棱体成形车刀参数化CAD系统设计论文

PAGE4棱体成形车刀参数化CAD系统设计学生姓名：李欣班级：040313指导老师：王有远摘要:成形车刀是广泛应用于各种车床及自动线加工的专用刀具，可用于加工各种回转的成形表面。基于此，作者开发了一种基于WindowsXP和VBA（VisualBasicforApplication）为二次开发平台、以AutoCAD为开发环境的高精度、基于特征的棱体成形车刀参数化CAD设计系统，大大提高了设计效率。通过深入研究成形车刀设计理论及VBA技术，描述了如何利用计算机辅助技术设计棱体成形车刀参数化CAD系统。从而有效地减少设计的时间及成本，大大提高了成形车刀的设计效率，解决了成形车刀设计的低效率问题。本文根据软件的需求目的，对软件的整体结构作了规划设计，确定了软件的体系结构，建立了成形车刀的模块化设计方案和自动设计编程程序流程图，使用数据库技术选择成形车刀的成形车刀的切削角度、结构尺寸、棱体成形车刀的燕尾槽结构尺寸等数据。使用者只需要以人机交互方式输入必要的设计数据，系统即可设计出符合要求的棱体成形车刀，并输出符合国际要求的工程图。本文对软件进行的运行测试结果表明，软件运行稳定，设计结果准确，软件各功能模块运行准确可靠，配合协调。软件运行界面简洁美观，操作简单方便.关键词：棱体成形车刀，VBA，AutoCAD,计算机辅助设计指导老师签名：ParameterizedCADsystemdesignofFlatFormingTurningToolStudentname:LiXinClass:04031340Supervisor:WangYouYuanAbstract:Theformedturningtoolisaspecialtool,whichhasbeenwidelyusedinavarietyoflathesandautomaticmachiningassemblylines.Basedonthis,theauthorhasdevelopedonekindbasedonWindowsXPandVBA(VisualBasicforApplication)isthere-developmentplatforms,takeAutoCADasthedevelopmentenvironmenthighaccuracy,basedonthecharacteristicflatformingturningtoolparameterizedCADdesignsystem,raisedtheratedcapacitygreatly.ThroughfurtherinvestigationsintothedesigntheoryofformedturningtoolsandtechnologyofVBA,describeusingthecomputerauxiliarytechnicaldesignflatforminglathetoolparameterizedCADsystem.Thusreducesthetimeandcostofrevisingeffectivelyandhasimprovedthedesignefficiencyofformedturningtoolsgreatly,alsosolvestheproblemoflowefficiencycompletely.Thisthesisestablishesthewholestructuralprogramming,amoduleplan,designflowchartsofformedturningtoolsonphebasisofrequirementpurposeofthesoftware.Furdhermore,cuttingangle,parametersofstructuredimensionandthedovetailsdotstructuresizdobflatforminglathetoolaredesignedbytheuseoffatabasetechnique.Afternecessarydesigndataareinputtothesystembyaninteractiveme`ns,thedesignandoutputofengineeringdrawingoftheflatformingturningtoolcanbeautomaticallycompletedasrgquested.Thetestresultofthesoftwareverifiesthestabilityoftherunning,theaccuratedesignresultoftheformedturningtools.Allfunctionmoduleofthesoftwarecanrunaccuratelyandreliably,andcanworkharmoniously.前言1.1课题研究背景1.1.1成形车刀的优点和缺点成形车刀可加工各种回转的成形表面，广泛用于自动机床和自动生产线中，成形车刀具有以下优点:(l）生产率高:成形车刀刀刃相当于多刃刀具，同时参加工作的切削刃总长度较长，只要经过一个切削行程即可切出成形表面，操作简单、生产率较高。(2)加工质量稳定:使用成形车刀加工，由于工件的成形表面主要取决于刀具切削刃的形状和制造精度，所以它可以保证被加工工件表面形状和尺寸精度的一致性与互换性，可以保证稳定的加工质量，基本不受操作工人技术水平的影响，经过精确设计制造和安装调整，加工精度可达IT9-IT10，表面粗糙度可达Ra5~10µm。(3)刀具寿命长:成形刀具的可重磨次数较多，使用寿命较长。但是它的切削刃形状是根据工件的廓形设计的，而且由于工作的切削刃较长，易产生振动;同时由于刀具前、后角的关系，将导致刀具廓形异于工件廓形而产生畸变，所以成形刀具的设计和制造较复杂，成本也较高价。1.1.2传统成形车刀设计方法的弊端传统的成形车刀设计的方法有:作图法、计算法和查表法三种。这些设计方法主要依靠手工，它们周期长、工作量大而且精度也比较低。很难满足现在日益增长的生产要求。1.1.3成形车刀参数化研究的现状计算机技术的发展给成形车刀的设计提供了方便，提高了设计效率。但是由于那些设计一法从从廓形设计的原理上来讲属于作图法或者计算法，只是通过增加组成点的方法来实现，提高了设计精度，采用以直线或圆弧近似地设计廓形，圆锥部分也是用直线联接，母线为曲线的部分用光滑曲线连接或采用代用圆弧，存在较大的廓形误差，且未实现参数化设计。近年来，一些高端三维CAD软件如:UG、Pro/E等在我国开始广泛应用，其功能的进一步增强，以及它们能支持高级语言的开发如VC、VB等，同时又内嵌了专用的编程语言。这样就可以以一种高端三维CAD软件的二次开发平台，与之支持的高级语言及内嵌语言为开发环境来对成形车刀进行高精度、基于特征的参数化设计。利用三维CAD软件的强大的功能，在三维实体环境中用建模的方法可以直接得到精确的成形车刀的三维实体模型，再从三维模型直接生成与之相关联的对生产指导性强的工程图，然后利用机床上的CAXA软件调用生成的工程图，就可以得到成形车刀的数控加工代码。1.1.4研究成形车刀参数化CAD系统设计的实际意义随着科学技术的发展和计算机的普及，目前CAD己经进入普及应用阶段。近年来一些研究人员采用计算机技术，尤其以AutoCAD、Soldiwbrks等二维、三维CAD软件进行成形车刀的廓形及结构设计。这些应用系统在一定程度上确实减少了重复计算工作和繁重的绘图工作，提高了设计精度和设计效率。而参数化CAD系统设计能够更好的发挥CAD准确、快捷的优势，能够更好的为成形刀具的设计制造服务。1.2开发工具的选择选择VBA（VisualBasicforApplication）为开发工具，对CAD进行二次开发，实现棱体成形车刀参数化CAD系统的设计。1.3研究目标（1）利用基于特征的参数化设计方法实现棱体成形车刀的设计，从而有效地减少设计的时间及成本，解决成形车刀设计的效率低的问题。（2）棱体成形车刀燕尾槽等廓形尺寸数据采用数据库技术。1.4论文的组成本文详细阐述了成形车刀CAD设计系统开发的背景、对实际的指导意义、所解决的实际问题、棱体成形车刀设计系统的总体结构设计和棱体成形车刀的CAD设计系统实现的各个关键技术等。第1章前言：介绍本文研究的开发背景、内容、目的和意义，系统开发工具的选择以及本文的组成。第2章开发工具简介和软件运行环境：主要包括两方面的内容：一、首先介绍VBA的主要性能和二次开发的相关技术。二、有关AutoCAD的介绍。第3章棱体成形车刀参数化CAD系统设计方法：主要介绍如何对棱体车刀进行参数化CAD设计。提出棱体成形车刀参数化CAD系统的总体设计方案、自动设计编程程序流程图、模块图以及各个模块所涉及的关键技术。第4章棱体成形车刀参数化CAD系统的应用：介绍如何使用该系统生成棱体成形车刀工程图和进行车刀廓形的加工。开发工具选择2.1AutoCAD简介CAD（ComputerAidedDesign）的含义是指计算机辅助设计，是计算机技术的一个重要的应用领域。AutoCAD则是美国Autodesk企业开发的一个交互式绘图软件，是用于二维及三维设计、绘图的系统工具，用户可以使用它来创建、浏览、管理、打印、输出、共享及准确复用富含信息的设计图形。AutoCAD是目前世界上应用最广的CAD软件，市场占有率位居世界第一。AutoCAD软件具有如下特点：具有完善的图形绘制功能。具有强大的图形编辑功能。可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。支持多种硬件设备。支持多种操作平台。具有通用性、易用性，适用于各类用户。2.2AutoCAD2002的新特性AutoCAD2002在AutoCAD2000和AutoCAD2000i的基础又增添了一些新的功能，主要包括如下几个方面：1.数据交换DesignXML功能扩展了DWG文件数据的作用，可以使外部应用程序和进程无缝地控制和创建设计数据，从而加快了设计团队内部或团队之间的设计信息交流。使用“CAD标准”功能可以选择和支持用户的图形协议，自动标准检查可降低企业的风险和避免泄密。增强的属性提取工具允许提供块属性数据并以comma-separatedtext（CSV），MicrosoftExcel（XLS），和MicrosoftAccess（MDB）等文件格式输出。2.团队合作更新的PublishtoWeb（发布到Web）提供各种样板，并允许用户自定义。制造商也可以利用它以Autodesk’si-drop的格式来发布产品数据。Autodesk的门户网站PointA为其用户提供了价格低廉的网络存储服务。在AutoCAD中可直接利用这种服务来发布、共享或接收文件。AutoCAD中的Internet文件夹使用户可以更加灵活地在Web上进行合作和文件存储，并允许用户使用任何可用的Web结点来存储和共享文件。电子传递（eTransmit）支持“CAD标准”功能。用户可以在传递的设计数据中包含设计标准，接收到数据的其他用户则可以检查自己的工作是否与此标准相符。“CAD标准”功能允许在文件中使用URL，利用这个功能，设计团队的全体成员可以通过Internet或Intranet来查找和使用企业的标准，而不必考虑其本身所在的位置。3.兼容性AutoCAD2002没有改变DWG文件格式，因此可以百分之百的兼容AutoCAD2000和AutoCAD2000i的文件。AutoCAD2002同样兼容那些针对AutoCAD2000和AutoCAD2000i开发的应用程序。4.CAD的功能得到增强使用关联标注（AssociativeDimension），用户在对图形文件中已标注的几何对象进行修改时，则其标注将根据修改结果来自动调整。这个功能还支持图纸空间中的模型空间对象标注，因此在模型空间的关联几何对象被修改后无需对标注进行人工更新。使用块属性管理器可以直接修改块中的属性，而无需对块进行分解或重定义，同时，用户所进行的修改将立刻从所有已插入的块中反映出来。2.3VBA简介VBA（VisualBasicforApplication）是一种完全面向对象体系结构的编程语言，由于其在开发方面的易用性和具有强大的功能，因此许多应用程序均嵌入该语言作为开发工具。Autodesk公司也在AutoCADR14.01版本开始内置了VBA开发工具，同时提供了适用于VBA开发的ActiveXAutomation对象模型。在AutoCAD2002版本中内置的VBA是基于VisualBasic6.0版本。其具有很强的开发能力，其主要功能包括：创建对话框及其它界面。创建工具栏。建立模块级宏指令。提供建立类模块的功能。具有完善的数据访问与管理能力，可通过DAO（数据访问对象）对Access数据库或其它外部数据库进行访问和管理。能够使用SQL语句检索数据，与RDO（远程数据对象）结合起来，可建立C/S（客户机/服务机）级的数据通信。能够使用Win32API提供的功能，建立应用程序与操作系统间的通信。从功能上来说，VBA与VB几乎完全一样，或者说VBA是VB的一个子集。但它们之间更本质的区别在于VBA没有自己独立的工作环境，而必须依附于主应用程序；而VB则不依附于任何其它的应用程序，具有完全独立的工作环境和编译、连接系统。由于VBA依附于主应用程序，因此它与主应用程序之间的通信简单而富有效率，其代码完全是在进程内执行的。VBA的代码在AutoCAD中仍以解释的方式执行，但由于它与AutoCAD共享内存空间，因此执行速度比ADS程序还要快。棱体成形车刀参数化CAD系统设计方法3.1系统的总体设计3.1.1棱体成形车刀设计系统的模块化设计模块化的概念己经采用了二十多年，软件结构的模块化最能体现软件设计的要求。模块即为结构中的方框，模块之间的关系为上层统率下层，其主要特征是抽象和信息隐藏，即各模块之间具有相对独立性，各模块各自实现一定的功能，而且与软件结构的其它部分具有简单的接口。把整个程序分成若干个子任务或模块，称为模块程序设计。使用模块程序设计时面临的问题是如何把程序分成模块以及如何把各模块组合在一起。采用模块程序设计的优点如下:(l）单个模块要比一个完整的程序易于编写、查错和测试;(2)一个模块有可能在很多地方或其它程序中应用，这样可以把这样的模块作为子模块，如同子程序一样;(3)模块程序设计允许程序员分划任务，允许很多人来共同完成较大的任务;(4)整个程序的查错与修改也比较方便;(5)模块设计容易让人清楚地知道已取得多大进展，还有多少工作要做。棱体成形车刀设计CAD系统模块的构成。（见图1）3.2数据采集数据采集模块主要是采集用户界面中的数据，然后根据采集到的数据在数据库中定位，读取数据库中的数据，运用的关键技术主要是数据库技术。成形车刀CAD设计系统采用数据库技术来保存和维护应用程序的数据。数据库技术彻底消除了设计人员对成形车刀设计手册的依赖性，保证了成形车刀设计参数的正确性及规范性。在设计过程中，成形车刀的前角、后角、燕尾槽的结构尺寸等都都利用了数据库技术。3.3刀具的设计3.3.1基于特征的参数化技术的概述我们要设计的是棱体成形车刀的参数化CAD设计系统，那么我们先对什么是参数化设计进行下了解。近年来参数化设计的应用越来越广泛，因此就出现了将参数化设计应用到特征造型中去，使得特征具有可调整性，主要是针对特征的几何和拓扑信息。利用混合法来建立特征模型，使形状特征可以根据需求而变化，这就是基于特征的参数化设计。基于特征的参数化设计将基于特征的设计与参数化设计有机的结合起来，使用较完整的带有语义的特征描述方式，并使特征本身就包含参数化变动所需的成员变量和成员函数，将面向对象的技术应用于特征的描述，在造型中也使用参数化，随时可调整产品结构，尺寸，并因此带动特征自身的变动，实现产品的基于特征的参数化设计。基于特征的参数化造型是实体造型、参数化造型、特征造型的综合，是特征及其相关尺寸、公差的变量化描述。特征可视为如下三类属性描述的面向几何的物体:(l)数据属性指特征的静态信息。(2)规则或方法属性用于定义的特定设计和制造特性。(3)关系属性用于描述特征间的相互依赖关系，或定义形状特征间的位置关系。基于特征的参数化造型定义方法如图3.12所示，产品的描述是形状特征的集合，产品的描述包括特征构成的描述和参数化变量的描述。产品的几何模型实质上由许多几何体素构成，几何体素可以是实体、曲面或线框模型。而产品的约束通常可分为几何约束和工程约束两大类。几何约束包括结构约束(也称拓扑约束)和尺寸约束。结构约束指对产品结构的定性描述，它表示几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等，进而可以表征特征之间的相对位置关系。尺寸约束是特征几何元素之间相互位置的量化表示，是通过尺寸标注的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。尺寸约束是参数化驱动的对象，尺寸约束不仅可以变动，而且需要标注和显示。工程约束是尺寸之间的约束关系，包括制造约束关系、功能约束关系、逻辑约束关系等，通过人工定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。3.3.2数据采集部分数据采集模块主要是采集用户界面中的数据，然后根据采集到的数据在数据库中定位，读取数据库中的数据，运用的关键技术主要是数据库技术。成形车刀CAD设计系统采用数据库技术来保存和维护应用程序的数据。数据库技术彻底消除了设计人员对成形车刀设计手册的依赖性，保证了成形车刀设计参数的正确性及规范性。如表1、表2所示为棱体成形车刀的结构尺寸和前、后角的数据库。表1表2我们利用数据库技术把众多数据综合到一个数据库中，大大减轻了使用的工作负担，提高了工作效率。3.3.3刀具初步设计棱体成形车刀如下图所示：图2：棱体成形车刀刀体呈棱柱体，可重磨次数比平体成形车刀多，缺点是只能用于加工外成形表面。在设计的系统内，棱体成形车刀的主要结构设计参数采用数据库模式，将标准的结构尺寸要求存入数据库文件中，使用者不需要查表就能清楚的知道所需要的技术参数。要使用计算机辅助技术设计棱体成形车刀，首先要了解传统的棱体成形车刀设计方法。由于成形车刀刀体的总宽度决定成形车刀的结构尺寸，而且是检验成形车刀是否合格的标准之一，又根据成形车刀刀体总宽度公式:Lc=L十a+b+c十d，所以，刀体总宽度的确定，归根结底是确定成形车刀的附加刀刃。（见图3）图3：刀体总宽度Lc成形车刀的刀体总宽度Lc与切削刃总宽度Lc1相等，即Lc为L+a+b+c+d，式中各尺寸含义如图3所示，L为工件廓形宽度;a为避免切削刃转角处过尖而附加的切削刃宽度，取a=0.5~3mm;b为考虑工件端面加工和倒角而附加的切削刃宽度，其数值应大于端面精加工余量和倒角宽度。如工件有倒角，则此段的Kr值应等于倒角值，b值应比倒角宽度大1~1.5mm。系统需根据该值来判断工件的最右端是圆弧还是倒角部分。c为保证后序切断工序顺序进行而设的预切槽切削刃宽度，取c=3~8mm;d为保证切削刃超出工件毛坯表面而设的附加切削刃宽度，取d=0.5~回转体类零件廓形一般由圆弧段、直线段及其它非圆曲线段构成。由于各段廓形的修正计算方法各不相同,因此在进行廓形修正计算前首先要区分圆弧段和直线段。系统根据用户以人机交互方式输入的各转折点的直径及对应的上、下偏差和轴向距离进行数据处理和廓形计算,并根据预先确定的绘图方向进行坐标点设置。在对圆弧段进行修正计算时,需判断该圆弧是凸圆弧还是凹圆弧、是对称圆弧还是非对称圆弧。当工件成形表面为圆弧时,由于前角和后角的存在,与之对应的成形车刀廓形实际上已不是圆弧形。但在圆弧形状精度要求不高时,为简便起见,可仍以圆弧作为刀具廓形,不过其半径将增大,如图4所示。图中1-2-3表示半径为r、中心在O点、廓形深度为ap的工件圆弧。用计算法可求出刀具廓形深度P及点2′,然后通过1,2′,3作一圆弧,该圆弧即为可替代刀具廓形曲线的近似圆弧,其半径R及中心点OC的位置可从△OA3及△O图43.3.41．棱体成形车刀的计算公式加工外圆表面棱形车刀和工件关系示意图如图5所示图5（1）h=rmax×sinγ（2）A=h÷tgγ式中A——刀尖到工件中心距离（3）工件计算点E到过工件中心O且与前刀面距离B=√r²-h²C=B–A（4）刀具截形深度Tmax=Px=C×COS(α+γ)刀具切削刃上最外一点置于工件最小半径的水平面上,根据工件轴剖面上的廓形深度来计算刀具法剖面(N2N)内的廓形深度。刀具成形刃的宽度和工件轴向尺寸相等,不需进行修正计算。因此刀具廓形设计就是计算刀具的廓形深度Px。2．圆弧截形的计算公式参见图6有图6式中：3.3.5棱体成形车刀的廓形设计是通过对工件部分划分组成点的方法来实现的。首先获取工件廓形上各组成点的尺寸参数,包括组成点的半径。每段廓形的长度及圆弧段母线半径等,根据工件造型确定其增加的组成点数,然后计算工件廓形上所有组成点的坐标和车刀刃形所有组成点的坐标。如下图零件图7根据该零件的尺寸要求，将它划分为7点，计算1、2..7各点的轴向、径向尺寸的上下限数值。以图7中右端为轴向(y)尺寸的坐标圆点,以工件成形表面直径最小处的1点为x轴的坐标圆点。将计算结果输入到系统中，再根据一些前面所取的必要尺寸参数，系统将很快完成刀具设计工作。3.3.6棱体成形车刀的尺寸可分为形状尺寸和位置尺寸。进行尺寸自动标注时,应注意尺寸的重复标注、漏标及相对位置尺寸的相互干涉等问题。成形车刀样板廓形与成形车刀廓形(包括附加切削刃)完全相同,尺寸标注基准应为刀具廓形的尺寸标注基准。本系统设计了相应的子函数,可对尺寸进行排序和自动标注,并可将已标注尺寸的工作图及样板图以图块(BLOCK)形式保存,以备调用。3.4图形的输出1．图幅设置系统可根据成形车刀的尺寸自动选择图幅(也可由用户自行选择图幅大小),并调用INSERT命令按一定比例将已生成的工作图、样板图图块插入到合适的位置。2．标题栏填充和技术要求标注系统开发了标题栏和技术要求输入对话框。在对话框中填入诸如设计者姓名、材料、比例等信息后,系统即可自动将其填入标题栏中的相应位置。棱体成形车刀参数化CAD系统的应用4.1棱体成形车刀参数化CAD设计系统的操作应用成形车刀CAD设计系统来设计成形车刀，用户的工作只是选择所需的基本参数、工件材料的机械性能，输入基本坐标点的坐标位置。点击按钮便可自动实现成形车刀的精确设计。下面以图8所示零件为例，说明棱体成形车刀参数化CAD设计系统的应用。图8已知:加工工件模型如图8所示，工件材料:Y15易切钢;工件材料的机械性能бb=0.49GPa。要求:生成加工此工件的棱体成形车刀的二维工程图设计操作步骤如下:(l)进入AutoCAD系统,加载工程棱体车刀参数化CAD设计系统，如图9所示。(2)加载完成后点击运行宏，出现图10所示的成形车刀设计总对话框。图9图10(3)点击进入系统，即出现图11示的对话框。在这个界面里，用户可以根据要求选择合适的图纸，和进行一些必要的标题栏填写。完成后点击确定按键后在弹出的AutoCAD画图版上用鼠标选取一个基点，点击即可生成图纸。如图11~12所示图11图12(4)在接上步弹出的棱体成形车刀设计用户对话框上选择工件材料:钢，选取前、后角大小。随后计算刀具廓形深度Tmax。点击“下一步”。如图13所示图13(5)根据上一个界面提供的数据计算出的Tmax,在图14所示对话框内，通过数据库将棱体成形车刀的主要参数提供给使用者选择。图14(6)根据获得的数据，计算坐标基1~5点的参数坐标，和你需要的绘图比例。将它们输入到图15所示窗口的对应空格中，如果需要作圆弧，只要点击，隐藏的数据输入框就会显示出来。本系统绘制圆弧采用三点绘制法，即圆心、圆弧起点和圆弧终点。如果点击绘图。如果暂时不需要可以将它们暂时隐藏起来。直线点的坐标在左边输入，按起点到终点的顺序依次输入。本系统采用确定两点坐标的方法绘制直线，因此有些点的坐标需要重复输入。比如绘制点1到点2再到点3的一条线，那么点2的坐标就需要输入2次，分别作为线段1的终点和线段2的起点。如果需要输入的点很多，可以点击获得更多的输入框（如图16）如果暂时不需要也可以用隐藏它们。将所需要的数据输入到文本框之后，点击绘图就能获得所需要的工程图。图15图16(7)我们能够看的到的