 _ i i l _ 一 的c a d a m 和c a t i a ，p r i m e 公司的c a d d s 和m e d u s a ，麦道公司的u g i i ，s d r c 公司的i - d e a s ，以及法国的m a t r a 公司的e u c l i d 等产品进行竞争。 同时也有人指出，上述这些系统已经在几万台工作站上运行，有很深的工业 应用根基。仅在市场上销售一二年产品的小公司p t c 竟如此自以为是，怎能和这 些公司的产品相比呢! 不出所料，一年后很多人指出它存在的问题或不足之处有 数十条之多。甚至有的用户扬言要控告p t c ，它未能实现软件应有功能的承诺。 在这样严峻的舆论压力下，p t c 公司继续埋头苦干，不断改进，又取得新的进展， 在1 9 9 2 年的a u t o f a c t l l 会议上得到了充分的肯定。1 9 9 1 年p t c 售出 p r o e n g i n e e r 共计2 5 0 0 套，1 9 9 1 年比1 9 9 0 年增长了6 2 ，而u g i i 增长为2 3 ， c a t i a 增长为3 4 ，c v 增长为1 0 。 在最近几年里，p r o ，e n g i n 班盈成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统， 其原因如下： 该公司每年都要推出两个强化功能的新版本，而且不断扩大应用范围，以确 保产品满足客户的多种需要。这种更新版本的速度是一般公司跟不上的。 p r o e n g n e e r 仅生成实体模型来描述工程师所设计的产品模型，不再应用 线框和表面模型转换成实体模型的手段，思路清晰。由于它有完整而统一的模型， 在整个设计的相关环节上反映出来。 p r o 脏n g e e r 采用基于参数化，特征设计的三维实体造型系统，这样便于 在新产品的开发中实现概念设计，也可方便的依照工业标准的零件族概念建库。 真正采用u n i x 、x w i n d o w 等国际上标准的软件开发环境，一开始就建立在工 作站上，使系统独立于硬件，便于移植。它已经在五十多种不同档次的工作站上 运行，其中包括d e c 、h p 、m m 、s u n 、s g e 等。 p r o 但n g i n e e r 用户界面简洁，概念清晰，符合工程技术人员的设计思想与 习惯，并且售价合理。 1 1 4 模具c a d c a m 的发展概况 c a d c a m 技术是近二十年来迅速发展起来的计算机应用方面的新技术，随着 c a d c a m 技术的推广应用，给制造业带来了一次技术革命，深刻地改变着人们设 计和制造各种产品的思维方式和常规手段。 模具制造业中c a d c a m 技术的应用，无论是提高生产率，改善质量方面，还 第8 瓦 山东大学硕士学位论文 是降低成本、减轻劳动强度方面c a d c a m 技术的优越性是传统的模具设计制造 方法所不能比拟的。l 、c a d c a m 可以提高模具质量，计算机系统内存储了各有 关专业的综合性技术知识，为模具的设计和工艺制定提供了科学的依据，计算机 和设计人员之间的交互作用，使模具的设计制造工艺更加合理化，系统采用优化 设计方法有助于某些工艺参数和模具结构的优化。2 、c a d c a m 可以节省劳动时 间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短了设计周期。3 、c a d c a m 可大幅度的降低成本。计算机高速运算和自动绘图大大节省了劳动力，优化设计 带来了原材料节省，采用c a m 可加工传统方法难以加工的复杂模具型面，可减少 模具的加工调试时间，使制造成本降低。此外，采用c a d c a m 技术，生产准备 时间缩短，产品更新换代快，大大增强了产品的市场竞争力。 由于模具c a d c a m 技术具有传统方法无法比拟的优越性，所以许多模具公 司开始重视c a d c a m 技术，1 9 6 4 年美国通用汽车公司就研制了一种车身 c a d c a m 系统，英国p s f 公司于1 9 6 6 年前后实现了车身制造一体化技术改革； 1 9 7 3 年美国的d i e c o m p 公司眼界成功了p d d c 连续模c a d 系统，设计人员可 以选择模具的结构形式，方便地设计凸模模芯和模架等，该系统提高了设计质量， 缩短了设计周期，设计一套模具的时间由原来的手工设计的8 周期缩短至2 周： 1 9 7 7 年，捷克金属加工工业研究所研制成功了a k t 系统，可用于简单、复合和连 续冲截模的设计制造，周期从原来的月缩至8 天，成本降低一半，经济效益十 分显著；1 9 7 7 年美国o b e r g 公司采用c a d 系统，同时应用计算机数控编程：1 9 7 8 年日本机械工程实验室建立的m e l 连续模设计系统和1 9 7 9 年日本旭光学工业公 司研究成功的设计冲模的p e n t a x 系统，可使模具的设计效率提高4 - - - 1 0 倍；1 9 8 0 年丰田汽车公司开始采用模其c a d c a m 系统，此系统的三维图形功能较强，能 在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成型时不至于产生各种工艺缺陷，从 而保证模具的加工质量，该系统还可从产品结构中获得数据，输入计算机后，可 在荧光屏上从三个方向检查零件的形状和翻转位置，于是一个模面的整体数据生 成，将这些数据暑热t i n c a 软件，便能对零件进行数控加工：1 9 8 2 年日立公司建 立的冲模c a d 系统使一副连续模的设计时间由2 0 天缩至5 天：1 9 8 2 年日本三菱 摩托公司的车身c a d c a m 系统用来设计制造冷冲模；1 9 8 5 年日本日新精密机器 公司的模具c a d c a m 系统能够进行自动数控编程，能二次开发软件。 我国横具c a d c a m 的开发，是7 0 年代末才开始的。我国的模具c a d c a m 起步较晚，与先进的工业国家相比尚存在很大的差距，到目前为止，先后通过有 第9 其 山东大学硕士学位论文 关部门鉴定的有1 9 8 4 年的精密冲模c a d c a m 系统，1 9 8 5 年北京机电研究院开发 的冲截模c a d c a m 系统，1 9 8 6 年华中理工大学的冷冲模c a d c a m 系统和上海 交通大学模具研究所开发的冷冲模c a d c a m 系统，另外，浙江大学、清华大学、 西安交通大学等在模具c a d ，c a m 系统方面取得了可喜的成果，特鄹是国家把模 具c a d c a m 系统列为“八五”重点科研项目后，有力地推动了模具c a d c a m 的发展，目前我国模具行业推广应用c a d c a m 技术尚存在的主要问题是： c a d c a m 支撑软件的生产能力落后，价格昂贵：c a d c a m 应用水平落后，目前 我国先进单位的总体水平还处于用总控程序来驱动数据库c a d c a m 系统，一般 单位则需要借助操作系统控制下的c a d 系统与a p t 语言连接起来进行n c 加工； 曲面加工中，曲面的加工质量与刀具轨迹的优化仍然是一个没有很好解决的问题。 今后几年，我国的c a d c a m 技术将会得到更快的发展，国家对模具业，特别是 汽车工业的重点扶植，为c a d c a m 技术的发展提供了更好的环境。 1 2 逆向工程【9 1 0 j 随着计算机技术的发展，c a d c a m 技术已成为产品设计制造人员进行研究开 发、制造生产的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模 具设计，方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程 中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却 是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物 信息转化为c a 0 模型，这就应用到了逆向工程技术( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。所谓 逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通 过三维几何建模方法重构实物的c a d 模型的过程。 逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。逆向工程是从产品原型出发， 进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用c a d c a e c a m 以及c i m s 等先 进技术对其进行处理。 一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在 工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容： ( i ) 新零件的设计，主要用于产品的改型或仿型设计。 ( 2 ) 已有零件的复制，再现原产品的设计意图。 ( 3 ) 损坏或磨损零件的还原。 第j o 贾 山东大学硕士学位论文 i i i i i i l l li i - - _ _ _ _ _ i _ _ l l - - l _ _ - _ _ _ _ _ _ l _ - i _ - _ - l _ i _ ( 4 ) 数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等以及进行模型 的比较。 逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业 信息传递的重要而简洁途径之一。 1 2 1 逆向工程技术实施的条件 逆向工程技术实旋的硬件在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三 维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国 内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三 维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式 测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据 信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有 了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的c y c l o n 2 高速扫描仪，可实现激光测头和 接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0 0 5 蛐，接触式扫描测头精度可达 0 0 2 咖。可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国6 0 m 公司的a t o s 扫 描仪在测量时，可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实 物表面数据，扫描范围可达8 r e x 8 m 。a t o s 扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可 用于汽车、摩托车内外饰件的造型工作。此外，日本罗兰公司的p i x 一3 0 网点接触 式扫描仪，英国泰勒霍普森公司的t a l y s c a n1 5 0 多传感扫描仪等，集中体现了 检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点。为实现从实物建立数学模 型c a d c a e c 州一体化提供了良好的硬件条件。不同的测量对象和测量目的， 决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的 特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材 质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫 描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进 一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用 非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远无材质要求，但设备成本 较高。 目前比较常用的通用逆向工程软件有s u r f a c e r 、d e l c a m 、c i m a t r o n 以及s t r i m 。 具体应用的逆向工程系统主要有以下几个：e v a n s 开发的针对机械零件识剐的逆向 第1 l 贾 山东大学硕士学位论文 工程系统：d v o r a k 开发的仿制旧零件的逆向工程系统；h h d a n z d ec n cc m m 系统。 这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一 些大型c a d 软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如p r o t e 的i c e ms u r f 和 p r o s c & n t o o l s 模块，可以接受有序点( 测曩线) ，也可以接受点云数据。其它的像 u g 软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆 向工程的实施提供了软件条件。 做一个逆向设计的工作，可能比做一个