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1、硕士学位论文11 1 绪绪 论论 1.11.1 刀具刀具 CADCAD 技术及其发展现状技术及其发展现状1.1.1 CAD/CAM 技技术术的特点和的特点和发发展展趋势趋势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
2、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
3、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 FMS5 。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
4、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）硕士学位论文2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内的 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
5、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 市市场场上流行上流行 CAD 系系统统的技的技术术特点和特点和发发展展趋势趋势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 Appil
6、con,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
7、管理和并行装配模形应用。硕士学位论文3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
8、，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，国内也推出清华 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、江苏杰必克超人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
9、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 造型内核和 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)
10、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 作为系统的内核，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。硕士学位论文4（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
11、，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
12、图纸管理等方面有较强的特色。随着国内外 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内部描述信息（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
13、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
14、新，形成硕士学位论文5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 技技术术在刀具行在刀具行业业中的中的应应用用八十年代，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
15、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 Kom
16、et 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，国内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，推动了国内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。只有少数厂商如哈尔滨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。硕士学位论文61.1.4 国内外国内外对对可可转转位浅孔位浅孔钻钻的研究及其的研究及其 CAD 系系统现统现状状70 年代未，国外出现了硬质合金可转位钻头，这种
