刀具CAD技術(shù)資料

碩士學(xué)位論文PAGEPAGE791緒論1.1刀具CAD技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1CAD/CAM技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢CAD技術(shù)是伴隨著計算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而產(chǎn)生并不斷發(fā)展的，這門技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了半個世紀(jì)，從形成、發(fā)展、提高到目前的高度集成，已經(jīng)形成了比較完整的科學(xué)技術(shù)體系，并在當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中占有很重要的位置[2]。自從1946年出現(xiàn)第一臺計算機(jī)開始，人們就不斷地試圖將計算機(jī)技術(shù)引入到傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計和制造領(lǐng)域。特別是1951年美國PARSONS公司麻省理工學(xué)院(MIT)研制成了數(shù)控三坐標(biāo)銑床，實(shí)現(xiàn)了利用不同數(shù)控程序?qū)Σ煌慵募庸?，首次出現(xiàn)了現(xiàn)代柔性自動化的原形。隨后，為適應(yīng)數(shù)控銑床加工各種復(fù)雜形狀零件的需要，MIT研制數(shù)控自動編程系統(tǒng)，于20世紀(jì)50年代末研制成功了批處理語言的數(shù)控自動編程系統(tǒng)APT(AutomaticallyProgrammingTool)，該系統(tǒng)是最初的計算機(jī)輔助編程系統(tǒng)，開辟了計算機(jī)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，有人提出能不能不通過APT系統(tǒng)對走刀軌跡的描述而直接描述零件本身的問題，由此產(chǎn)生了CAD的概念[3]。這一時期，美國BarberColman和Fellows公司等，就已應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行齒輪刀具齒形的設(shè)計計算，有效地提高了齒輪刀具的設(shè)計速度和精度。60年代初，MIT的研究生I.E.Sutherland首次提出計算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)及圖形符號的存儲采用分層的思想，為CAD技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。隨后相繼出現(xiàn)了商品化的CAD設(shè)備和軟件系統(tǒng)。60年代中期到70年代中期是CAD/CAM技術(shù)走向成熟的階段，隨著計算機(jī)硬件的發(fā)展，以小型機(jī)、超小型機(jī)為主的CAD/CAM軟件進(jìn)入市場。出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的CAD/CAM商品化系統(tǒng)，并在60年代末和70年代初出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)FMS[5]。80年代是CAD/CAM技術(shù)迅速發(fā)展的時期，這一階段CAD的主要技術(shù)特征是實(shí)體造型（SolidModeling）理論和幾何建模（GeometricModeling）方法。實(shí)體建模的邊界表示法（B-Rep）和構(gòu)造實(shí)體造型幾何數(shù)表示法（CGS）在軟件開發(fā)上得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了三維造型、自由曲面設(shè)計、有限元分析等工程應(yīng)用。從90年代起，CAD/CAM技術(shù)已不再是過去單一模式、單一功能、單一領(lǐng)域的水平，而向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，資源的共享，和產(chǎn)品生產(chǎn)與組織的高度自動化，需要企業(yè)和企業(yè)集團(tuán)內(nèi)的CAD/CAM系統(tǒng)之間和各個子系統(tǒng)之間進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換。在這種情況下，一些發(fā)達(dá)國家和國際化標(biāo)準(zhǔn)組織都進(jìn)行了數(shù)據(jù)交換接口方面的開發(fā)工作，并指定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。這一時期的CAD技術(shù)基礎(chǔ)理論主要是以PTC公司的Pro/Engineer為代表的參數(shù)化造型理論和以SDRC的I-DEAS為代表的變量化造型理論，形成了基于特征的實(shí)體建模技術(shù)。1.1.2市場上流行CAD系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢CAD軟件大致可分為高端UNIX工作站CAD系統(tǒng)，中端Windows微機(jī)CAD系統(tǒng)和低端二維微機(jī)CAD系統(tǒng)等三類。高端UINX工作站CAD系統(tǒng)這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是，UNIX操作系統(tǒng)為支撐平臺，從50年代發(fā)展至今，產(chǎn)生了許多著名的軟件，也使許多曾經(jīng)顯赫一時的軟件在竟?fàn)幹新湮?，有的被兼并改組，如Appilcon,CADAM,intergraph等。目前，這類系統(tǒng)中比較流行的有：·PTC公司的Pro/Engineer。是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能?！DRC公司的I-DEAS軟件。采用基于特征的實(shí)體建模技術(shù)，以實(shí)體造型和并行相關(guān)性為特征。·EDS公司的UGH軟件。采用混合建模方法，主要應(yīng)用于汽車行業(yè)建模造型。在設(shè)計分析，加工制造等方面有一定的特色。·CV公司的CADDS5軟件。采用混合建模，提供參數(shù)造型，全套工程分析，曲面，并行裝配等強(qiáng)大的功能，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，圖形界面，其強(qiáng)項(xiàng)為：企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和并行裝配模形應(yīng)用?！ひ陨蠧imatron公司的CIMATRON軟件?？商峁﹥?yōu)良的三維造型，工程繪圖，數(shù)控加工，以及集成化的PDM，其強(qiáng)項(xiàng)是CAM?！atraDatavision公司的Euclid3軟件。采用混合建模方法，曲成設(shè)計造型和數(shù)控加工編程等功能強(qiáng)大。其強(qiáng)項(xiàng)為詳細(xì)設(shè)計和CAM?！BM/Dassualt公司的CATIA軟件，采用混合建模方法，其強(qiáng)項(xiàng)為應(yīng)用集成和CAM。·日立造船情報系統(tǒng)株式會實(shí)社的GRADE/CUBE-NC軟件。有突出的特點(diǎn)是面向制造，具有豐富的實(shí)用化曲面造型和加工編程。（2）中端微機(jī)的CAD系統(tǒng)隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是微機(jī)的性能和Windows技術(shù)的發(fā)展，使微機(jī)具備了與中低檔UNIX工作站競爭的實(shí)力，也使基于Windows技術(shù)的微機(jī)CAD系統(tǒng)迅速發(fā)展起來。目前，國際上最流行的有Solidworks公司的Solidworks軟件，UG公司的SolidEdge軟件和Autodesk公司的MDT軟件等，國內(nèi)也推出清華CAD工程中心的GEMS，浙大大天公司的GSMASD，北京巨龍騰公司的龍騰CAD，北京愛宜特公司的MicroSolid、江蘇杰必克超人CAD/CAM以及華正公司的CAXA-ME?！olidworks軟件。包含裝配設(shè)計建模，零件設(shè)計建模，工程圖與鈑金等模塊，還與高級圖像渲染軟件Photoworks,高級有限元分析軟件Cosmos、機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析軟件Motionworks,產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）軟件SmarTeam，以及數(shù)控加工等著名和分析軟件無縫集成?！olidEdge6.0軟件。采用Parasolid造型內(nèi)核和STREAM技術(shù)，基于Windows操作系統(tǒng)，以及完全與Microsoft產(chǎn)品相兼容的參數(shù)化三維實(shí)體造型系統(tǒng)，提供了實(shí)體造型、鈑金、制圖、裝配、塑料模具和鑄造設(shè)計、產(chǎn)品渲染和文檔管理等功能，并能和Cosmos、IPA、SmarEdge無縫集成。·MeshanicalDesktop(MDT)3.0軟件。采用ACIS4.2幾何造型核心系統(tǒng)，提出基于特征為參數(shù)化實(shí)體造型、曲面造型、裝配相關(guān)聯(lián)的繪圖和草圖功能，并包含了完整的AutoCAD繪圖工具集，與AutoCAD完全融為一體?！a(chǎn)的三維CAD軟件中，Microsolid采用ACIS作為系統(tǒng)的內(nèi)核，GEMS、GS-MCAF、龍騰、超人CAD/CAM三維系統(tǒng)是側(cè)重于面向加工的曲面造型系統(tǒng)。（3）低端CAD系統(tǒng)——二維CAD系統(tǒng)·AutoCAD軟件。純二維CAD系統(tǒng)在國外已經(jīng)不多，真正有名的是Autodesk公司的AutoCAD軟件。AutoCAD2004提高了數(shù)據(jù)訪問能力，軟件適用性以及更強(qiáng)的定制和開發(fā)能力，擴(kuò)展Internet系統(tǒng)設(shè)計信息的溝通，提高文件輸出/輸入、編輯/對象捕捉和制圖的速度，可對多個圖形文件同時進(jìn)行操作，支持多任務(wù)設(shè)計環(huán)境（MDE）?！a(chǎn)二維CAD軟件。目前流行的二維CAD軟件是自主開發(fā)平臺和自主版的二維CAD系統(tǒng)，如開目CAD、高華CAD、凱達(dá)BCAD、浙大ZDDS、中科院PICAD和華正CAXA電子圖板等等。另一類是以AutoCAD為平臺的二維CAD系統(tǒng)，如利瑪CAD、大恒CAD等。國產(chǎn)CAD二維軟件在參數(shù)化繪圖、動態(tài)導(dǎo)航、明細(xì)表BOM等三表生成、公差標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械零件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件圖庫和工程圖紙管理等方面有較強(qiáng)的特色。隨著國內(nèi)外CAD系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，我們可以看到CAD系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：（1）建模技術(shù)。由線框模形、實(shí)體模型和非均勻有理B樣條算法為特征，幾何建模已發(fā)展到參數(shù)化、變量化和特征建模，以及未來的面向產(chǎn)品生命周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中內(nèi)部描述信息（產(chǎn)品設(shè)計、計劃、制造、加工、裝配、檢驗(yàn)等信息）和外部過程的集成為特點(diǎn)的產(chǎn)品建模技術(shù)。參數(shù)驅(qū)動、特征造型、動態(tài)導(dǎo)航、二/三維雙向相關(guān)、STEP標(biāo)準(zhǔn)和動態(tài)圖形顯示等UNIX系統(tǒng)的精華已被充分吸收到新一代微機(jī)CAD系統(tǒng)中，而特征樹是近年來在CAD軟件中引入的一項(xiàng)非常有效的技術(shù)。面向產(chǎn)品生命周期的關(guān)系型產(chǎn)品模型技術(shù)的研究正在不斷提高。（2）軟件組件技術(shù)。可以提高軟件的穩(wěn)定性和開發(fā)效率。Solidworks、Solidedge均采用Parasolid幾何造型器，MDT、Microsolid均采用ACIS幾何造型器等。（3）Windows技術(shù)和Internet技術(shù)。許多公司，如Autodesk正將其軟件技術(shù)的研究開發(fā)重心集中于正在蓬勃發(fā)展的三大技術(shù)領(lǐng)域：對象技術(shù)、三維技術(shù)和Internet技術(shù)，這些核心技術(shù)主導(dǎo)著全球設(shè)計工業(yè)的發(fā)展趨向。（4）智能CAD技術(shù)。智能技術(shù)在CAD系統(tǒng)中將占有重要地位，將專家系統(tǒng)、智能工程等技術(shù)，借助領(lǐng)域?qū)＜业脑O(shè)計經(jīng)驗(yàn)，不斷積累和更新，形成企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計知識庫，是企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品的寶貴資源[12]。1.1.3CAD/CAM技術(shù)在刀具行業(yè)中的應(yīng)用八十年代，由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工程工作站的誕生、三維圖形技術(shù)的成熟和CAD/CAM支撐軟件的集成化和商品化，而且由于CNC機(jī)床和加工中心的廣泛應(yīng)用，高檔刀具的需求日益提高，促進(jìn)了刀具生產(chǎn)系統(tǒng)的進(jìn)現(xiàn)代化，使得刀具CAD/CAM技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，無論在廣度上還是在深度上都達(dá)到了較高的水平，其中以多品種、小批量的可轉(zhuǎn)位刀具和數(shù)控工具系統(tǒng)生產(chǎn)部門最為活躍，技術(shù)水平也較高[5]。在可轉(zhuǎn)位刀具的實(shí)際生產(chǎn)中，復(fù)合可轉(zhuǎn)位孔加工刀具的生產(chǎn)與CAD/CAM的應(yīng)用較早。除由于結(jié)構(gòu)限制，少數(shù)刀具采用整體或焊接刀具外，大多數(shù)均采用可轉(zhuǎn)位刀具。為了適應(yīng)可轉(zhuǎn)位刀具的設(shè)計與制造要求，提高市場的競爭力，生產(chǎn)復(fù)合孔加工刀具的廠家分別從設(shè)計與加工上入手，引進(jìn)了一系列先進(jìn)的設(shè)計與制造手段。為滿足用戶交貨期與使用要求，提高刀具的設(shè)計質(zhì)量與成功率，它們在大量采用NC機(jī)床與加工中心的同時，紛紛建立了自己的計算機(jī)系統(tǒng)及CAD/CAM軟件支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM一體化，有的甚至建立了小規(guī)模的集成制造系統(tǒng)，其中著名的復(fù)合孔加工刀具生產(chǎn)廠商美國的Valenite公司(現(xiàn)歸美國Cincinati集團(tuán))、德國的Hertel公司、Mapal公司和Komet公司等都分別于七、八十年代開始建立了自己的計算機(jī)系統(tǒng)用于CAD/CAM；尤其是德國的Walter公司于近年投資1億多馬克改造了可轉(zhuǎn)位銑刀刀體生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線是一個小型的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行、產(chǎn)品周期、質(zhì)量監(jiān)控均由計算機(jī)控制并進(jìn)行CAD/CAM信息處理[6]。我國生產(chǎn)可轉(zhuǎn)位刀具雖然已有近30年的歷史，但大多數(shù)沿用傳統(tǒng)的設(shè)計、制造方法?！捌呶濉奔啊鞍宋濉逼陂g，國內(nèi)的生產(chǎn)可轉(zhuǎn)位刀具的廠家大多進(jìn)行了不同規(guī)模的技術(shù)改造，配備了CNC機(jī)床、加工中心及圖形工作站等，推動了國內(nèi)可轉(zhuǎn)位刀具生產(chǎn)的發(fā)展。但由于沒有CAD/CAM技術(shù)上的支持，無法適應(yīng)新產(chǎn)品開發(fā)的非標(biāo)訂貸的要求，沒有發(fā)揮出先進(jìn)設(shè)備應(yīng)用和潛力[6]。只有少數(shù)廠商如哈爾濱工量數(shù)控刀具有限責(zé)任公司等在推進(jìn)可轉(zhuǎn)位刀具的開發(fā)和CAD/CAM一體化技術(shù)的商用化等方面走在了前面[2]。1.1.4國內(nèi)外對可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的研究及其CAD系統(tǒng)現(xiàn)狀70年代未，國外出現(xiàn)了硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位鉆頭，這種鉆頭與高速鋼麻花鉆相比，允許采用較高的切削速度和進(jìn)給速度，可以大大縮短加工時間，故具有效率高、壽命長和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了一種用這種高效短鉆頭替代麻花鉆加工淺孔的趨向[14]。硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位鉆頭是一種淺孔鉆，是SANDVIK公司于1975年首次推出的一種加工淺孔的高效鉆頭，也叫淺孔鉆或U鉆[15]。多年來，由于大量的研究工作和生產(chǎn)實(shí)踐，使這種刀具在技術(shù)上不斷地得到了完善和發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，這種新型刀具不僅在車床、銑床和加工中心等機(jī)床上得到廣泛采用，而且在組合機(jī)床和自動線上也得到了很好應(yīng)用，提高了組合機(jī)床的生產(chǎn)效率。目前，該產(chǎn)品在國外已得到廣泛應(yīng)用。瑞典、德國、美國、日本等國都有同類產(chǎn)品，其中以瑞典Sandvik公司和德國KOMET公司的可轉(zhuǎn)位淺孔鉆較為典型[23]。在現(xiàn)代生產(chǎn)中,硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位孔加工刀具已為人熟知。為加工L/D比值3～5、中等直徑的孔，常常采用有內(nèi)、外兩個刀片的可轉(zhuǎn)位淺孔鉆，它是從高速鋼麻花鉆和整體硬質(zhì)合金鉆頭基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。利用耐磨性高的硬質(zhì)合金，并通過選擇合適的刀片牌號(材質(zhì))和涂層種類制造的可轉(zhuǎn)位淺孔鉆，即可適用于一定的加工任務(wù)，并大大提高鉆孔效率[16]。對于精密孔加工，前道工序如采用可轉(zhuǎn)位鉆頭鉆孔，不僅可減少中間工序，縮短加工時間，而且可減少加工工位和設(shè)備投資，有著特別明顯的經(jīng)濟(jì)效益[14]。在我國，可轉(zhuǎn)位鉆頭雖在80年代初己研制成功，但到目前為止尚未進(jìn)行穩(wěn)定的批量生產(chǎn)。在汽車工業(yè)中，象連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和氣門搖臂等一些零件的鉆孔加工，國外早已采用可轉(zhuǎn)位鉆頭。而我們至今仍是采用高速鋼麻花鉆這樣的傳統(tǒng)刀具，這在加工工藝上確實(shí)存在著很大的差距?？赊D(zhuǎn)位淺孔鉆一般是由兩塊硬質(zhì)合金刀片（較大直徑淺孔鉆也可有4～5塊刀片）在徑向不對稱分布來構(gòu)成，兩塊刀片分別切削一段金屬而形成被加工孔。而正由于刀片在鉆頭上的非對稱布置，導(dǎo)致了刀具在加工時要產(chǎn)生徑向合力，從而影響機(jī)床的受力與刀具的變形，進(jìn)而影響被加工孔的質(zhì)量（主要是孔的形狀精度），制約了該種高效刀具的進(jìn)一步擴(kuò)大使用。因此最大限度地減小刀具加工時的徑向合力，就成為淺孔鉆開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。在以往的國內(nèi)外研究中一般采用兩種方法：其一是參數(shù)采用單位切削力進(jìn)行近似的計算與分析，得到相應(yīng)的保持徑向力平衡的鉆頭結(jié)構(gòu)[5][8]；其二是采用試驗(yàn)的辦法對較小范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與徑向力的關(guān)系進(jìn)行有限的研究[9][10]。但這兩種方法都無法建立結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，且采用試驗(yàn)的辦法費(fèi)力費(fèi)時，不大可能對大范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究與分析。所以應(yīng)該對淺孔鉆進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究并建立正確的數(shù)學(xué)模型，從理論上優(yōu)化刀具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，并根據(jù)優(yōu)化模型，開發(fā)智能CAD設(shè)計系統(tǒng)，使淺孔鉆的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，都能在同一程序中完成。1.2本課題的來源本課題來自四川省教育廳的重點(diǎn)科研項(xiàng)目《淺孔鉆鉆削機(jī)理及智能化開發(fā)系統(tǒng)研究》的智能化開發(fā)系統(tǒng)研究部分。1.3主要研究內(nèi)容及論文的結(jié)構(gòu)安排本論文主要研究了可轉(zhuǎn)位淺孔鉆智能CAD系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，其主要內(nèi)容如下：在收集和分析當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)可轉(zhuǎn)位淺孔鉆及CAD系統(tǒng)資料的基礎(chǔ)上，提出可轉(zhuǎn)位淺孔鉆智能CAD系統(tǒng)的基本構(gòu)架。建立可轉(zhuǎn)位淺孔鉆幾何參數(shù)計算的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上給出刀體上刀片槽空間位置的數(shù)學(xué)模型及最優(yōu)結(jié)果。重點(diǎn)進(jìn)行可轉(zhuǎn)位淺孔鉆智能CAD系統(tǒng)的開發(fā)與研究。確定本系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，建立系統(tǒng)的總體框架。完成可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的刀片槽空間位置優(yōu)化計算模塊、智能推理模塊、三維實(shí)體建模模塊、裝配圖模塊和二維工程圖模塊的設(shè)計。建立可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的數(shù)據(jù)庫、知識庫和實(shí)例庫。論文包括以下6部分：1緒論綜合分析了CAD技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，論述了論文的研究背景，提出智能CAD系統(tǒng)的可行性和必要性。2可轉(zhuǎn)位淺孔鉆幾何建模與分析論述了可轉(zhuǎn)位淺孔鉆數(shù)學(xué)模型的建立，并給出了刀體上刀片槽空間位置的優(yōu)化模型。3可轉(zhuǎn)位淺孔鉆智能CAD系統(tǒng)的設(shè)計主要論述了系統(tǒng)運(yùn)行的軟硬件環(huán)境和系統(tǒng)的整體設(shè)計框架。4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)這章是本論文的重點(diǎn)，對系統(tǒng)涉及到的主要技術(shù)都做了較詳細(xì)的闡述。重點(diǎn)敘述了Pro/Toolkit二次開發(fā)技術(shù)，matlab與VC的接口技術(shù)等。5系統(tǒng)的運(yùn)行本章通過例子對智能系統(tǒng)的使用方法作了較詳細(xì)的介紹，使讀者對本系統(tǒng)的功能有較全面的認(rèn)識。6總結(jié)及展望對全文進(jìn)行總結(jié)，給出了論文的價值與不足之處，展望未來的發(fā)展趨勢以及還需進(jìn)一步研究的內(nèi)容。2可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的數(shù)學(xué)模型2.1可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的幾何模型參考文獻(xiàn)[60]對可轉(zhuǎn)位淺孔鉆數(shù)學(xué)模型的求解做了較詳細(xì)的闡述，在本論文中，給出了刀體上刀片槽五個空間位置參數(shù)的計算及其優(yōu)化模型。2.1.1坐標(biāo)系的建立以刀桿的端部裝有兩個等邊不等角六邊形硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的淺孔鉆為例，如圖2.1（a）建立鉆頭坐標(biāo)系o-xyz，z軸與鉆頭軸線重合；如圖2.1（b）建立刀片坐標(biāo)系o’-x’y’z’?，F(xiàn)將刀片連同其坐標(biāo)系分別安裝在鉆頭上，首先將刀片系的原點(diǎn)o’與o點(diǎn)重合，并使y’軸與y軸重合，然后使坐標(biāo)系o’-x’y’z’繞y軸反轉(zhuǎn)ψ角，使x’軸與x軸重合，z’軸與z軸重合，形成坐標(biāo)系o-xyz，接著使坐標(biāo)系o’-x’y’z’繞軸正轉(zhuǎn)角，使y’軸與y軸重合，z’軸與z軸重合，至此，刀片已安裝在坐標(biāo)系o-xyz所在的位置上，此位置上的刀片為內(nèi)刀片，并設(shè)為刀片1。將刀片系的原點(diǎn)o’與o點(diǎn)重合，并使z’與z軸重合，然后使坐標(biāo)系o’-x’y’z’繞z軸正轉(zhuǎn)（180o-?）角，使x’軸與x軸重合，y’軸與y軸重合，形成坐標(biāo)系o-xyz；接著使坐標(biāo)系o’-x’y’z’繞y軸正轉(zhuǎn)角，使x’軸與x軸重合，z’軸與z軸重合，形成坐標(biāo)系o-xyz；最后再將坐標(biāo)系o’-x’y’z’繞x軸正Fig2.1(a)Drillcoordinatesystem轉(zhuǎn)角，使y’軸與y軸重合，圖2.1(a)鉆頭坐標(biāo)系z’軸與z軸重合，這樣便將刀片安裝在坐標(biāo)系o-xyz所在的位置上，此位置上的刀片為外刀片，并設(shè)為刀片2。Fig2.1(b)Coordinatesystemforindexabletrigoninsert圖2.1（b）刀片坐標(biāo)系Fig2.1(c)Settingcoordinatesystemforinnerandouterinserts圖2.1（c）內(nèi)外刀片安裝坐標(biāo)系圖2.1(c)表示坐標(biāo)系o-xyz以及坐標(biāo)系o-xyz與坐標(biāo)系o-xyz之間的關(guān)系。坐標(biāo)系o-xyz與坐標(biāo)系o-xyz中矢徑之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：(1)式中表示坐標(biāo)系o-xyz中任意一點(diǎn)的矢徑，表示坐標(biāo)系o-xyz中同一點(diǎn)的矢徑。，為坐標(biāo)變換矩陣，可表示為：式中坐標(biāo)系o-xyz與坐標(biāo)系o-xyz中矢徑之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：(2)式中表示坐標(biāo)系o-xyz中任意一點(diǎn)的矢徑，表示坐標(biāo)系o-xyz中同一點(diǎn)的矢徑。，，為坐標(biāo)變換矩陣，可表示為：式中2.1.2刀片坐標(biāo)系o’-x’y’z’中各矢量方程刀片左切削刃幺矢(3)式中為刀片的余偏角刀片右切削刃幺矢(4)刀片左刃法前角幺矢(5)式中為刀片的法前角刀片右刃法前角幺矢(6)刀片左刃法后角幺矢(7)式中為刀片的法后角刀片右刃法后角幺矢(8)2.1.3刀片上的各矢量在鉆頭坐標(biāo)系中的表示由于在計算刀具的幾何角度時，刀片上的矢量只與坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換有關(guān)，而與坐標(biāo)系的平移變換無關(guān)，因此，刀片上的各矢量在鉆頭坐標(biāo)系中的表示如下所示。刀片安裝在坐標(biāo)系o-xyz中后各矢量方程：刀片1左切削刃幺矢(9)刀片1右切削刃幺矢(10)刀片1左刃法前角幺矢(11)刀片1右刃法前角幺矢(12)刀片1左刃法后角幺矢(13)刀片1右刃法后角幺矢(14)刀片安裝在坐標(biāo)系o-xyz中后各矢量方程：刀片2左切削刃幺矢(15)刀片2右切削刃幺矢(16)刀片2左刃法前角幺矢(17)刀片2右刃法前角幺矢(18)刀片2左刃法后角幺矢(19)刀片2右刃法后角幺矢(20)2.1.4內(nèi)外刀片切削刃上任意一點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系中空間位置參數(shù)計算設(shè)刀片1切削刃上任意一點(diǎn)在刀片坐標(biāo)系o’-x’y’z’中的矢徑為：同一點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系o-xyz中的矢徑為：則由式（1）有：(21)如圖2.2所示，該點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系o-xyz中的合成速度幺矢可表示為：Fig2.2Resultantcuttingspeed圖2.2合成切削速度式中主運(yùn)動速度幺矢進(jìn)給速度幺矢合成速度幺矢n轉(zhuǎn)速R刀片1切削刃上所選點(diǎn)處的半徑設(shè)刀片2切削刃上任意一點(diǎn)在刀片坐標(biāo)系o’-x’y’z’中的矢徑為：同一點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系o-xyz中的矢徑為：則由式（2）有：(22)該點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系o-xyz中的合成速度幺矢可表示為：式中主運(yùn)動速度幺矢進(jìn)給速度幺矢合成速度幺矢n轉(zhuǎn)速R刀片2切削刃上所選點(diǎn)處的半徑2.1.5內(nèi)外刀片切削刃的幾何角度的計算由參考文獻(xiàn)[48]知：（23）（24）（25）（26）式中合成速度幺矢由上式，分別計算出刀片1與刀片2左右切削刃上任意一點(diǎn)在加工狀態(tài)下的刃傾角、法前角、法后角和主偏角如下：對于刀片1左切削刃，由式（9）、式（11）、式（13）及式（23）~式（26）分別求出：（27）（28）（29）（30）對于刀片1右切削刃，由式（10）、式（12）、式（14）及式（23）~式（26）分別求出：（31）（32）（33）（34）對于刀片2左切削刃，由式（15）、式（17）、式（19）及式（23）~式（26）分別求出：（35）（36）（37）（38）對于刀片2右切削刃，由式（16）、式（18）、式（20）及式（23）~式（26）分別求出：（39）（40）（41）（42）2.1.6內(nèi)外刀片搭接交點(diǎn)的計算為了計算刀片1（內(nèi)刀片）右刃與刀片2（外刀片）左刃的實(shí)際切削長度，必須求得內(nèi)外刀片搭接時的交點(diǎn)在各刀片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。Fig2.3Diagramofdrillingforinnerandouterinsertsofdrillswithindexableinserts圖2.3淺孔鉆內(nèi)外刀片鉆削示意圖Fig2.4Itersectionpointsbetweentherightcuttingedgeofinsert1andtheleftcuttingedgeofinsert2圖2.4刀片1右刃與刀片2左刃搭接交點(diǎn)示意圖1.不考慮進(jìn)給量時，內(nèi)外刀片的搭接交點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系中，兩刀片切削刃搭接時的交點(diǎn)其半徑必然相等，Z坐標(biāo)也必然相等。由式（21）與式（22）可建立如下聯(lián)立方程式：（43）

將以上四個方程整理并化簡后，可得到如下一元二次方程：(44)式中：令得出：（45）解此一元二次方程，得到刀片1右刃與刀片2左刃搭接交點(diǎn)在刀片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。將代入（21）式可以求出角，將代入（22）式可以求出角。當(dāng)外刀片逆時針旋轉(zhuǎn)到內(nèi)刀片的位置并發(fā)生搭接時，轉(zhuǎn)過的角度為（π--），內(nèi)刀片逆時針旋轉(zhuǎn)到外刀片的位置并發(fā)生搭接時，轉(zhuǎn)過的角度為（π++）。2.考慮進(jìn)給量時，外刀片逆時針轉(zhuǎn)過（π--）度后與內(nèi)刀片發(fā)生搭接的搭接交點(diǎn)的計算（46）將以上四個方程整理并化簡后，可得到如下一元二次方程：（47）令得出：（48）3.考慮進(jìn)給量時，內(nèi)刀片逆時針轉(zhuǎn)過（π++）度后與外刀片發(fā)生搭接的搭接交點(diǎn)的計算（49）將以上四個方程整理并化簡后，可得到如下一元二次方程：（50）令得出（51）2.2可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的力學(xué)模型2.2.1切削層斷面尺寸的分析因?yàn)槿魏蔚毒叨伎梢砸暈橐幌盗小皢卧邢魅小钡慕M合，而所有的“單元切削刃”之間都存在某種“局部相似性”，現(xiàn)代形狀復(fù)雜刀具的力學(xué)建模，正是基于這種“局部相似性”。因此，為了建立淺孔鉆的力學(xué)模型，需要將切削刃分成若干等分的細(xì)小單元[49]。切削層斷面尺寸即被切削層材料在基面中的尺寸，切削厚度和切削寬度如圖2.5所示：Fig2.5Dimensionsoftheuncutchip圖2.5切削層斷面尺寸的分析圖2.5中，切削刃幺矢為，它在工作基面上的投影方向的單位向量即為；進(jìn)給方向的幺矢為，它在工作基面上的投影方向的單位向量為；矢量與矢量之間所夾的角為工作主偏角。切削厚度：f－進(jìn)給量z－刀齒數(shù)－主運(yùn)動速度與合成速度之間的夾角切削寬度：－單元切削刃長度2.2.2內(nèi)外刀片上的鉆削力及扭矩的計算鉆削力和扭矩的計算采用經(jīng)典的斜角切削理論和經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法來建立鉆削力和扭矩的方程式[50][51]。首先將切削刃分成若干等分的細(xì)小單元，鉆削時每一個單元將產(chǎn)生單元切削力和單元扭矩。由于單元很小，因此在該單元內(nèi)可近似認(rèn)為其幾何參數(shù)和切削速度不變，取該單元起始點(diǎn)的幾何參數(shù)和切削速度表示，并用以確定該單元切削力的作用點(diǎn)來計算單元扭矩。然后再將單元切削力和扭矩分解到鉆頭坐標(biāo)系的x,y,z各坐標(biāo)軸上，最后將各坐標(biāo)軸上的單元切削力和單元扭矩疊加起來就得到整個鉆頭所受的主切削力（切向力）、軸向力（進(jìn)給力）、徑向力（背向力）和扭矩。按單元經(jīng)典斜角切削理論（Elementalclassicalobliquecuttingapproach）[50][59],在每一個單元上產(chǎn)生的切削力的作用方向如圖2.4所示，圖中：——單元主切削力，刀片左右切削刃均與合成切削速度共線，且方向相反?！怪庇诤铣汕邢魉俣群颓邢魅蟹较虻膯卧邢髁Γ镀笥仪邢魅芯c（切削平面法幺矢）共線，且方向相同?！怪庇诤偷膯卧邢髁?，內(nèi)刀片左右切削刃均與（主剖面法幺矢）共線，且方向相同，外刀片左右切削刃均與-共線，且方向相同。文獻(xiàn)[50]給出以上各單元切削變形力的表達(dá)式如下：式中：Fig2.4Unitcuttingforceandgeometry圖2.4單元切削力與幾何參數(shù) ——剪切面的剪應(yīng)力（shearstressinshearplane） ——前刀面上的流屑角，當(dāng)<45°以及切削<0.3mm時，≈?！ㄏ蚣羟薪牵╪ormalshearangle） ——前刀面上的摩擦角(frictionangleonrakeface) ——法向摩擦角(normalfrictionangle)另外，單元刃口切削力可寫成[50]：式中——法剖面內(nèi)平行于合成切削速度方向單位切削寬度的刃口力——法剖面內(nèi)垂直于合成切削速度方向單位切削寬度的刃口力以上公式所需的基本切削參數(shù)、、、、可由試驗(yàn)公式給出。單元切削力為單元變形力與單元刃口切削力之合，寫成:本論文以刀桿的端部裝有兩個等邊不等角六邊形硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的淺孔鉆為例進(jìn)行受力分析，刀片形狀如圖2.1(b)。將實(shí)際參與切削的切削刃分成七個部分，如圖2.4所示，包括：刀片2右刃、刀片2左刃bc段及cf段、刀片1右刃ek段及kn段、刀片1左刃no段及過心部分oq段。按定義在鉆頭坐標(biāo)系o-xyz中，將單元切削力、、三個力寫成矢量表達(dá)式，對于刀片2右切削刃有，，。求得小單元上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：刀片2右切削刃沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：對于刀片2左切削刃有：(1)段如圖2.4所示，三角形abc區(qū)域是由雙刃切削形成的，因此進(jìn)給量為。不考慮進(jìn)給量時的搭接點(diǎn)為a點(diǎn)，它在刀片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為及；考慮進(jìn)給量時的搭接點(diǎn)為b點(diǎn)，它在刀片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為及。為了簡化計算過程，將段看作一個小單元，求出三角形abc在基面內(nèi)的面積就等于求出了段的切削面積。利用經(jīng)驗(yàn)公式可以求出段上的、、、、、、、、，從而求出段上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：(2)段如圖2.4所示，平行四邊形acfg區(qū)域是由單刃切削形成的，因此進(jìn)給量為。將段分割成許多小單元，任取一個小單元進(jìn)行分析，利用經(jīng)驗(yàn)公式可以求出這個小單元上的、、。求出小單元上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：求出段上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：對于刀片1右切削刃有：(1)段如圖2.4所示，三角形dek區(qū)域是由雙刃切削形成的，因此進(jìn)給量為。不考慮進(jìn)給量時的搭接點(diǎn)為d點(diǎn)，它在刀片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為及；考慮進(jìn)給量時的搭接點(diǎn)為e點(diǎn)，它在刀片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為及。為了簡化計算過程，將段看作一個小單元，求出三角形dek在基面內(nèi)的面積就等于求出了段的切削面積。利用經(jīng)驗(yàn)公式可以求出段上的、、,并將、、三個力寫成向量的形式，就可以求出段上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：(2)段如圖2.4所示，平行四邊形dknm區(qū)域是由單刃切削形成的，因此進(jìn)給量為。將段分割成許多小單元，任取一個小單元進(jìn)行分析，利用上面的經(jīng)驗(yàn)公式可以求出這個小單元上的、、，寫出、、的向量形式，可以求出小單元上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：然后求出段上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：對于刀片1左切削刃的非過心段，如圖4所示，平行四邊形mnoh區(qū)域是由單刃切削形成的，因此進(jìn)給量為。將段分割成許多小單元，任取一個小單元進(jìn)行分析，利用上面的經(jīng)驗(yàn)公式可以求出這個小單元上的、、、、、、、、。進(jìn)而求出小單元上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：求出段上的力沿著x，y，z三個方向上的合力及扭矩：2.3過心部分的幾何參數(shù)的計算可轉(zhuǎn)位淺孔鉆內(nèi)刀片，由于靠近刀具旋轉(zhuǎn)中心，線速度較低(中心處為零)，刀片主要受擠壓作用。因此，為了避免讓強(qiáng)度較弱的刀尖參與切削，增強(qiáng)實(shí)際參加切削的切削刃強(qiáng)度，以減小崩刃，使內(nèi)刀片超過鉆頭中心一定量，稱之為過心部分。設(shè)過中心部分切削刃上任意一點(diǎn)在刀片坐標(biāo)系o’-x’y’z’中的矢徑為：同一點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系o-xyz中的矢徑為：則由式（1）有：（52）該點(diǎn)在鉆頭坐標(biāo)系o-xyz中的合成切削速度矢量可表示為： 式中主運(yùn)動速度幺矢進(jìn)給速度幺矢合成速度幺矢n轉(zhuǎn)速R過中心部分切削刃上所選點(diǎn)處的半徑如圖2.5所示，過中心部分在鉆頭坐標(biāo)系中的前、后刀面相反，因此過心部分在刀片坐標(biāo)系o’-x’y’z’中各矢量方程表示如下：切削刃幺矢：法前角幺矢：將過中心部分安裝在坐標(biāo)系o-xyz中后各矢量方程表示如下：切削刃幺矢：切削刃幺矢：法前角幺矢：切削刃幺矢：Fig2.5Thegeometryofcuttingedgeexceedingthecenterlineofthedrill圖2.5過心部分的幾何參數(shù)切削刃幺矢：法前角幺矢：將過中心部分安裝在坐標(biāo)系o-xyz中后各矢量方程表示如下：切削刃幺矢：法前角幺矢：過中心部分切削刃上任意一點(diǎn)在加工狀態(tài)下的刃傾角、法前角和主偏角計算如下：(53)(54)(55)且2.4優(yōu)化模型與優(yōu)化結(jié)果用最優(yōu)化方法解決最優(yōu)化問題的技術(shù)稱為最優(yōu)化技術(shù)，它包含兩個方面的內(nèi)容：=1\*GB3①建立數(shù)學(xué)模型，即用數(shù)學(xué)語言來描述最優(yōu)化問題。模型中的數(shù)學(xué)關(guān)系式反映了最優(yōu)化問題所要達(dá)到的目標(biāo)和各種約束條件。=2\*GB3②數(shù)學(xué)求解。數(shù)學(xué)模型建好以后，選擇合理的最優(yōu)化方法進(jìn)行求解。2.4.1淺孔鉆的優(yōu)化模型由于淺孔鉆內(nèi)外刀片的非對稱布置，導(dǎo)致刀具在加工時要產(chǎn)生徑向合力，從而影響了被加工孔的質(zhì)量，因此最大限度地減小淺孔鉆加工時的徑向合力就成為研究的重點(diǎn)。我們知道，對于給定的應(yīng)用條件（即工件材料的機(jī)械物理性能、切削用量及切削狀態(tài)等），某種刀片形狀和材質(zhì)必然存在一種最優(yōu)的空間刀片布置方案，以形成合理的空間幾何參數(shù)，使得徑向合力達(dá)到最小。于是，我們將最優(yōu)化原理和計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于淺孔鉆的設(shè)計來尋找這種最優(yōu)的方案，采用多目標(biāo)非線性約束優(yōu)化方法。最優(yōu)化模型可描述為：目標(biāo)函數(shù)：minand∈D式中，，，，邊界約束條件：作者在建立上述優(yōu)化模型時，綜合考慮了可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的幾何結(jié)構(gòu)及鉆削性能，將刀片1與刀片2的五個安裝位置參數(shù)的約束邊界限制在一個較小的范圍內(nèi)。優(yōu)化結(jié)果表明，在該范圍內(nèi)可以找到使徑向合力及扭矩為最小的5個最優(yōu)參數(shù)。2.4.2用MATLAB的Fgoalttain求解多目標(biāo)優(yōu)化問題利用Fgoalttain函數(shù)求解多目標(biāo)達(dá)到問題。假設(shè)多目標(biāo)達(dá)到問題的數(shù)學(xué)模型為：=1,…,m（非線性不等式約束）（非線性等式約束）（線性不等式約束）（線性等式約束）其中為可正可負(fù)的標(biāo)量變量，為第個目標(biāo)函數(shù)，和分別為第個目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)和目標(biāo)。加權(quán)系數(shù)控制未達(dá)到目標(biāo)或超過目標(biāo)的相對程度，在公式中為一弱化量。fgoalttain函數(shù)的調(diào)用格式為：[x,fval]=fgoalattain(fun,x0,goal,weight,A,b,,,lb,ub)其中，goal變量為目標(biāo)希望達(dá)到的向量值。向量的長度與fun函數(shù)返回的目標(biāo)數(shù)相等。weight變量為權(quán)重向量，可以控制低于或超過fgoalattain函數(shù)指定目標(biāo)的相對程度。當(dāng)加權(quán)函數(shù)weight為正時，fgoalattain函數(shù)試圖使對象小于目標(biāo)值；當(dāng)權(quán)重weight為負(fù)時，目標(biāo)函數(shù)大于目標(biāo)值。優(yōu)化程序計算流程圖如圖2.6所示：開始開始輸入輸入,的已知值和的初值調(diào)用MATLAB優(yōu)化工具箱中的f調(diào)用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fgoalttain函數(shù)計算and及對應(yīng)的值輸出輸出,,結(jié)束結(jié)束Fig2.6Flowchartforoptimizationcomputerprogram圖2.6優(yōu)化程序的計算流程圖2.4.3優(yōu)化計算結(jié)果及優(yōu)化后的鉆頭幾何參數(shù)由于兩塊硬質(zhì)合金刀片在徑向非對稱分布，導(dǎo)致了淺孔鉆在加工時要產(chǎn)生徑向合力，從而影響機(jī)床的受力與刀具的變形，進(jìn)而影響被加工孔的質(zhì)量（主要是孔的形狀精度）。影響徑向合力的大小和作用方向的主要因素有鉆頭的幾何參數(shù)、可轉(zhuǎn)位刀片在鉆頭上的裝夾位置和鉆頭的橫截面。因此，本論文從理論上優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，尋找能使徑向合力及扭矩達(dá)到最小，并且優(yōu)化后的幾何參數(shù)有利于改善刀具切削性能的最優(yōu)的設(shè)計方案。下面以Φ25的淺孔鉆為例，對其進(jìn)行優(yōu)化，采用多目標(biāo)達(dá)到法，將已知數(shù)據(jù)與設(shè)計參數(shù)的初值代入優(yōu)化模型中，優(yōu)化結(jié)果列于表2.1中。表2.1優(yōu)化結(jié)果Table2.1OptimalResults123參數(shù)初值-5-4-1-12優(yōu)化結(jié)果-7.49-5.56-3.01-8.7113.802.4.4鉆頭直徑與優(yōu)化參數(shù)間的關(guān)系硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的鉆削范圍是Φ17.5~56mm的淺孔，前邊僅對直徑為25mm的鉆頭進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。將數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化模型應(yīng)用于不同直徑的可轉(zhuǎn)位淺孔鉆，研究鉆頭直徑與優(yōu)化參數(shù)間的關(guān)系。表2.2給出了不同直徑的淺孔鉆經(jīng)過優(yōu)化之后的,,1，2，3值。表2.2優(yōu)化參數(shù)/鉆頭直徑Table2.2OptimumParameters/DrillDiameter安裝角度鉆頭直徑12320-7.23-6.58-0.09-9.9714.4822-6.99-5.010.88-9.5612.2425-7.49-5.56-3.01-8.7113.8028-5.99-4.074.81-9.674.0930-8.38-7.460.28-9.7411.1034-4.24-3.268.23-4.150.3842-2.77-1.835.45-6.93-8.1248-3.80-1.687.12-4.31-6.6852-3.35-1.997.87-4.37-8.8256-1.81-1.8010.11-3.97-8.643可轉(zhuǎn)位淺孔鉆智能CAD系統(tǒng)的設(shè)計3.1系統(tǒng)設(shè)計的硬件環(huán)境CAD系統(tǒng)要求有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，選擇好的CPU對于CAD系統(tǒng)是至關(guān)重要的，一般要求PentiumIII以上。CAD系統(tǒng)的圖形顯示速度和計算能力也要求有性能良好的顯示適配器（VGA以上）和較大內(nèi)存（64M以上）[11]3.2系統(tǒng)所選用軟件簡介軟件的更新?lián)Q代是最快的，開發(fā)本系統(tǒng)時，選用的操作系統(tǒng)是WindowsXP系統(tǒng)，在此操作系統(tǒng)下，我們選用了VisualStudioC++6.0,Pro/EWildfire(英文版),Matlab6.0,SQLServer2000等作為開發(fā)本系統(tǒng)的軟件。3.2.1圖形支撐軟件Pro/EWildfirePro/Engineer軟件是由美國參數(shù)化技術(shù)公司（ParametricTechologyCorporation,PTC）開發(fā)的新一代CAD/CAM系統(tǒng)，該軟件是一種采用了特征建模技術(shù)，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的參數(shù)化的通用CAD系統(tǒng)。自從面世以來，以全參數(shù)化尺寸驅(qū)動、基于特征、單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫等優(yōu)點(diǎn)深受用戶好評，并成為國際參數(shù)化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前Pro/Engineer軟件在我國的機(jī)械、電子、家電、模具等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)的應(yīng)用數(shù)量大大超過了同類型的其他國外產(chǎn)品。雖然Pro/Engineer軟件功能非常強(qiáng)大，通用性非常好，然而在具體的使用過程中不可能滿足各種要求，特別是國外的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)件庫等方面和國內(nèi)存在較大差異，因此，以Pro/Engineer軟件為平臺進(jìn)行二次開發(fā)，使之適合國內(nèi)外企業(yè)設(shè)計的要求，更大限度的發(fā)揮Pro/Engineer的作用，已成為該軟件應(yīng)用過程中的一項(xiàng)重要工作。可喜的是Pro/Engineer具有開放的體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的二次開發(fā)工具，允許用戶和開發(fā)者對其進(jìn)行擴(kuò)充和修改。Pro/Engineer常用的二次開發(fā)工具有：族表(FamilyTable)、用戶定義特征(UDF)、Pro/Program、J-link、Pro/Toolkit等。Pro/Toolkit是Pro/E自帶的功能最強(qiáng)大的二次開發(fā)工具，它是基于C語言的，其主要目的是讓用戶或第三方通過C程序代碼擴(kuò)充Pro/Engineer系統(tǒng)的功能，開發(fā)基于Pro/Engineer系統(tǒng)的應(yīng)用程序模塊，從而滿足用戶的特殊要求。不僅如此，還可以利用Pro/Toolkit提供的UI對話框、菜單以及VisualC++6.0的可視化界面技術(shù)，設(shè)計出方便實(shí)用的人機(jī)交互界面，從而大大提高系統(tǒng)的使用效率。Pro/Toolkit工具包提供了開發(fā)Pro/Engineer所需的函數(shù)庫文件和頭文件，使用戶編寫的應(yīng)用程序能夠安全地控制和訪問PE，并可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序模塊與Pro/Engineer系統(tǒng)的無縫集成。Pro/Toolkit支持在Windows2000/NT/XP操作系統(tǒng)中使用C和C++語言設(shè)計程序，采用MicrosoftVisualC++6.0作為編譯器和連接器，并可以在MicrosoftvisualC++6.0的集成環(huán)境下完成程序的設(shè)計、調(diào)試和編譯[3]。3.2.2應(yīng)用程序開發(fā)軟件MicrosoftVisualC++6.0VisualC++6.0是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。由于C++提供了把數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)之上的操作封裝在一起的類、對象和方法的機(jī)制，并通過繼承、重載和多態(tài)性等特征實(shí)現(xiàn)了軟件的重用和程序的自動生成，使軟件的構(gòu)造、開發(fā)和維護(hù)變得更為有效，并能更好地反映客觀事物的本質(zhì)。VisualC++的MFC為面向?qū)ο蟮腤indows編程提供了強(qiáng)有力的支持，它與win32緊密相連，是當(dāng)今Windows系統(tǒng)平臺上最強(qiáng)大的應(yīng)用程序開發(fā)系統(tǒng)，利用VisualC++6.0可以完成各種各樣的程序開發(fā)，從界面設(shè)計到數(shù)據(jù)庫訪問，能滿足不同用戶CAD系統(tǒng)要求。在VC++6.0中，主要有三種常用的工程：Win32ConsoleApplication；Win32Application；MFCAppWizard。Win32ConsoleApplication是用于創(chuàng)建DOS控制臺的C/C++程序，簡稱DOS程序。Win32Application用于創(chuàng)建的WindowsC程序或MFCWindows程序。MFCAppWizard用向?qū)?chuàng)建MFCWindows程序，并生成應(yīng)用程序框架（即自動生成底層代碼），編程時在原代碼基礎(chǔ)上增加新的應(yīng)用代碼即可，這樣，即使對C/C++不是很熟悉，根據(jù)向?qū)Р僮饕部梢院芸扉_發(fā)出單文檔或多文檔圖形操作界面，實(shí)現(xiàn)一些簡單的WINDOWS功能。但是，應(yīng)用C++去編制數(shù)值處理模塊，特別時涉及到許多矩陣運(yùn)算和優(yōu)化算法的情況下，它遠(yuǎn)沒有MATLAB方便和簡潔。3.2.3數(shù)學(xué)計算軟件MATLAB6.0MATLAB是美國MathWorks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算環(huán)境。MATLAB是英文MATtrixLABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫。它包括高效的數(shù)值運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、信號處理、公式推倒和圖形生成等。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。同時MATLAB還有很強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。用戶也可以根據(jù)自己的工作任務(wù)，開發(fā)自己的工具箱。MATLAB進(jìn)行數(shù)值計算的基本處理單位是復(fù)數(shù)數(shù)組（或稱陣列）。它擁有一流水平的數(shù)值計算函數(shù)庫，其所有數(shù)值計算算法都是國際公認(rèn)的、先進(jìn)的可靠算法，而執(zhí)行算法的指令形式非常簡單、易讀易用。應(yīng)用MATLAB進(jìn)行函數(shù)圖形繪制也非常方便，一般來說，不管二元函數(shù)多么復(fù)雜，它的三維圖形，僅需要10條左右指令，就能得到富于感染力的表現(xiàn)。而且MATLAB有專門的優(yōu)化工具包，處理優(yōu)化算法也只要簡單的幾條語句就可以了。淺孔鉆的數(shù)學(xué)建模過程，最麻煩的是牽涉到大量的矩陣運(yùn)算，尤其是矩陣相乘和求逆運(yùn)算，用一般的高級語言編寫建模過程和處理優(yōu)化結(jié)果，就必須花大量的時間去編制相應(yīng)的子程序模塊處理矩陣運(yùn)算和優(yōu)化算法，如果還需要繪制運(yùn)算曲線圖，那么開發(fā)工作量就更是驚人。MATLAB在數(shù)值分析和處理上是第一流的，尤其擅長矩陣運(yùn)算。如方陣A的求逆，只要一個簡單的命令inv(A)就可以了，矩陣A和B的相乘也只要輸入C=A*B就可以實(shí)現(xiàn)。在MATLAB中，一個一定格式存儲的數(shù)據(jù)文件，用load命令就可以直接賦值給一個數(shù)值變量，無需象其他高級語言中要求的進(jìn)行數(shù)組循環(huán)賦值，而其強(qiáng)大的優(yōu)化工具箱更為淺孔鉆的優(yōu)化算法節(jié)約了大量的開發(fā)時間，從而大大提高了編程效率。但是，MATLAB編程也有它的不足，編制的M文件需要一定的運(yùn)行環(huán)境，而且程序是解釋性運(yùn)行，這大大降低了其計算速度，而運(yùn)行的高效率則正是C/C++程序的優(yōu)勢。另外MATLAB保存的M文件是源程序代碼，不利于算法和數(shù)據(jù)的保密。所以采用結(jié)合其他高級語言（如VC++6.0）實(shí)行聯(lián)合編程的方法，就可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。我們只是把一些計算過程留給MATLAB而應(yīng)用VC++6.0進(jìn)行函數(shù)調(diào)用和開發(fā)可視化圖形操作界面，提高軟件的開發(fā)效率，大大縮短軟件的開發(fā)周期[7]。3.2.4數(shù)據(jù)庫支撐軟件SQLServer2000SQLServer是一種高性能的客戶/服務(wù)器型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有極強(qiáng)的操作性。它所包含的管理和開發(fā)工具使得數(shù)據(jù)庫管理者和用戶可以輕松地安裝、配置和使用數(shù)據(jù)庫，VisualC++6.0的ODBC類就封裝了SQLServer支持的ODBCAPI，因此，在VisualC++6.0中通過調(diào)用相應(yīng)的ODBC類函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)與SQLServer的連接和交互。3.3系統(tǒng)的總體設(shè)計框架本課題重點(diǎn)進(jìn)行可轉(zhuǎn)位淺孔鉆智能CAD系統(tǒng)的開發(fā)與研究。系統(tǒng)設(shè)計了可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的刀片槽空間位置計算模塊、智能推理模塊、三維實(shí)體建模模塊、裝配圖模塊和二維工程圖模塊，建立可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的數(shù)據(jù)庫、知識庫和實(shí)例庫，本系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖3.1所示。裝配實(shí)例庫裝配實(shí)例庫知識庫數(shù)據(jù)庫零件實(shí)例庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)參數(shù)選擇推理實(shí)例推理設(shè)計專家系統(tǒng)CAD模塊設(shè)計三維實(shí)體工程圖裝配實(shí)體用戶界面(Pro/E環(huán)境)設(shè)計環(huán)境 Fig3.1FrameworkofIntelligentCADSystem圖3.1智能CAD系統(tǒng)總體框圖對于以上的框圖，我們可以細(xì)分出功能模塊，具體如圖3.2所示，現(xiàn)對系統(tǒng)的各功能模塊做一簡要的介紹：用戶界面：完成各項(xiàng)任務(wù)之間的調(diào)度和信息交流。其主要功能有：系統(tǒng)的登陸；初始設(shè)計信息的輸入和管理；人機(jī)交互與控制塊配合，使結(jié)構(gòu)面向用戶；工作任務(wù)與不同功能模塊的選擇。設(shè)計專家系統(tǒng)：根據(jù)用戶要求選擇刀具的基本參數(shù)，如直徑、材料、進(jìn)給量、切削速度等，這些數(shù)據(jù)將存入專家系統(tǒng)作為設(shè)計的已知條件，當(dāng)一個新設(shè)計完成后，又可以存入專家系統(tǒng)，作為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計值供以后的設(shè)計參考和使用，這樣專家系統(tǒng)就會得到不斷的擴(kuò)充和完善，從而使設(shè)計越來越輕松。淺孔鉆的CAD智能設(shè)計和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊淺孔鉆的CAD智能設(shè)計和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊CAD設(shè)計模塊專家系統(tǒng)模塊設(shè)計檢索和知識庫模塊零件庫、裝配庫管理模塊用戶管理模塊二維工程圖自動生成模塊零件參數(shù)化設(shè)計模塊產(chǎn)品自動裝配圖參數(shù)選擇推理模塊實(shí)例推理模塊刀片參數(shù)化設(shè)計刀體參數(shù)化設(shè)計Fig3.2ModulesofIntelligentCADSystem圖3.2智能CAD系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖CAD模塊設(shè)計：完成零件的三維實(shí)體造型和二維工程圖的生成：刀片的三維參數(shù)化設(shè)計，刀柄的三維參數(shù)化設(shè)計，刀片的二維工程圖自動輸出，刀柄的二維工程圖自動輸出，裝配圖的自動生成、裝配工程圖的自動生成。在這里，根據(jù)專家系統(tǒng)中提供的參數(shù)值或者用戶自己輸入的初始值，運(yùn)用CBR技術(shù)進(jìn)行刀片和刀柄的三維設(shè)計，然后再自動生成相應(yīng)的裝配圖和工程圖等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：淺孔鉆數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包括知識庫、實(shí)例庫和數(shù)據(jù)庫。知識庫中存放用于專家推理的各種已知參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)值等，實(shí)例庫中存放刀片實(shí)例、刀柄實(shí)例、裝配實(shí)例以及對應(yīng)的工程圖實(shí)例，數(shù)據(jù)庫中存放各種刀具材料的各種性能參數(shù)等。4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)4.1可轉(zhuǎn)位淺孔鉆智能CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立4.1.1數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術(shù)在VisualC++中通過調(diào)用相應(yīng)的ODBC類函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)與SQLServer2000的連接和交互。建立ODBC連接（以user_pswd為例）：CStringCUserRecordSet::GetDefaultConnect(){ return_T("ODBC;DSN=hollowdrill");}獲取數(shù)據(jù)庫中的表單：CStringCUserRecordSet::GetDefaultSQL(){ return_T("[dbo].[user_pswd]");}4.1.2知識庫的建立（1）鉆削參數(shù)表（dforce）該表包括工件材料牌號(dwmnumber)、刀片材料牌號(dtmnumber)、單位切削力(ducutting)、進(jìn)給量(donset)、修正系數(shù)(modikr)，切削速度(cutspeed)等字段，如圖4.1所示。Fig4.1DrillingParametersTable圖4.1鉆削參數(shù)表設(shè)計參數(shù)表（design_value）該表包括刀片材料(tmaterial)、直徑(diameter)、刀片邊長(insert_lenght)、切削速度(cutspeed)、轉(zhuǎn)速(rotate)、進(jìn)給量(force)、過心量(guoxin)，如圖4.2所示。Fig4.2DesignParametersTable圖4.2設(shè)計參數(shù)表4.1.3實(shí)例庫的建立（1）刀柄實(shí)例表（bodyfile）這里建立了刀柄實(shí)例庫表，包括刀柄ID（body_id）、文件名字(body_file)，工程圖文件（body_draw）等字段。存放了已知的和已設(shè)計的刀柄實(shí)例，供設(shè)計時候參考和修改。刀柄ID不允許空，如圖4.3所示。Fig4.3ToolBodyCaseTable圖4.3刀柄實(shí)例表（2）刀片實(shí)例表（insert_file）刀片實(shí)例表中存放有標(biāo)準(zhǔn)刀片和自定義設(shè)計的刀片，包括刀片ID(insert_id)、刀片牌號(tmaterial)、刀片邊長(tlength)、文件名字(filename),工程圖文件（insert_draw）。刀片ID不允許空，如圖4.4所示。Fig4.4InsertCaseTable圖4.4刀片實(shí)例表裝配實(shí)例表(asmtable)裝配實(shí)例表中存放了用戶設(shè)計的裝配實(shí)體圖及其對應(yīng)的工程圖。包括刀柄ID（asm_id），裝配文件名（asm_file），工程圖名(asm_draw)。刀柄ID不允許空，如圖4.5所示。Fig4.5AssemblyCaseTable圖4.5裝配實(shí)例表4.1.4數(shù)據(jù)庫的建立（1）用戶管理表（user）這個表包括用戶ID(id)、用戶名字(username)、用戶密碼(password)，如圖4.6所示，所有字段均不能空。Fig4.6UserManagementTable圖4.6用戶管理表（2）刀具材料表（tmaterial）該表包括刀片材料牌號(tmnumber)、刀片材料名稱(tmname)、密度(ttense)、硬度(thard)、抗彎強(qiáng)度(txbb)、抗壓強(qiáng)度(txs)、沖擊韌性(ttenacity)、彈性模量(te)、應(yīng)用范圍(trange)，如圖4.7所示：Fig4.7ToolMaterialTable圖4.7刀具材料表（3）工件材料表（wmaterial）該表包括工件材料牌號（wmnumber）、工件材料名稱(wmname)、密度(wxb)、彈性模量(we)、硬度(whard)、熱處理(wheat)等字段，如圖4.8所示。Fig4.8WorkpieceMaterialTable圖4.8工件材料表4.2專家系統(tǒng)的建立專家系統(tǒng)是在某一特定領(lǐng)域內(nèi)，具有大量專門知識與經(jīng)驗(yàn)的計算機(jī)程序。它是基于知識的智能系統(tǒng)并利用專家的豐富知識進(jìn)行推理和判斷來求解問題，使計算機(jī)的工作過程盡可能地來模擬專家解決實(shí)際問題的工作過程。專家的能力往往不只限于公開發(fā)表的知識，更重要的是專家的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知識。專家系統(tǒng)具有許多優(yōu)良特性，如：啟發(fā)性、透明性、靈活性、高效性、準(zhǔn)確性等。對于具體的淺孔鉆專家系統(tǒng)，首先對每一類零部件進(jìn)行特征描述，包括幾何特征和物理特征，如知識庫中存放的刀片的直徑、材料、切削速度、單位切削力、進(jìn)給量等，實(shí)例庫中存放的刀片和刀柄的實(shí)例模型等，在設(shè)計的過程中，提取這些數(shù)據(jù)參數(shù)，調(diào)用封裝的計算方法（本系統(tǒng)將淺孔鉆刀片槽空間位置的建模和優(yōu)化算法封裝在一個DLL動態(tài)鏈接庫里面），完成零件的設(shè)計，并將每次設(shè)計的參數(shù)和結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中，供下次設(shè)計參考和調(diào)用。專家系統(tǒng)的推理模型如圖4.9所示。推推理機(jī)制實(shí)例推理規(guī)則推理實(shí)例庫知識庫新設(shè)計解Fig4.9ReasoningModelofExpertSystem圖4.9專家系統(tǒng)的推理模型4.3動態(tài)鏈接庫每種版本的Windows都依賴于存儲在動態(tài)鏈接庫（DynamicLinkLibrary，DLL）中的函數(shù)和數(shù)據(jù)。實(shí)際上，當(dāng)查看Windows系統(tǒng)時，看到的幾乎所有內(nèi)容都由DLL以各種形式所表示的。DLL是建立在客戶程序服務(wù)器通訊的概念上的。函數(shù)和數(shù)據(jù)被存儲在一個DLL（服務(wù)器）上并由一個或多個客戶程序?qū)С龆褂?。這些客戶程序可以是應(yīng)用程序或者是其他DLL。DLL類似于普通的運(yùn)行時（run-time）庫或靜態(tài)庫。在靜態(tài)庫情況下，函數(shù)和數(shù)據(jù)被編譯進(jìn)一個二進(jìn)制文件（通常擴(kuò)展名為.LIB）。然后鏈接器從庫中復(fù)制這些函數(shù)和數(shù)據(jù)并把它們和應(yīng)用程序的其他模塊組合起來創(chuàng)建最終的可執(zhí)行文件（.EXE文件）。鏈接器也負(fù)責(zé)稱為“修正”的工作。修正時可執(zhí)行文件中來自其他模塊的調(diào)用被映射到庫中的函數(shù)的過程。當(dāng)應(yīng)用程序鏈接到一個靜態(tài)庫時，這個過程稱為“靜態(tài)鏈接”。因?yàn)閼?yīng)用程序所需的全部內(nèi)容都要從庫中復(fù)制到可執(zhí)行文件中，庫本身并不與可執(zhí)行文件一起發(fā)行。在動態(tài)庫的情況下，一個庫的函數(shù)和數(shù)據(jù)并不復(fù)制到可執(zhí)行文件中，而是創(chuàng)建了兩個文件：一個引入庫和一個DLL。引入庫包含被DLL導(dǎo)出的函數(shù)的名稱和位置，DLL包含實(shí)際的函數(shù)和數(shù)據(jù)。然后，要使用給定DLL的導(dǎo)出函數(shù)的應(yīng)用程序則鏈接到這個DLL。創(chuàng)建一個DLL的過程非常類似于創(chuàng)建可執(zhí)行文件的過程。庫的函數(shù)被編譯進(jìn)一個.OBJ文件（模塊），通過把不同的模塊鏈接在一起，鏈接器創(chuàng)建最終的二進(jìn)制輸出文件。然而，在DLL的情況下，要使用一個特殊的鏈接開關(guān)（/DLL）,以告訴鏈接器正在創(chuàng)建一個DLL，而不是EXE。這樣加載程序的時候就能把它作為一個DLL來識別[47]。加載DLL有兩種方法：隱式和顯式。DLL客戶程序或者通過鏈接DLL的引入庫，或者通過在客戶程序的“.def”文件中的IMPORT段列出DLL的導(dǎo)出函數(shù)來隱式地加載一個DLL。DLL的隱式加載是最常用的DLL加載方式，原因很簡單，隱式加載不需要客戶程序方做額外的工作。編寫應(yīng)用程序的人只需要簡單地包括所需的（一個或多個）頭文件，進(jìn)行所需的函數(shù)調(diào)用并鏈接DLL即可[47]。本論文中對刀片槽的優(yōu)化計算程序（用MATLAB的MCC編譯器編譯成的force3lib.dll）就是采用隱式調(diào)用的。顯示鏈接需要專門告訴客戶程序要加載哪個文件以及何時加載它，僅當(dāng)客戶程序加載DLL時該DLL才會被加載，而客戶程序在運(yùn)行時可以有機(jī)會選擇加載不同的庫，作者在調(diào)試本系統(tǒng)的過程中，Pro/E對本系統(tǒng)的調(diào)用，使用的就是顯示鏈接。4.4CBR技術(shù)基于實(shí)例推理技術(shù)（Case-basedReasoning,CBR）是人工智能領(lǐng)域近年來廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù)。CBR技術(shù)是一種相似推理方法，其核心是通過實(shí)例庫方式運(yùn)用過去已有的經(jīng)驗(yàn)來解決新問題。在產(chǎn)品設(shè)計中，設(shè)計經(jīng)驗(yàn)往往起著關(guān)鍵作用，設(shè)計者可利用以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，通過對已有設(shè)計實(shí)例進(jìn)行組合、修改而設(shè)計出新產(chǎn)品，因此CBR技術(shù)很適合用于解決設(shè)計問題。由于大量機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計是對已有產(chǎn)品進(jìn)行變型設(shè)計，因此現(xiàn)有產(chǎn)品模型就成了設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)，直接利用現(xiàn)有產(chǎn)品就等于利用了以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和知識。因此，將CBR技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品CAD系統(tǒng)具有廣闊發(fā)展前景，其設(shè)計原理如圖4.10所示：用戶設(shè)計要求用戶設(shè)計要求基于實(shí)例推理實(shí)例庫相似實(shí)例實(shí)例修改新實(shí)例實(shí)例評價Fig4.10CBRDesignPrinciple圖4.10CBR設(shè)計原理采用基于實(shí)例推理(CBR)的方法進(jìn)行淺孔鉆的設(shè)計，可充分利用已有的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，通過對淺孔鉆設(shè)計實(shí)例庫中最佳實(shí)例的修改和優(yōu)化，設(shè)計出新的淺孔鉆，從而大大縮短淺孔鉆的設(shè)計周期，顯著提高設(shè)計效率。在本課題中，基本的做法是用交互方式創(chuàng)建基于特征和參數(shù)的淺孔鉆刀柄和刀片的實(shí)例模型，開始設(shè)計時，會先把實(shí)例特征和設(shè)計要求進(jìn)行相似匹配，從實(shí)例庫中提取最相似實(shí)例，在對此實(shí)例進(jìn)行修改，從而得到新的符合用戶要求的實(shí)例。由于淺孔鉆具有結(jié)構(gòu)相似性的特點(diǎn)，即對于不同種類的淺孔鉆，其主要結(jié)構(gòu)都是相似的，區(qū)別主要體現(xiàn)在特征上，而不是參數(shù)上。比如，對于刀片的自定義設(shè)計來說，等邊不等角六邊形刀片與三角形刀片有很大的差別，而對于六邊形刀片來說，邊長的大小差別很小，可以通過參數(shù)化實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的刀片設(shè)計，對于刀柄的設(shè)計，同樣是圓柱柄的刀柄，其結(jié)構(gòu)都是相似的，只要設(shè)計一部分的參數(shù)，通過修改參數(shù)，就可以完成刀柄的設(shè)計。4.5基于Pro/TOOLKIT的二次開發(fā)技術(shù)4.5.1Pro/Toolkit簡介(1)Pro/Toolkit的安裝Pro/Toolkit工具包是隨Pro/Engineer安裝盤一起提供的，安裝時在“元件”列表框中選中“APIToolkits”復(fù)選框，并在“子元件”列表框中選中“Pro/Toolkit”復(fù)選框，它將會在Pro/E系統(tǒng)的默認(rèn)目錄下自動創(chuàng)建兩個下級目錄：protoolkit和prodevelop。Protoolkit目錄中共有四個子目錄：\i486_nt、\includes、\protk_appls和\protkdoc。頭文件位于protoolkit\includes目錄，庫文件位于protoolkit\i486_nt\obj目錄，這兩種類型的文件是用VC開發(fā)Pro/Engineer應(yīng)用程序必不可少的支持文件。(2)Pro/Toolkit開發(fā)環(huán)境與Pro/Engineer版本的關(guān)系在不同Pro/Engineer版本提供的Pro/Toolkit開發(fā)環(huán)境中，其函數(shù)庫以及頭文件的定義會有些變化，通常在編譯時使用的頭文件和在連接時使用的庫文件最好應(yīng)與Pro/Toolkit應(yīng)用程序運(yùn)行的Pro/Engineer環(huán)境的版本相一致。與AutoCAD的ObjectARX開發(fā)環(huán)境不同的是，使用低版本的Pro/Toolkit的頭文件和函數(shù)庫生成的Pro/Toolkit應(yīng)用程序可以在高版本的Pro/Engineer環(huán)境中運(yùn)行，反之則不行。本論文是在Pro/EngineerWildfire版本中開發(fā)的，所以它只能在Pro/EngineerWildfire或更高的版本中運(yùn)行。(3)Pro/Toolkit語法Pro/Toolkit采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法（Object-OrientedProgramming）。在Pro/Engineer和應(yīng)用程序之間主要是通過特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來傳遞信息，對應(yīng)用程序來說，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不是直接訪問的，而只能通過Pro/Toolkit提供的函數(shù)來訪問。在設(shè)計Pro/Toolkit程序時，要涉及到大量的由Pro/Toolkit函數(shù)庫提供的C函數(shù)，正確理解和使用這些函數(shù)是非常重要的。對象（Object）和動作（Action）是Pro/Toolkit中最基本的概念。Pro/Toolkit的對象實(shí)質(zhì)上是一種類型為結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)體中的成員描述了該對象的屬性。Pro/Toolkit定義的對象分成兩類：第一類對象本身是Pro/Engineer數(shù)據(jù)庫中的一個，如ProFeature和ProSurface；另一類對象是抽象或臨時對象，如調(diào)用有關(guān)選擇操作時用來保存選擇結(jié)果的數(shù)據(jù)對象。對特定的Pro/Toolkit對象執(zhí)行的某種操作稱為動作，動作的執(zhí)行是通過調(diào)用Pro/Toolkit函數(shù)庫提供的C函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。Pro/Toolkit函數(shù)庫提供的庫函數(shù)均有相應(yīng)的ANSI函數(shù)原型，并在相應(yīng)的頭文件中定義，在調(diào)用函數(shù)之前必須將頭文件包含在C或C++程序中。大多數(shù)Pro/Toolkit函數(shù)的返回值類型為ProError，用來表示調(diào)用函數(shù)執(zhí)行狀態(tài)，其中最常用的返回值是PRO_TK_NO_ERROR表示函數(shù)調(diào)用成功。在程序中通過檢查函數(shù)的返回值不僅便于在調(diào)試時找出錯誤，更重要的是可以避免在執(zhí)行時出現(xiàn)異常情況，提高了程序的可靠性。4.5.2Pro/Toolkit的開發(fā)模式使用Pro/Toolkit對Pro/e進(jìn)行二次開發(fā)主要有兩種模式：同步模式（SynchronousMode）和異步模式（AsynchronousMode）。同步模式分為動態(tài)鏈接庫(DynamicallyLinkedLibrary)模式（DLLMode）和多進(jìn)程模式（MultiprocessMode）或稱為派生模式（SpawnedMode）。異步模式分為簡單異步模式（SimpleAsnchronousMode）和全異步模式（FullAsynchronousMode），如下所示：在同步模式下，Pro/Toolkit應(yīng)用程序和Pro/E產(chǎn)生各自的進(jìn)程，每個進(jìn)程都能發(fā)送消息，請求執(zhí)行某個操作，每個進(jìn)程都在等待返回消息，以報告操作的完成，控制權(quán)在兩個進(jìn)程之間交換，總有一個進(jìn)程處于等待狀態(tài)。（1）多進(jìn)程模式包含比DLL模式更多的交換過程，當(dāng)Pro/Toolkit應(yīng)用程序頻繁調(diào)用庫函數(shù)時，情況更是這樣；在多進(jìn)程模式下，信息交換是由進(jìn)程間消息系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)模擬直接函數(shù)調(diào)用，在兩個進(jìn)程之間傳遞函數(shù)的識別信息及其參數(shù)，多進(jìn)程模式能夠用源代碼調(diào)試運(yùn)行Pro/Toolkit應(yīng)用程序，不必將整個Pro/e執(zhí)行程序加載到調(diào)試器中。（2）在DLL模式下，Pro/Toolkit應(yīng)用程序與Pro/E的信息交換是通過直接的函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，這需要用戶編譯C應(yīng)用程序，與Pro/Toolkit庫鏈接，生成一個庫文件（*.lib文件），之后需要再加載到Pro/E中，DLL模式性能較好，在為客戶安裝應(yīng)用程序時一般都要轉(zhuǎn)化為DLL模式。因此，在程序開發(fā)階段以采用多進(jìn)程模式，這有利于程序調(diào)試，當(dāng)程序開發(fā)完之后，以采用DLL模式，這可以提高程序運(yùn)行的速度。在異步模式下，Pro/Toolkit應(yīng)用程序和Pro/E進(jìn)程之間能夠并行，能夠同時進(jìn)行自己的操作，在應(yīng)用程序和Pro/E的通信方面，異步模式采用遠(yuǎn)程程序調(diào)用（RemoteProcedureCalls,RPC）方式。（1）在簡單異步模式下，Pro/Toolkit應(yīng)用程序包含自己的主函數(shù)，定義程序的控制流，并能在程序中調(diào)用函數(shù)ProEngineerStart()來啟動Pro/E進(jìn)程。這使得應(yīng)用程序可以開發(fā)自己風(fēng)格的界面，而且獨(dú)立于Pro/E界面。在簡單異步模式中Pro/E不能激活Pro/Toolkit中的函數(shù)，但是，當(dāng)Pro/E運(yùn)行時可以交互使用Pro/E。（2）全異步模式可以實(shí)現(xiàn)Pro/Toolkit和Pro/E之間信息的雙向交互，但是必須在Pro/Toolkit程序中建立事件處理函數(shù)，定義事件處理函數(shù)需要在調(diào)用ProEngineerStart()之前調(diào)用函數(shù)ProInterruptSet(),此外為了對Pro/E的消息作出回應(yīng)，需要調(diào)用函數(shù)ProEventProcess()。因此，Pro/Toolkit程序與Pro/E進(jìn)程之間只存在單向消息傳遞時，也就是當(dāng)只有Pro/Toolkit應(yīng)用程序往Pro/E發(fā)送消息時宜采用簡單異步模式；當(dāng)存在雙向通信時宜采用全異步通信模式。異步模式和同步模式的一個主要區(qū)別是Pro/Toolkit應(yīng)用程序的啟動：在異步模式下，應(yīng)用程序有自己的main()函數(shù)，能夠獨(dú)立于Pro/E而啟動，然后啟動或連接到Pro/E的進(jìn)程中；在同步模式下，Pro/E根據(jù)注冊文件中的信息啟動Pro/Toolkit應(yīng)用程序。另外，異步模式較之同步模式，具有代碼復(fù)雜、執(zhí)行速度慢的缺點(diǎn)，因此，除非特別需要，一般建議不要采用異步模式[24]。在本系統(tǒng)中，采用的是同步DLL模式，Pro/E根據(jù)注冊文件HollowDrill.dat來啟動HollowDrill.dll進(jìn)程。4.5.3用VC開發(fā)Pro/Toolkit應(yīng)用程序的主要步驟利用