复杂刀具CAD技术的现状与发展趋势

    0 引言
   
    复杂刀具 ，主要是指拉削刀具和齿轮刀具，它们在机械工业生产中占有重要的地位。拉削刀具是一种高生产率、高精度的多齿刀具，可用于加工各种形状的通孔、槽及不同形状的外表面。常用的拉刀主要有圆孔拉刀、矩形花键拉刀、键槽拉刀、渐开线花键拉刀和成形孔拉刀等。齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。常用的齿轮刀具主要有齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、蜗轮滚刀、花键滚刀、圆弧齿轮滚刀、钟表齿轮滚刀、花键插齿刀和成形铣刀等。设计复杂刀具时，计算公式复杂，图表查阅频繁，绘制工作图既麻烦又费时。因此，复杂刀具的设计尤其是非标准复杂刀具设计，一直是机械制造领域工装设计的重大难题之一，是一项专业性很强的工作，传统设计中过多依赖设计者的素质和经验，重复计算多，设计品质不高，设计周期长，并直接影响零件品质，同时影响了产品的生产周期，不能满足现代生产发展的需要。
   
    计算机辅助设计CAD(computer aided design)技术是作为计算机技术、信息技术在机械制造业中应用的一项基础技术，在机械设计、制造领域中获得了飞速发展和广泛应用。我国许多高校、研发机构和企业单位对(泊。技术在复杂刀具设计领域中的应用进行了一系列的研究及开发，推动和发展了复杂刀具CAD技术。
   
    1 复杂刀具CAD技术的发展和现状
   
    1.1 复杂刀具CAD技术的发展历程
   
    CAD 技术起步于20世纪50年代后期，1963年美国麻省理工学院(MIT)I.E.Sutherland在其博士论文中提出的SKETCHPAD系统被公认为交互式图形生成和显式技术的发展奠定了基础，而它的基础理论和技术至今还是CAD技术的基础。由于当时计算机系统的功能较低、价格较贵，早期的CAD技术开发与应用工作，主要集中在汽车、飞机等大工业集团，而技术经济力量比较薄弱的刀具生产部门并没有跟踪起步。但实际上早在20世纪50年代，美国的Barter Colman 公司和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。
    我国刀具生产企业应用计算机技术的时间较晚，水平也相对比较落后。20世纪70年代初，上海工具厂等单位才开始应用国产计算机进行少量的复杂刀具齿形设计计算。成都工具研究所赵毅等人以适合计算机特性为出发点，系统地整理出齿轮刀具设计的公式和有关图表，同时在DJS-130小型计算机上，编制了BASIC语言程序，可实现齿轮刀具齿形设计计算及结构参数设计计算的自动化，这是国内第一篇介绍应用计算机进行复杂刀具齿形设计计算的文献。
    到了20世纪80年代中期，改革开放政策为我国的技术和经济发展带来了强大活力，我国刀具行业应用计算机技术取得了长足的进步。1986年，哈尔滨工业大学承担的黑龙江省科委项目"切削刀具的CAD技术"通过了黑龙江省科委组织的鉴定。该项课题在以IBMPC/XT为主机的CAD系统上研制了钟表小模数圆弧、花键拉刀、花键滚刀、蜗轮滚刀、螺旋沟成形铣刀和插齿刀等六种刀具的CAD软件，可完成这些刀具的全部设计资料的存储与检索，并能完整的绘制刀具工作图，同时可完成部分刀具切削过程的计算机仿真，该项研究成果已分别在哈尔滨第一工具厂、北京手表厂、丹东手表厂等企业应用，鉴定委员会认为该项技术成果属国内先进水平，并是国内首次鉴定的复杂刀具CAD技术，对我国刀具CAD技术研发是个良好的开端。该项成果在1987年获黑龙江省首届计算机优秀软件二等奖。这可能是我国刀具行业第一个符合CAD构思的软件系统。紧接着"七五"期间成都工具研究所与成都科技大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学和华中理工大学等单位共同承担了国家重点科技攻关项目中"复杂刀具CAD系统开发"的专题(项目编号:75一52一03一18)。该项目系统研究了刀具CAD的方法和技术并在微机系统和Apollo工作站上开发了一批常用复杂刀具的CAD应用软件，取得了一定的成果。摸索出的微机CAD技术，比较完整、实用，具有一定的推广价值。成都工具研究所薛进才闭系统论述刀具CAD技术的内涵、支持环境、技术经济意义，首次提出自动设计型CAD系统、交互设计型CAD系统和人工智能型CAD系统等三种刀具CAD系统的概念，并对我国刀具CAD技术的开发和应用提出了几点意见。华中工学院路亚衡等人首先提出了刀具CAD 的智能化问题，论述了专家系统的基本技术，用宏LISP语言编制剃齿刀专家系统，初步实现了剃齿刀设计的智能化。复杂刀具设计专家系统的建立，可以显著提高设计速度和设计品质，增强产品的竞争能力，它和传统的CAD设计方法相比较，具有更大的优越性。天津大学董文武等人以齿轮滚刀为例，论述了复杂刀具设计软件的构成和设计思路，在IBMIPC/XT，微机和MD一100型智能化绘图机组成的个人CAD系统上进行了复杂刀具设计软件的开发，软件可完成多种齿轮滚刀的设计与绘图工作。大连理工大学康德纯等人针对高级程序语言与绘图软件间的信息传递问题，研究开发了实用性较强的TBAuto软件包，利用结构化程序语言TRUEBASIC编程，有效解决了高级语言与AutoCAD之间的信息传输问题。所有这些为"八五"期间重点推广复杂刀具CAD技术起到了良好的促进作用。
    进人20世纪90年代以后，原国家科委等八个部委联合组成CAD应用工程协调小组，在全国正式开始实施CAD应用工程，确定了以"甩图板"- 实现绘图设计自动化作为推广应用CAD技术的突破口，因此也推动了我国复杂刀具CAD技术的快速发展。华东交通大学蒋先刚等人介绍了插齿刀CAD图形输出系统研制的基本原理，将树形结构及图形块组成理论应用于插齿刀工作图的集成上，同时研究了插齿刀图形接口文件的设计。沈阳工业大学杜信廉等人论述了复杂刀具CAD支撑软件的组成、开发原则，为我国通用复杂刀具CAD软件的开发提出了基本思路。哈尔滨科技大学谭光宇等人详细介绍了复杂刀具系统软件开发中的一些关键技术，打破了传统的程序设计模式，充分利用各种语言优势，进行混合编程，开发了用户截面友好、计算处理迅速的高效软件包，开发的软件包能完成4大类10余种各工具厂、机床厂、汽车厂等较为通用的复杂刀具的设计，覆盖面较大。山东工业大学杨军等人利用c语言和AutoCAD软件开发了一个新型的、用户界面友好的、集齿轮刀具和拉刀的查询、选型、设计、计算、刀具工作图绘制和刀具工艺文件编制于一体的CAD系统，极大地提高了复杂刀具设计的精度和效率。太原重型机械学院贾育秦等人根据准双曲面齿轮的啮合原理建立了切削准双曲面齿轮的几何模型，采用几何体素构造法和变差几何法参数化实体造型来实现模型的快速实时生成，从而提高了运算速度、处理功能和应用的灵活性。天津理工学院肖明等人以齿轮滚刀为例介绍在Windows环境下开发刀具CAD系统的方法，借助于ADS用C语言对AutoCAD进行二次开发，将C语言结构化编程、运行效率高的特点与AutoCAD环境强大的绘图功能结合起来，从而实现了齿轮滚刀的参数化绘图。

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    1.2 复杂刀具CAD技术的现状
   
    不难看出，到20世纪末，复杂刀具CAD技术基于DOS系统环境下，主要侧重于CAD系统的模型建立、算法研究、参数化绘图和系统构成的讨论。进人21世纪后，面向对象语言开始日趋广泛地应用到复杂刀具CAD系统开发设计中来，使复杂刀具CAD系统具有良好的人机对话功能。第一汽车集团公司工具厂尹宏伟利用VB6.0和AutoCAD开发出一套集设计计算、参数查询、绘图输出、刀具信息管理和齿形包络模拟等功能于一体的集成化插齿刀CAD系统，提高了插齿刀的设计效率和品质，其齿形的精确设计和可视化模拟为插齿刀的数控加工奠定了基础。中南大学毛志红等人应用ObjectARX，开发工具MFC的对话框以及数据库管理技术，开发了小模数齿轮滚刀CAD系统。该系统可优化滚刀设计参数，自动校核齿背铲磨，实现齿轮刀具快速可靠的设计。同时，随着人工智能技术的发展，专家系统技术日益运用到复杂刀具的设计与制造领域中。华南理工大学邵明等人应用空间啮合的基本原理，建立了滚刀刃形和铲磨砂轮廓形的计算通式;并利用CAD/CAM技术和专家系统技术，开发出了实用的滚刀设计制造专家系统。四川大学王玫等人根据渐开线插齿刀设计的特点，分析了渐开线插齿刀设计的关键参数，即变位系数和齿数的合理选择，进而提出一种实用的渐开线插齿刀的方法- 渐开线插齿刀CAD专家系统的模式，大大提高了设计效率和品质。
    近几年产品设计从二维绘图发展到三维建模不能不说是个质的飞跃，对机械制造业来说具有不可代替的深远意义，同期国内外出现了众多优秀的商业化三维建模软件，如美国EDS公司的UG、Theorem公司的Solidworks,PTC公司的Pro/ENGINEER，国内北航海尔软件有限公司的CAXA实体设计等。这些软件为复杂刀具的CAD技术提供了新的平台，国内许多高校都展开了针对复杂刀具三维建模技术的研究工作。西北工业大学吴占阳等人在UG环境下通过对矩形花键滚刀三维参数化建模过程的分析，提出了将特征参数化和草图参数化结合进行三维建模的方法，实现了复杂刀具参数化三维建模。
    综上所述，复杂刀具CAD技术研发从早期基于DOS系统环境对CAD系统的模型建立、算法研究、系统构成的讨论，之后逐渐经历视窗平台早期的参数化绘图、模型库建立，现在已经发展到设计多种复杂刀具的CAD专家系统、三维实体建模以及和CAM技术接轨。由此可见，近几年复杂刀具CAD技术的发展进步巨大，成绩斐然。
   
    2 复杂刀具CAD技术发展趋势
   
    显然， 复杂刀具CAD技术还处于研究和发展之中，目前尚未形成完善的商用复杂刀具CAD系统。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，复杂刀具CAD技术的发展趋势可以归纳为以下几个方面:
    a) 集成化:理想的复杂刀具CAD系统要能够辅助工程设计人员完成大部分的设计任务，帮助他们解决设计过程中出现的问题，能够胜任从需求分析到最终产品几何模型的建立，加工指令的生成，直至技术文档准备的设计全过程。理想的CAD系统应能支持产品数据管理(PDM)，甚至支持MRP11管理规范。集成化的CAD系统把各种功能模块集成在一起因而满足了各种功能要求。它涉及的技术，如复杂刀具数字化定义和建模技术、PDM、过程协调与管理、复杂刀具数据交换、CAX(com puteraidedx)工具、DFx(designforx)工具等;
    b) 网络化:网络化与集成化技术是相辅相成的。现有的CAD软件系统主要是单用户的CAD软件，单台计算机的处理能力限制了其应用范围。在市场竞争激烈的今天，除了高品质的刀具设计外，还要求高速度设计，这就对CAD软件功能提出了更高的要求。适应新的设计需求的复杂刀具CAD系统，除了应具有原有刀具CAD软件的所有优点，还要求能够提供优越的协同设计环境、丰富的素材数据库和强大的网络功能。基于Web的网络刀具CAD系统利用网络及Web技术寻求设计中心的支持与协作，提供远端刀具CAD计算与设计工具、异地异构服务，改善远程设计的工作模式;
    C) 智能化:智能CAD是CAD技术发展的必然趋势。智能化的复杂刀具CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深人研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它，尽可能实现自动化设计。同时，还应考虑材料的库存管理、生产计划、财务管理和销售等方面的内容，实现产品设计、工程分析、加工、装配、测试和管理集成一体化，同时通过计算机通讯、控制完成信息共享和交换，各个部门协调一致，统筹安排，从而降低成本，缩短设计和生产周期。使所设计的复杂刀具达到品质高、成本低、周期短，以便在先进制造模式下赢得市场竞争;
    d)绿色化:随着21世纪制造业可持续发展的要求，绿色刀具是刀具生产企业面临的一个重要课题。未来的复杂刀具CAD系统针对具体刀具，收集、整理面向环境设计的资料，形成指导设计的设计指南，建立绿色产品系统设计工具平台，并与其它CAD系统集成，形成集成的设计环境。充分考虑复杂刀具设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。