刀具CAD技术及其发展现状毕业论文

刀具CAD技术及其发展现

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1.1.1 CAD/CAM技术的特点和发展趋势

CAD技术是伴随着计算机技术的产生和发展而产生并不断发展的，这门技术从产生到现在，已经历了半个世纪，从形成、发展、提高到目前的高度集成，已经形成了比较完整的科学技术体系，并在当今高新技术领域中占有很重要的位置[2]。

自从1946年出现第一台计算机开始，人们就不断地试图将计算机技术引入到传统的机械设计和制造领域。特别是1951年美国PARSONS公司麻省理工学院(MIT)研制成了数控三坐标铣床，实现了利用不同数控程序对不同零件的加工，首次出现了现代柔性自动化的原形。随后，为适应数控铣床加工各种复杂形状零件的需要，MIT研制数控自动编程系统，于20世纪50年代末研制成功了批处理语言的数控自动编程系统APT(Automatically Programming Tool)，该系统是最初的计算机辅助编程系统，开辟了计算机在制造领域的应用前景。在此基础上，有人提出能不能不通过APT系统对走刀轨迹的描述而直接描述零件本身的问题，由此产生了CAD的概念[3]。这一时期，美国Barber Colman和Fellows公司等，就已应用计算机进行齿轮刀具齿形的设计计算，有效地提高了齿轮刀具的设计速度和精度。

60年代初，MIT的研究生I.E.Sutherland首次提出计算机图形学、交互技术及图形符号的存储采用分层的思想，为CAD技术提供了理论基础。随后相继出现了商品化的CAD设备和软件系统。 60年代中期到70年代中期是CAD/CAM 技术走向成熟的阶段，随着计算机硬件的发展，以小型机、超小型机为主的CAD/CAM软件进入市场。出现了面向中小企业的CAD/CAM商品化系统，并在60年代末和70年代初出现了柔性制造系统FMS[5]。

80年代是CAD/CAM技术迅速发展的时期，这一阶段CAD的主要技术特征是实体造型（Solid Modeling）理论和几何建模（Geometric Modeling）方法。实体建模的边界表示法（B-Rep）和构造实体造型几何数表示法（CGS）在软件开发上得到应用，实现了三维造型、自由曲面设计、有限元分析等工程应用。

从90年代起，CAD/CAM技术已不再是过去单一模式、单一功能、单一领域的水平，而向标准化、集成化、智能化发展。为了实现系统的集成，资源的共享，和产品生产与组织的高度自动化，需要企业和企业集团的CAD/CAM系统之间和各个子系统之间进行统一的数据交换。在这种情况下，一些发达国家和国际化标准组织都进行了数据交换接口方面的开发工作，并指定了相应的标准。这一时期的CAD技术基础理论主要是以PTC公司的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。

1.1.2 市场上流行CAD系统的技术特点和发展趋势

CAD软件大致可分为高端UNIX工作站CAD系统，中端Windows微机CAD 系统和低端二维微机CAD系统等三类。

（1）高端UINX工作站CAD系统

这类系统的特点是，UNIX操作系统为支撑平台，从50年代发展至今，产生了许多著名的软件，也使许多曾经显赫一时的软件在竟争中落伍，有的被兼并改组，如Appilcon,CADAM,intergraph等。目前，这类系统中比较流行的有：·PTC公司的Pro/Engineer。是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。

·SDRC公司的I-DEAS软件。采用基于特征的实体建模技术，以实体造型和并行相关性为特征。

·EDS公司的UGH软件。采用混合建模方法，主要应用于汽车行业建模造型。在设计分析，加工制造等方面有一定的特色。

·CV公司的CADDS5软件。采用混合建模，提供参数造型，全套工程分析，曲面，并行装配等强大的功能，统一数据库，图形界面，其强项为：企业产品

数据管理和并行装配模形应用。

·以色列Cimatron公司的CIMATRON软件。可提供优良的三维造型，工程绘图，数控加工，以及集成化的PDM，其强项是CAM。

·Matra Datavision公司的Euclid3软件。采用混合建模方法，曲成设计造型和数控加工编程等功能强大。其强项为详细设计和CAM。

·IBM/Dassualt公司的CATIA软件，采用混合建模方法，其强项为应用集成和CAM。

·日立造船情报系统株式会实社的GRADE/CUBE-NC软件。有突出的特点是面向制造，具有丰富的实用化曲面造型和加工编程。

（2）中端微机的CAD系统

随着计算机技术的发展，尤其是微机的性能和Windows技术的发展，使微机具备了与中低档UNIX工作站竞争的实力，也使基于Windows技术的微机CAD 系统迅速发展起来。目前，国际上最流行的有Solidworks公司的Solidworks 软件，UG公司的SolidEdge软件和Autodesk公司的MDT软件等，国也推出清华CAD工程中心的GEMS，浙大大天公司的GSMASD，北京巨龙腾公司的龙腾CAD，北京爱宜特公司的Micro Solid、杰必克超人CAD/CAM以及华正公司的CAXA-ME。

·Solidworks软件。包含装配设计建模，零件设计建模，工程图与钣金等模块，还与高级图像渲染软件Photoworks,高级有限元分析软件Cosmos、机构运动学分析软件Motionworks,产品数据管理（PDM）软件SmarTeam，以及数控加工等著名和分析软件无缝集成。

·Solid Edge6.0软件。采用Parasolid造型核和STREAM技术，基于Windows 操作系统，以及完全与Microsoft产品相兼容的参数化三维实体造型系统，提供了实体造型、钣金、制图、装配、塑料模具和铸造设计、产品渲染和文档管理等功能，并能和Cosmos、IPA、Smar Edge无缝集成。

·Meshanical Desktop(MDT)3.0软件。采用ACIS4.2几何造型核心系统，提出基于特征为参数化实体造型、曲面造型、装配相关联的绘图和草图功能，并包含了完整的Auto CAD绘图工具集，与Auto CAD完全融为一体。

·国产的三维CAD软件中，Microsolid采用ACIS作为系统的核，GEMS、GS-MCAF、龙腾、超人CAD/CAM三维系统是侧重于面向加工的曲面造型系统。

（3）低端CAD系统——二维CAD系统

·AutoCAD软件。纯二维CAD系统在国外已经不多，真正有名的是Autodesk 公司的AutoCAD软件。AutoCAD2004提高了数据访问能力，软件适用性以及更强的定制和开发能力，扩展Internet系统设计信息的沟通，提高文件输出/输入、编辑/对象捕捉和制图的速度，可对多个图形文件同时进行操作，支持多任务设计环境（MDE）。

·国产二维CAD软件。目前流行的二维CAD软件是自主开发平台和自主版的二维CAD系统，如开目CAD、高华CAD、凯达BCAD、浙大ZDDS、中科院 PICAD 和华正CAXA电子图板等等。另一类是以AutoCAD为平台的二维CAD系统，如利玛CAD、大恒CAD等。国产CAD二维软件在参数化绘图、动态导航、明细表BOM等三表生成、公差标准、机械零件设计标准件图库和工程图纸管理等方面有较强的特色。

随着国外CAD系统的不断发展和完善，我们可以看到CAD系统的发展趋势主要有以下几个方面：

（1）建模技术。由线框模形、实体模型和非均匀有理B样条算法为特征，几何建模已发展到参数化、变量化和特征建模，以及未来的面向产品生命周期，实现产品生命周期中部描述信息（产品设计、计划、制造、加工、装配、检验等信息）和外部过程的集成为特点的产品建模技术。参数驱动、特征造型、动态导航、二/三维双向相关、STEP标准和动态图形显示等UNIX系统的精华已被充分吸收到新一代微机CAD系统中，而特征树是近年来在CAD软件中引入的一项非常有效的技术。面向产品生命周期的关系型产品模型技术的研究正在不断提高。

（2）软件组件技术。可以提高软件的稳定性和开发效率。Solidworks、Solidedge均采用Parasolid几何造型器，MDT、Microsolid均采用ACIS几何造型器等。

（3）Windows技术和Internet技术。许多公司，如Autodesk正将其软件技术的研究开发重心集中于正在蓬勃发展的三大技术领域：对象技术、三维技术和Internet技术，这些核心技术主导着全球设计工业的发展趋向。

（4）智能CAD技术。智能技术在CAD系统中将占有重要地位，将专家系统、智能工程等技术，借助领域专家的设计经验，不断积累和更新，形成企业产品设计知识库，是企业开发产品的宝贵资源[12]。

1.1.3 CAD/CAM技术在刀具行业中的应用

八十年代，由于计算机技术的发展，特别是工程工作站的诞生、三维图形技术的成熟和CAD/CAM支撑软件的集成化和商品化，而且由于CNC机床和加工中心的广泛应用，高档刀具的需求日益提高，促进了刀具生产系统的进现代化，使得刀具CAD/CAM技术的开发应用，无论在广度上还是在深度上都达到了较高的水平，其中以多品种、小批量的可转位刀具和数控工具系统生产部门最为活跃，技术水平也较高[5]。

在可转位刀具的实际生产中，复合可转位孔加工刀具的生产与CAD/CAM的应用较早。除由于结构限制，少数刀具采用整体或焊接刀具外，大多数均采用可转位刀具。为了适应可转位刀具的设计与制造要求，提高市场的竞争力，生产复合孔加工刀具的厂家分别从设计与加工上入手，引进了一系列先进的设计与制造手段。为满足用户交货期与使用要求，提高刀具的设计质量与成功率，它们在大量采用NC机床与加工中心的同时，纷纷建立了自己的计算机系统及CAD/CAM软件支持系统，实现了CAD/CAM一体化，有的甚至建立了小规模的集成制造系统，其中著名的复合孔加工刀具生产厂商美国的Valenite公司(现归美国Cincinati集团)、德国的Hertel公司、Mapal公司和Komet公司等都分别于七、八十年代开始建立了自己的计算机系统用于CAD/CAM；尤其是德国的Walter公司于近年投资1亿多马克改造了可转位铣刀刀体生产线，该生产线是一个小型的计算机集成制造系统，设备运行、产品周期、质量监控均由计算机控制并进行CAD/CAM信息处理[6]。

我国生产可转位刀具虽然已有近30年的历史，但大多数沿用传统的设计、制造方法。“七五”及“八五”期间，国的生产可转位刀具的厂家大多进行了不同规模的技术改造，配备了CNC机床、加工中心及图形工作站等，推动了国可转位刀具生产的发展。但由于没有CAD/CAM技术上的支持，无法适应新产品开发的非标订贷的要求，没有发挥出先进设备应用和潜力[6]。只有少数厂商如工量数控刀具有限责任公司等在推进可转位刀具的开发和CAD/CAM一体化技术的商用化等方面走在了前面[2]。

1.1.4 国外对可转位浅孔钻的研究及其CAD系统现状

70年代未，国外出现了硬质合金可转位钻头，这种钻头与高速钢麻花钻相比，允许采用较高的切削速度和进给速度，可以大大缩短加工时间，故具有效率高、寿命长和经济性好等优点，因而获得了广泛的应用，出现了一种用这种高效短钻头替代麻花钻加工浅孔的趋向[14]。硬质合金可转位钻头是一种浅孔钻，是SANDVIK公司于1975年首次推出的一种加工浅孔的高效钻头，也叫浅孔钻或U钻[15]。多年来，由于大量的研究工作和生产实践，使这种刀具在技术上不断地得到了完善和发展，在工业发达国家，这种新型刀具不仅在车床、铣床和加工中心等机床上得到广泛采用，而且在组合机床和自动线上也得到了很好应用，提高了组合机床的生产效率。目前，该产品在国外已得到广泛应用。瑞典、德国、美国、日本等国都有同类产品，其中以瑞典Sandvik公司和德国KOMET公司的可转位浅孔钻较为典型[23]。

在现代生产中,硬质合金可转位孔加工刀具已为人熟知。为加工L/D比值3～5、中等直径的孔，常常采用有、外两个刀片的可转位浅孔钻，它是从高速钢麻花钻和整体硬质合金钻头基础上发展起来的。利用耐磨性高的硬质合金，并通过选择合适的刀片牌号(材质)和涂层种类制造的可转位浅孔钻，即可适用于一定的加工任务，并大大提高钻孔效率[16]。对于精密孔加工，前道工序如采用可转位钻头钻孔，不仅可减少中间工序，缩短加工时间，而且可减少加工工位和设备投资，有着特别明显的经济效益[14]。

在我国，可转位钻头虽在80年代初己研制成功，但到目前为止尚未进行稳定的批量生产。在汽车工业中，象连杆、转向节和气门摇臂等一些零件的钻孔加工，国外早已采用可转位钻头。而我们至今仍是采用高速钢麻花钻这样的传统刀具，这在加工工艺上确实存在着很大的差距。

可转位浅孔钻一般是由两块硬质合金刀片（较大直径浅孔钻也可有4～5块刀片）在径向不对称分布来构成，两块刀片分别切削一段金属而形成被加工孔。而正由于刀片在钻头上的非对称布置，导致了刀具在加工时要产生径向合力，从而影响机床的受力与刀具的变形，进而影响被加工孔的质量（主要是孔的形状精度），制约了该种高效刀具的进一步扩大使用。因此最大限度地减小刀具加工时的径向合力，就成为浅孔钻开发的关键技术。在以往的国外研究中

一般采用两种方法：其一是参数采用单位切削力进行近似的计算与分析，得到相应的保持径向力平衡的钻头结构[5][8]；其二是采用试验的办法对较小围的结构参数与径向力的关系进行有限的研究[9][10]。但这两种方法都无法建立结构参数优化的数学模型，且采用试验的办法费力费时，不大可能对大围的数据进行研究与分析。所以应该对浅孔钻进行深入系统的研究并建立正确的数学模型，从理论上优化刀具的结构和几何参数，并根据优化模型，开发智能CAD设计系统，使浅孔钻的标准和非标准设计，都能在同一程序中完成。

1.2 本课题的来源

本课题来自省教育厅的重点科研项目《浅孔钻钻削机理及智能化开发系统研究》的智能化开发系统研究部分。

1.3 主要研究容及论文的结构安排

本论文主要研究了可转位浅孔钻智能CAD系统的设计与开发，其主要容如下：

1．在收集和分析当前国外有关可转位浅孔钻及CAD系统资料的基础上，提出可转位浅孔钻智能CAD系统的基本构架。

2．建立可转位浅孔钻几何参数计算的数学模型，并在此基础上给出刀体上刀片槽空间位置的数学模型及最优结果。

3．重点进行可转位浅孔钻智能CAD系统的开发与研究。确定本系统的软硬件环境，建立系统的总体框架。完成可转位浅孔钻的刀片槽空间位

置优化计算模块、智能推理模块、三维实体建模模块、装配图模块和

二维工程图模块的设计。建立可转位浅孔钻的数据库、知识库和实例

库。

论文包括以下6部分：

1 绪论综合分析了CAD技术的特点和发展趋势，论述了论文的研究背景，提出智能CAD系统的可行性和必要性。