刀具CAD技術的現狀與發展

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,它們在機械工業生產中占有重要的地位。拉削刀具是一種高生產率、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,復雜刀具的設計尤其是非標準復雜刀具設計,一直是機械制造領域工裝設計的重大難題之一,是一項專業性很強的工作,傳統設計中過多依賴設計者的素質和經驗,重復計算多,設計品質不高,設計周期長,并直接影響零件品質,同時影響了產品的生產周期,不能滿足現代生產發展的需要。

計算機輔助設計CAD(computer aided design)技術是作為計算機技術、信息技術在機械制造業中應用的一項基礎技術,在機械設計、制造領域中獲得了飛速發展和廣泛應用。我國許多高校、研發機構和企業單位對(泊。技術在復雜刀具設計領域中的應用進行了一系列的研究及開發,推動和發展了復雜刀具CAD技術。

    1 復雜刀具CAD技術的發展和現狀

    1.1 復雜刀具CAD技術的發展歷程

CAD技術起步于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系統被公認為交互式圖形生成和顯式技術的發展奠定了基礎,而它的基礎理論和技術至今還是CAD技術的基礎。由于當時計算機系統的功能較低、價格較貴,早期的CAD技術開發與應用工作,主要集中在汽車、飛機等大工業集團,而技術經濟力量比較薄弱的刀具生產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,就已應用計算機進行齒輪刀具齒形的設計計算,有效地提高了齒輪刀具的設計速度和精度。
我國刀具生產企業應用計算機技術的時間較晚,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用國產計算機進行少量的復雜刀具齒形設計計算。成都工具研究所趙毅等人以適合計算機特性為出發點,系統地整理出齒輪刀具設計的公式和有關圖表,同時在DJS-130小型計算機上,編制了BASIC語言程序,可實現齒輪刀具齒形設計計算及結構參數設計計算的自動化,這是國內第一篇介紹應用計算機進行復雜刀具齒形設計計算的文獻。
到了20世紀80年代中期,改革開放政策為我國的技術和經濟發展帶來了強大活力,我國刀具行業應用計算機技術取得了長足的進步。1986年,哈爾濱工業大學承擔的黑龍江省科委項目"切削刀具的CAD技術"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系統上研制了鐘表小模數圓弧、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、丹東手表廠等企業應用,鑒定委員會認為該項技術成果屬國內先進水平,并是國內首次鑒定的復雜刀具CAD技術,對我國刀具CAD技術研發是個良好的開端。該項成果在1987年獲黑龍江省首屆計算機優秀軟件二等獎。這可能是我國刀具行業第一個符合CAD構思的軟件系統。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項目中"復雜刀具CAD系統開發"的專題(項目編號:75一52一03一18)。該項目系統研究了刀具CAD的方法和技術并在微機系統和Apollo工作站上開發了一批常用復雜刀具的CAD應用軟件,取得了一定的成果。摸索出的微機CAD技術,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論述刀具CAD技術的內涵、支持環境、技術經濟意義,首次提出自動設計型CAD系統、交互設計型CAD系統和人工智能型CAD系統等三種刀具CAD系統的概念,并對我國刀具CAD技術的開發和應用提出了幾點意見。華中工學院路亞衡等人首先提出了刀具CAD 的智能化問題,論述了專家系統的基本技術,用宏LISP語言編制剃齒刀專家系統,初步實現了剃齒刀設計的智能化。復雜刀具設計專家系統的建立,可以顯著提高設計速度和設計品質,增強產品的競爭能力,它和傳統的CAD設計方法相比較,具有更大的優越性。天津大學董文武等人以齒輪滾刀為例,論述了復雜刀具設計軟件的構成和設計思路,在IBMIPC/XT,微機和MD一100型智能化繪圖機組成的個人CAD系統上進行了復雜刀具設計軟件的開發,軟件可完成多種齒輪滾刀的設計與繪圖工作。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,研究開發了實用性較強的TBAuto軟件包,利用結構化程序語言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合組成CAD應用工程協調小組,在全國正式開始實施CAD應用工程,確定了以"甩圖板"- 實現繪圖設計自動化作為推廣應用CAD技術的突破口,因此也推動了我國復雜刀具CAD技術的快速發展。華東交通大學蔣先剛等人介紹了插齒刀CAD圖形輸出系統研制的基本原理,將樹形結構及圖形塊組成理論應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計。沈陽工業大學杜信廉等人論述了復雜刀具CAD支撐軟件的組成、開發原則,為我國通用復雜刀具CAD軟件的開發提出了基本思路。哈爾濱科技大學譚光宇等人詳細介紹了復雜刀具系統軟件開發中的一些關鍵技術,打破了傳統的程序設計模式,充分利用各種語言優勢,進行混合編程,開發了用戶截面友好、計算處理迅速的高效軟件包,開發的軟件包能完成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計,覆蓋面較大。山東工業大學楊軍等人利用c語言和AutoCAD軟件開發了一個新型的、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,極大地提高了復雜刀具設計的精度和效率。太原重型機械學院賈育秦等人根據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,采用幾何體素構造法和變差幾何法參數化實體造型來實現模型的快速實時生成,從而提高了運算速度、處理功能和應用的靈活性。天津理工學院肖明等人以齒輪滾刀為例介紹在Windows環境下開發刀具CAD系統的方法,借助于ADS用C語言對AutoCAD進行二次開發,將C語言結構化編程、運行效率高的特點與AutoCAD環境強大的繪圖功能結合起來,從而實現了齒輪滾刀的參數化繪圖。

1.2 復雜刀具CAD技術的現狀

不難看出,到20世紀末,復雜刀具CAD技術基于DOS系統環境下,主要側重于CAD系統的模型建立、算法研究、參數化繪圖和系統構成的討論。進人21世紀后,面向對象語言開始日趨廣泛地應用到復雜刀具CAD系統開發設計中來,使復雜刀具CAD系統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開發出一套集設計計算、參數查詢、繪圖輸出、刀具信息管理和齒形包絡模擬等功能于一體的集成化插齒刀CAD系統,提高了插齒刀的設計效率和品質,其齒形的精確設計和可視化模擬為插齒刀的數控加工奠定了基礎。中南大學毛志紅等人應用 ObjectARX,開發工具MFC的對話框以及數據庫管理技術,開發了小模數齒輪滾刀CAD系統。該系統可優化滾刀設計參數,自動校核齒背鏟磨,實現齒輪刀具快速可靠的設計。同時,隨著人工智能技術的發展,專家系統技術日益運用到復雜刀具的設計與制造領域中。華南理工大學邵明等人應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技術和專家系統技術,開發出了實用的滾刀設計制造專家系統。四川大學王玫等人根據漸開線插齒刀設計的特點,分析了漸開線插齒刀設計的關鍵參數,即變位系數和齒數的合理選擇,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專家系統的模式,大大提高了設計效率和品質。
近幾年產品設計從二維繪圖發展到三維建模不能不說是個質的飛躍,對機械制造業來說具有不可代替的深遠意義,同期國內外出現了眾多優秀的商業化三維建模軟件,如美國EDS公司的UG、Theorem公司的Solidworks,PTC公司的proeNGINEER,國內北航海爾軟件有限公司的CAXA實體設計等。這些軟件為復雜刀具的CAD技術提供了新的平臺,國內許多高校都展開了針對復雜刀具三維建模技術的研究工作。西北工業大學吳占陽等人在UG環境下通過對矩形花鍵滾刀三維參數化建模過程的分析,提出了將特征參數化和草圖參數化結合進行三維建模的方法,實現了復雜刀具參數化三維建模。
綜上所述,復雜刀具CAD技術研發從早期基于DOS系統環境對CAD系統的模型建立、算法研究、系統構成的討論,之后逐漸經歷視窗平臺早期的參數化繪圖、模型庫建立,現在已經發展到設計多種復雜刀具的CAD專家系統、三維實體建模以及和CAM技術接軌。由此可見,近幾年復雜刀具CAD技術的發展進步巨大,成績斐然。

    2 復雜刀具CAD技術發展趨勢

顯然,復雜刀具CAD技術還處于研究和發展之中,目前尚未形成完善的商用復雜刀具CAD系統。圍繞企業創新設計能力的提高和網絡計算環境的普及,復雜刀具CAD技術的發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系統要能夠輔助工程設計人員完成大部分的設計任務,幫助他們解決設計過程中出現的問題,能夠勝任從需求分析到最終產品幾何模型的建立,加工指令的生成,直至技術文檔準備的設計全過程。理想的CAD系統應能支持產品數據管理(PDM),甚至支持MRP11管理規范。集成化的CAD系統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,如復雜刀具數字化定義和建模技術、PDM、過程協調與管理、復雜刀具數據交換、CAX(com puteraidedx)工具、DFx(designforx)工具等;
b) 網絡化:網絡化與集成化技術是相輔相成的。現有的CAD軟件系統主要是單用戶的CAD軟件,單臺計算機的處理能力限制了其應用范圍。在市場競爭激烈的今天,除了高品質的刀具設計外,還要求高速度設計,這就對CAD軟件功能提出了更高的要求。適應新的設計需求的復雜刀具CAD系統,除了應具有原有刀具CAD軟件的所有優點,還要求能夠提供優越的協同設計環境、豐富的素材數據庫和強大的網絡功能。基于Web的網絡刀具CAD系統利用網絡及Web技術尋求設計中心的支持與協作,提供遠端刀具CAD計算與設計工具、異地異構服務,改善遠程設計的工作模式;
C) 智能化:智能CAD是CAD技術發展的必然趨勢。智能化的復雜刀具CAD不僅僅是簡單地將現有的智能技術與CAD技術相結合,更要深人研究人類設計的思維模型,并用信息技術來表達和模擬它,盡可能實現自動化設計。同時,還應考慮材料的庫存管理、生產計劃、財務管理和銷售等方面的內容,實現產品設計、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,各個部門協調一致,統籌安排,從而降低成本,縮短設計和生產周期。使所設計的復雜刀具達到品質高、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世紀制造業可持續發展的要求,綠色刀具是刀具生產企業面臨的一個重要課題。未來的復雜刀具CAD系統針對具體刀具,收集、整理面向環境設計的資料,形成指導設計的設計指南,建立綠色產品系統設計工具平臺,并與其它CAD系統集成,形成集成的設計環境。充分考慮復雜刀具設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中不產生環境污染或環境污染最小化,符合環境保護要求,對生態環境無害或危害極少,節約資源和能源,使資源利用率最高,能源消耗最低。

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