數(shù)控車床進給部件及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)控車床進給部件及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計,數(shù)控車床,進給,部件,網(wǎng)絡(luò),通信,通訊,系統(tǒng),設(shè)計 基于反求工程的CAD/CAM/DNC集成技術(shù) 1　反求工程出現(xiàn)和發(fā)展的時代背景 　　二次大戰(zhàn)中，幾十個國家卷入戰(zhàn)禍，飽受戰(zhàn)爭創(chuàng)傷。特別是戰(zhàn)敗國，在二戰(zhàn)結(jié)束后，急于恢復和振興經(jīng)濟。日本在60年代初提出科技立國方針：“一代引進，二代國產(chǎn)化，三代改進出口，四代占領(lǐng)國際市場”，其中在汽車、電子、光學設(shè)備和家電等行業(yè)上最突出。為要國產(chǎn)化的改進，迫切需要對別國產(chǎn)品進行消化、吸收、改進和挖潛。這就是反求設(shè)計（Inverse Design）或反求工程（Inverse　Engineering），這兩者是同一內(nèi)涵，僅是不同國家的不同提法。發(fā)展到現(xiàn)在，己成為世界各國在發(fā)展經(jīng)濟中不可缺少的手段或重要對策，反求工程的大量采用為日本的經(jīng)濟振興、進而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產(chǎn)品奠定了良好基礎(chǔ)。 　　實際上，任何產(chǎn)品問世，包括創(chuàng)新、改進和仿制的，都蘊含著對已有科學、技術(shù)的繼承和應(yīng)用借鑒。因而反求思維在工程中的應(yīng)用已源遠流長，而提出這種術(shù)語并作為一門學問去研究，則是60年代初出現(xiàn)的。 　　市場經(jīng)濟競爭機制已滲透到各個領(lǐng)域，如何發(fā)展科技和經(jīng)濟，世界各國都在研究對策。從共性特征可概括為4個方面對策：(1）大力提倡創(chuàng)造性。包括新的思維方式、新原理、新理論、新方案、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料、新工藝、新儀器等等。對于發(fā)展一個國家的國民經(jīng)濟來說，創(chuàng)造性是永恒主題。（2）研究和應(yīng)用新的設(shè)計理論、方法去改造和完善傳統(tǒng)的方法，使能既快又好地設(shè)計出新型產(chǎn)品。(3）把計算機應(yīng)用廣泛地引入產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)的全過程（預(yù)測、決策、管理、設(shè)計制造、試驗、銷售服務(wù)等）中，以期達到這些過程的一體化、智能化和自動化。（4）研究和應(yīng)用反求工程，使能在高的起點去創(chuàng)造新產(chǎn)品。 2　反求工程的含義 反求工程是綜合性很強的術(shù)語，它是以設(shè)計方法學為指導，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計的設(shè)計，這就是反求工程的含義，特別強調(diào)再創(chuàng)造是反求的靈魂。 2．1 正設(shè)計與反設(shè)計 傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)遵循嚴謹?shù)难邪l(fā)程序，從功能的確認與規(guī)格的制定開始，來構(gòu)思產(chǎn)品的零部件需求，再由各個組件的設(shè)計、制造以及檢驗零部件組裝、檢驗全機組裝、性能測試等程序來完成。這種開發(fā)的模式即為順向工程(Forward Engineering)，也叫正設(shè)計。?? ??? 逆向工程(Reverse Engineering)通常以專案方式執(zhí)行某一模型的仿制工作。往往一件仿制的產(chǎn)品沒有原始設(shè)計圖文件，而是委托單位交付一件樣品或模型，由制作單位復制出來。傳統(tǒng)的復制方法是用立體雕刻機或靠模銑床制作出1：1等比例的模具，再進行批量生產(chǎn)。這種模擬式(Analog type)的復制方式無法建立標注有工件尺寸的圖文件，也無法做任何外形修改，因此已漸漸為新型字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。 鉗工修配 傳統(tǒng)的反求工程的具體過程為:實物或主模型→工藝主模型(仿形靠模) →仿形加工→鉗工修配。 　　實物或主模型 工藝主模型（仿形靠模） 仿形加工 圖1　正設(shè)計過程示意圖 在反求工程的CAD/CAM/DNC集成環(huán)境中，硬件配備主要有穩(wěn)定的局域網(wǎng)、三坐標測量儀、裝有CAD/CAM軟件的計算機、DNC服務(wù)器以及數(shù)控加工設(shè)備等。其支撐軟件可采用PRO/E、Solid Works或Master CAM。其一體化流程圖見圖1。 圖 2 基于反求工程的CAD/CAM/DNC一體化流程圖 　　 如果說正設(shè)計的關(guān)鍵要解答“怎么做?”，即設(shè)計任務(wù)提出后，怎樣實現(xiàn)和達到預(yù)定目標，那么反求的關(guān)鍵要解答“為什么要這樣做?”，即已知目標后，要探索和掌握這種目標的設(shè)計者是如何一步一步實現(xiàn)的，反求別人腦袋里是怎樣想、怎樣做的，要摸清設(shè)計意圖、所用技術(shù)、關(guān)鍵和設(shè)計理論與方法。從這個意義上說，正設(shè)計是主動的創(chuàng)造，而反求是先被動后主動的創(chuàng)造，別有一番難度。故反求并非正設(shè)計的簡單逆過程，因為一個先進成熟的產(chǎn)品，凝集著設(shè)計者的智慧和技術(shù)，要去吃透、消化，包含很多復雜內(nèi)容。往往吃透別人的技術(shù)比自己創(chuàng)造還難，這是因為：（1）先進產(chǎn)品中總有“絕招”、“訣竅”和關(guān)鍵技術(shù)，我們并不掌握；（2）別人的思維不會告訴你，要想“鉆進別人腦袋里去挖出來”，要花艱苦勞動。多年來我國測繪仿制的產(chǎn)品，大多數(shù)達不到原產(chǎn)品的水平，涉及原因、內(nèi)容和技術(shù)是多方面的，正說明發(fā)展反求工程的研究和應(yīng)用是多么重要。 2．2 反求工程的系統(tǒng) 隨著計算機輔助幾何設(shè)計的理論和技術(shù)的發(fā)展，以及cad/cae/cam集成系統(tǒng)的開發(fā)和商業(yè)化，產(chǎn)品實物或模型首先通過掃描以及各種先進的數(shù)據(jù)處理手段獲得產(chǎn)品的幾何信息，然后充分利用cad/cam技術(shù)快速、準確地建立產(chǎn)品的數(shù)學集合模型，經(jīng)過適當?shù)墓こ谭治龊蚦am編程，就可數(shù)控加工出產(chǎn)品模型，最后制成產(chǎn)品，實現(xiàn)從產(chǎn)品(樣件)——再設(shè)計——產(chǎn)品(批量)的制造過程。這種實物測量反求技術(shù)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品改型，模具設(shè)計等生產(chǎn)活動中；特別是對于具有復雜曲面外形的產(chǎn)品，如汽車、摩托車的復雜外形，也是消化、吸收先進技術(shù)進而改造和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段，據(jù)此構(gòu)成了反求工程的主要思想。 相對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程即所謂的正向工程而提出的。正向工 程是泛指按常規(guī)的從概念設(shè)計到具體模型再到成品的生產(chǎn)制造過程。而反求工程是從現(xiàn)有的模型(產(chǎn)品樣件、實物模型等)經(jīng)過一定的手段轉(zhuǎn)化為概念和工程設(shè)計模型，如利用三維坐標測量機的測量數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行數(shù)學模型重構(gòu)，或者直接將這些離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成nc程序進行數(shù)控加工而獲取成品的過程。反求工程的設(shè)計流程和環(huán)境如圖3和圖4所示。 外形修飾 數(shù)據(jù)處理 樣品 3 D 輪廓測量 C A D 曲面建構(gòu) CAM產(chǎn)生的NC文檔 模具加工 逐層產(chǎn)生的STL文件 R．P．快速成型 模具成型 產(chǎn)品復制 圖3反求工程設(shè)計流程 圖 4 基于逆向工程的CAD/CAM/DNC一體化環(huán)境 2.3 反求工程的系統(tǒng)組成 反求工程首先必須使用精密的測量系統(tǒng)將樣品輪廓三維尺寸快速測量出來， 然后再以取得的各點數(shù)據(jù)做曲面處理及加工成型。故建立一套完整的反求工程系 統(tǒng)，需要有下列配備： (1)測量探頭 有接觸式(觸發(fā)探頭、掃描探頭)和非接觸式(激光位移探頭、激光干涉儀探 頭、線結(jié)構(gòu)光及ccd掃描探頭、面結(jié)構(gòu)光及ccd掃描探頭)兩種。 (2)測量機 有三維坐標測量機、多軸專用機、多軸關(guān)節(jié)機械臂及激光追蹤站等 (3)點群數(shù)據(jù)處理軟件 進行噪聲濾除、細線化、曲線建構(gòu)、曲面建構(gòu)、曲面修改、內(nèi)插值補點等。 (4)cad/cam軟件 一般pc級或工作站級cad/cam。 (5)cnc工具機 執(zhí)行原型制作或模具制作。 2.4 反求工程中的技術(shù)難題 要執(zhí)行反求工程項目，需要對產(chǎn)品的特征和制作流程有充分地了解。許多產(chǎn) 品是自由曲面組成，對模型上的凹槽、開口或其他特征須做精確的辨識，以完成模型的建構(gòu)。如何將各點的數(shù)據(jù)正確無誤的處理建構(gòu)出有用的曲線、曲面，需要有經(jīng)驗豐富的工程師。此外，反求工程技術(shù)還包括測量技術(shù)上的難題。 逆向工程技術(shù)及應(yīng)用涉及到下列問題： (1)要準確及快速地將工件數(shù)據(jù)取得： (2)要確實將數(shù)據(jù)建構(gòu)成曲面及應(yīng)用外形； (3)要與各種cad/cam及cae結(jié)合； (4)要節(jié)省產(chǎn)品制造成本，提高產(chǎn)品競爭力。 2.5 反求工程的過程 反求工程過程一般分為5個階段： (1)零件原型的數(shù)字化，通常采用三維坐標測量機cmm(coordinate measuring machine)或激光掃描等測量裝置來獲取零件原型表面的三維坐標值。 (2)從測量數(shù)據(jù)中提取零件原型的幾何特征，按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原型所具有的設(shè)計與加工特征。 (3)原型cad模型的重建，將分割后的三維數(shù)據(jù)在cad系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過個表面的求交與拼接獲取零件原型表面cad模型。 (4)重建cad模型的檢驗與修正，采用根據(jù)獲取的cad模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建cad模型是否滿足精度或其它試驗性能指標的要求，對不滿足要求的重復以上過程，直至達到零件的設(shè)計要求。 (5)在建立模具全數(shù)字化三維模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)模具型腔的數(shù)控加工。 3 基于cad/cam/dnc下的反求工程 采用先進的設(shè)計思想和設(shè)計手段，在計算機網(wǎng)絡(luò)及cad /cam技術(shù)的支持下，可建立基于反求工程的模具cad/cam/dnc集成化環(huán)境，如下圖。在建立模具全數(shù)字化三維的基礎(chǔ)上，可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計。 圖3.1 基于反求工程的模具cad/cam/dnc集成化環(huán)境 3.1 環(huán)境配置 硬件環(huán)境由3o臺nt工作站，3臺數(shù)控加工中心，1臺三坐標測量機組成模具設(shè)計與數(shù)控加工環(huán)境局域網(wǎng)。利用nt工作站對模具進行三維實體(曲面)造型、模具裝配模擬檢查、實體加工仿真模擬、數(shù)控加工到位文件生成和nc后處理。3臺cam工作站用于對加工中心和數(shù)控機床的控制，以計算機直接數(shù)控(dnc)的方式控制機床的在線加工。 支撐軟件采用美國pi'c公司的pro/e2001，利用pro/e2001強大的造型功能，準確完整地表達和描述模具的復雜曲面和實體模型，然后進行加工切削仿真，檢查加工中的過切現(xiàn)象和加工刀位的合理性，從而取代實際試切，降低成本，節(jié)約加工工時。 3.2 應(yīng)用過程 在模具cad/cam/dnc一體化集成環(huán)境的支持下，進行復雜模具計算機輔助設(shè)計與數(shù)控加工(cad/cam/dnc)的基本過程如下： (1)根據(jù)加工模具的結(jié)構(gòu)形狀及設(shè)計要求，利用pm/e軟件的三維造型(實體和曲面)設(shè)計建立完整、準確的模具三維實體(曲面)模型。 (2)在模具三維主摸型的基礎(chǔ)上，利用pm/e軟件的加工模塊擬定模具加工工藝(粗、精加工)，選擇相應(yīng)的加工參數(shù)及有關(guān)選向。 (3)生成模具數(shù)控加工的刀位文件。 (4)利用pm/e軟件進行數(shù)控加工的實體加工仿真模擬，檢查刀位文件的合理性及有效性，以代替實際試切過程。 (5)根據(jù)具體加工機床進行刀位文件的后處理，生成該機床的數(shù)控加工指令(加工代碼)。 (6)將模具的數(shù)控加工代碼，采用dnc方式，控制數(shù)控機床(加工中心)的在線加工。 4 實例 由于汽車覆蓋件大都是空間結(jié)構(gòu)、形狀復雜，從而決定了在沖壓成形中的變形復雜性、變形規(guī)律不易掌握、出現(xiàn)的質(zhì)量問題也比較多。模具設(shè)計中不能向軸對稱零件那樣可以較容易地計算出主要工藝參數(shù)，模具參數(shù)等· 。但是由于汽車覆蓋件多數(shù)是一次拉深成形的，利用反求工程可以解決模具設(shè)計中的一系列的問題。下面以汽車覆蓋件的模具設(shè)計為例，描述基于反求工程的模具cad/cam/dnc的一體化過程。 在模型表面數(shù)字化中，采用以3dfamily公司生產(chǎn)的lsh600激光掃描測量系統(tǒng)測量。采集模型表面或特征線的坐標值，把采集的數(shù)據(jù)存入計算機中 根據(jù)模 型制造的需要，對測得模型進行噪聲處理，多視圖拼合，比例縮放、鏡像、旋轉(zhuǎn)、平移等處理，基于最小二乘法進行數(shù)據(jù)的光順，壓縮不必要的數(shù)據(jù)點一以減少后期計算量 。將處理后的3d點數(shù)據(jù)以qitech格式輸出。為了滿足pro/e的數(shù)據(jù)格式，必須在文件開頭加入open are length、begin section以及每開始處加入begin curve，生成pro/e能夠識別的.-hl數(shù)據(jù)式。 pro/e軟件的scan tool模塊有線的控制點移動(control y)、擬合(composite)、斷裂(split)、組合(merge)、投影(projected)等功能，可去除特征曲線的壞點，并對特征曲線進行光順處理，從而可以保證曲面的光順性，生成如圖所示的車門外板零件圖。 圖4.1 車門外板 圖4.2 凸模 圖4.3 凹模 基于反求工程技術(shù).在計算機網(wǎng)絡(luò)和CAD/CAM集成技術(shù)的支持下，建立模具CAD/CAM/DNC集成化環(huán)境，不但縮短了模具的設(shè)計制造周期，而且大大地降低了模具的生產(chǎn)成本，保證了模具的加工質(zhì)量，提高了數(shù)控設(shè)備利用率，實現(xiàn)了模具的快速制造。同時為進一步實施分散化網(wǎng)絡(luò)制造奠定了堅實的基礎(chǔ)。