可转位球头立铣刀的建模

可转位球头立铣刀的建模与基于实例推理的CAD系统

开发与研究

机械制造及其自动化专业

研究生 程佑明 指导教师 吴能章

提要：建立了平装可转位球头立铣刀的几何数学模型。并在该模型的基础上，以面向对象语言Visual C++6.0为编程工具，以SQL Server 2000为数据库平台，以SolidWorks2001为三维实体建模软件，综合运用计算机图形学技术、特征建模方法、动态链接库（DLL）技术、组件对象模型技术、实例推理（CBR）技术、ODBC数据库互连技术开发和探讨了基于实例推理的面向对象的人机对话的三维参数化CAD系统。利用该系统可计算出可转位球头立铣刀刀体上刀片槽的空间位置及加工调整参数、刀片圆弧半径、铣刀前角、后角等几何角度沿切削刃的分布情况、刀片系列化所引起的加工表面的几何形状误差等，可绘制并输出可转位球头立铣刀的所有零部件的三维实体图、装配图以及二维工程图。

关键词：可转位球头立铣刀 端刃 几何建模 实例推理 面向对象 3D Modeling and Developing and Reserching of intelligent CAD

system of Ball-Nose End Mills with Indexable Inserts

Major: Mechanical manufacturing and automation

1 概述 1.1 引言

计算机辅助设计是计算机科学与工程设计学科相结合而形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分。它的迅速发展和广泛应用，给古老的工程设计制造业带来了蓬勃生机，使传统的产品设计方法与生产组织模式发生了深刻的变革。CAD技术尤其是智能化CAD技术，不仅在机械设计中能处理数值型的工作，如计算、分析与绘图；而且能处理在设计活动中存在另一类推理型工作，包括方案构思与拟订、最佳方案选择、结构设计、评

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论、决策以及参数选择和形成专家系统等，这就为企业缩短产品设计周期、增强市场应变能力、参与国际市场竞争提供了强有力的技术手段，已经产生、必将继续产生巨大的社会经济效益。而基于实例推理的智能CAD技术，又跳过了用规则或其它形式表示的知识模型，采用由实例到实例的求解思想，克服了知识获取的瓶颈和知识畸变，易于建立和维护，必将得到更广泛的应用和产生显著的社会经济效益。

可转位球头立铣刀是将硬质合金刀片以机械夹固的方式装夹在铣刀刀体上，并将刀片做成可转位结构。因此，它除了具有可转位刀具的全部优点之外，还由于各刀片的弧形刃分段搭接，切削时将整个圆弧形切削层分成几段进行切除，大大改善了圆弧刃非自由切削的不良状态，减小了非自由系数，从而使切削力得以减小。它广泛用于空间自由曲面的加工中，是当今采用CNC铣床加工各种模具、汽轮机叶片和各种三维复杂曲面零件必不可少的一种先进刀具。我国对这种刀具的研究甚少，起步也较晚。关于它的设计理论、造型方法与制造手段等国内外均极少见到。由于缺少相关技术资料，又由于这种刀具结构复杂，尤其是对刀体上刀片槽的空间位置的理论分析与计算，制造手段与方法等均有较高的要求。因此，国内工具厂家均少有涉及此领域的开发，至今未见具有国际竞争力的产品问世。据调查研究，到目前为止，国内外均未发现有关该种刀具的设计理论及CAD系统的相关报道，因此，研究该种刀具的建模理论，并在此基础上开发出具有自主知识产权的基于实例推理的CAD系统，不仅具有较大的理论价值，也有较大的经济实用价值。 1．2 文献综述

1.2．1 CAD/CAM的技术特点、发展趋势及其在刀具制造业中的应用

CAD/CAM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，已形成了比较完整的科学技术体系，并在当今的高新技术领域占有很重要的位置。

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)，该系统用专用语言描述加工零件的几何外形及进刀走刀方法，还用大量辅助语句描述加工过程的各种工

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艺参数，这种“零件原程序”经过批处理运行后可输出刀位点数据，再经过后置处理，可生成可执行的控制代码。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。

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发表了《人机对话图形通用系统》的论文，推出了二维SKETCHPAD系统，允许在图形显示器前操作光笔和键盘，并显示图形，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，美国IBM公司开发的以大型机为基础的CAD/CAM系统具有绘图、数控编程和强度分析的功能；通用汽车公司的DAC-1系统可实现各个阶段的汽车设计；洛克希飞机公司的CADAM系统等，这一阶段的主要技术特点是交互式二维绘图和三维线框模型。利用解析几何的方法定义有关图素（如点、线、圆），用来绘制或显示由直线、圆弧组成的图形。同时在制造领域也出现了许多技术上的进步，1962年在数控机床的基础上研制成功了第一台工业机器人，实现了物料搬运的自动化；1966年出现了用大型通用计算机直接控制多台数控机床的DNC(Direct Numerical Control)系统。

但这一时期在技术经济相对薄弱的刀具制造业，CAD技术开发与应用并没有跟踪起步。

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。这一时期CAD/CAM主要技术特征是自由曲线曲面生成算法和表面造型理论。这是由于汽车和飞机工业的发展促进了自由曲线曲面的研究，Bezier、B样条等算法应用于CAD系统中。与此同时适应设计和制造的需要，三维几何软件也发展起来，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 。

由于高档刀具制造业的竞争，70年代，美国、日本、西欧等国的一些工具厂家开始了面向复杂刀具和可转位刀具CAD技术的开发与应用。比较出名的有西德阿亨工业大学1973年推出的CD1700系统、美国Ingersoll刀具公司的MAX-1可转位铣刀CAD/CAM系统、Barber Colman和Fellows

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公司的齿轮滚刀、插齿刀CAD系统，这一时期的刀具CAD都是在通用中、小型计算机网络上用高级语言实现的变参数系列设计。

80年代是CAD/CAM技术迅速发展的时期，超大规模集成电路的出现，使得计算机硬件成本大副下降，外设也迅猛发展成为系列产品，为CAD/CAM提供了硬件支撑。同时软件技术、数据库技术、有限元分析技术、优化技术、计算机图形学等相关技术也飞速发展，促使了CAD/CAM 的推广和使用。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。与此同时由于设计制造对CAD提出了各种各样的要求，导致了新理论、新算法的不断涌现，如：计算机零件分类与编码技术、计算机辅助工艺规程设计(CAPP)、计算机辅助工装设计、计算机辅助质量控制与检测。同时人们开始致力于计算机集成制造系统(CIMS)的研究,它是一种高效益、高柔性的智能化制造系统。

这一时期刀具CAD/CAM达到了更高的水平，其中以多品种、小批量的可转位刀具和数控工具系统生产最为活跃，技术也最高。美国Ingersoll刀具公司、西德Walter公司开发了交互式CAD/CAM技术并组建了CIFMS；美国Valentie和Kennamental公司均在VAX11/780主机上配置McAUTO系统，并开发了CAD/CAM系统，一些产品的设计制造技术均代表了当代的水平；生产可转位刀具和机床的西德Walter公司，也建立了以IBM4381为主机的网络，其上连接了VAX11/750和Micro VAX为主机的CAD/CAM成套系统，并初步建立了可转位铣刀的CIFMS。生产硬质异型刀具的西德Hertel公司、生产可转位刀具和刀片的西德Krupp Widia公司、生产数控刀具的Mapal公司以及日本的东芝钨、三菱公司相继开发了自己的CAD/CAM系统。占世界刀具销售份额最大的瑞典Sandvik公司配置了IBM5080图形终端和CATIA系统，开发了交互式CAD/CAM技术，全面支持刀具、模具及工具系统的CAD/CAM研究和新产品开发和生产，形成了强大的技术优势。

从90年代起，CAD/CAM技术以不再是过去单一模式、单一功能、单一

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