雕塑曲面体混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术摘要：转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件，也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工。
关键词：数控编程
引言
水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造，转轮的优劣，对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造—— —砂轮铲磨——立体样板检测 —的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其 关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五 轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴 控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。 大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体 转轮叶片的多轴数控加工成为可能，这将大大推动我
国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业 向着先进制造技术发展奠定基础。
" 大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞电子商务资料库"-5*1%)5:/1$)"3发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图-所示。
图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模 混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、
大 ， 可 编 写 一 个.*/0程序读入这些三维坐标点，然后采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图1所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型，并缝合成实体。
!"# 叶片加工工艺规划
加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而 成，为了解决加工过程中的碰撞问题，我们采用沿流线 走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各
处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方 式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。在机 床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下，尽量采用大直 径曲面面铣刀，以提高加工效率。叶片正背面我们选用 刀具直径!-56曲面面铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣， 叶片头部曲面采用!76的曲面面铣刀加工，出水边采用!76螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。根据后续仿真情况 反复做刀位编辑，以寻求合理的加工方案。在满足加工
要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能&n bsp;的提高加工效率。!"$叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成 针对大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量 组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可 根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴 矢量。从加工效率、
表面质量和切削工 艺性能来看，选择
沿叶片造型的参数
线作为铣削加工的
方向分多次粗铣和
一次精铣，然后划
分加工区域，定义
与机床有关的参数，
根据以上所选叶片
的加工部位、装夹 图,
混流式叶片的刀轨生成
定 位 方 式 、 机 床 、 刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面
分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于 不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的 余量，精加工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给 定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、 刀轴方向、进退刀方式等参数，生成的刀位轨迹如图, 所示。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀 的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑， 并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和
编辑刀轨。!"#叶片五轴联动数控加工仿真
数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径
与材料切除过程来检验并优化加工程序。在计算机上
仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹，辅助进行加工刀
具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或
试加工过程，可大大地降低制造成本，并缩短研制周
期，避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工
过程的安全。加工零件的"!代码在投入实际的加工之
前通常需要进行试切，水轮机叶片是非常复杂的雕塑
曲面体，开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五
轴联动数控加工的关键。在此，我们首先进电子商务资料库324&%';&6:6)(#2行工艺系
统分析，明确机床!"!系统型号、机床结构形式和尺
寸、机床运动原理和机床坐标系统。用三维!,-软件建
立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换
成仿真软件可用的格式，然后建立刀具库，在仿真软
件中新建用户文件，设置所用!"!系统，并建立机床运
动模型，即部件树，添加各部件的几何模型，并准确
定位，最后设置机床参数。 接下来将叶片模型变换到
加工位置计算出刀具轨迹，再以此轨迹进行叶片切削
过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就
可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀
杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具
间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量，减少了
试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率，
缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率。如
在数控加工行业进行推广，可产生巨大的经济和社会
效益。叶片的切削仿真如图.所示，叶片的机床加工仿
真如图/所示。
图. 混流式叶片的切削仿真图/
混流式叶片的机床加工仿真
!"$叶片刀位轨迹的后置处理
后置处理是数控编程的一个重要内容，它将我们前
面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。后处理
最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。我们应首
先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床
配备的数控系统，熟悉该系统的"!编程包括功能代码
的组成、含义。然后应用通用后置处理器导向模板，根
据以上掌握的知识，开发定制专用后置处理器。然后将
我们已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的
"!代码。
% 结束语
复杂曲面的多轴联动数控编程是一涉及到众多领域
知识的复杂流程，是数字化仿真及优化的过程。本文介
绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术，已用于工程
实际大型叶片的数控编程中，实现了大型转轮叶片的五
轴联动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真，保证了后
续数控加工的质量和效率，已作为大型水轮机叶片五轴
联动数控加工的编程工具用于实际生产中。
考虑到catia强大的功能，我想了几个供你选择：
1.基于有限元强度分析的catia三维实体装配设计（可以用到实体建模，装配product,对零件进行强度分析等方面，结合材料学，有限元建模和相关的力学实验。）
2.基于CATIA曲面造型设计的流体力学分析（用到曲面建模，控制点，画图本身难度较大，可以将画出的曲面进行流体力学分析，比如设计汽车的外形后进行的气动力分析，对比实际，改进设计的过程）
3.CATIA零件设计在机械加工中的应用(主要涉及到CATIA中设计的零件转移到工程图的过程中要进行的一些信息处理，比如公差，表格，加入一些符号比如焊接的等等，另一方面，设计的零件在加工中遇到的难度不尽相同，有的零件设计简单但是加工困难，所以可以就设计和加工之间的关系进行阐述)
4.基于VB，VC，脚本编程的CAtia技术开发（主要涉及到CATIA平台背后的程序开发，如何使CATIA本身运行更加舒适的问题，结合到编程的相关知识）
如果以上四项你都想涵盖，那么可以定这个题目“CATIA工程总体设计”，这个要是写出来，就无敌了，很强大。
以上仅供参考，很高兴为你解答：）
五坐标数控加工技术是复杂形状零件的主要加工方法，同时也是
各个国家努力发展的先进制造技术之一，本文通过跟踪国内外的研究热点和最新研究成果，对复杂曲面的五坐标数控加工关键技术进行研究。
本文以整体叶轮为研究
对象，对复杂曲面的几何造型、五轴数控加工工艺策略，五轴数控加工仿真技术和五轴机床后置处理技术进行了研究。本文主要完成了以下的工作：
（1）阐述复杂
曲面的NURBS（非均匀有理B样条）几何造型理论和方法，在该理论的基础上，深入的分析了整体叶轮的曲面造型方法，并在Pro/E环境下实现了整体叶轮
的几何造型。
（2）根据曲面的全曲率和平均全曲率对复杂曲面进行了曲面划分，深入的研究了五轴数控加工工艺策略，在此基础上分析了整体叶轮的主要加工工艺
流程，并用PowerMill软件实现了整体叶轮的加工路径规划，另外，基于环形刀研究了五轴加工无干涉刀具路径生成方法。
（3）阐述数控加工仿真的目的
和意义，分析PowerMill和VERICUT数控加工仿真的基本流程，并在PowerMill和VERICUT环境下，实现了整体叶轮五轴加工仿真的
全过程。
（4）针对一种典型的五轴数控加工机床进行空间运动学研究，为各种形式的五轴机床空间运动学分析提供一种通用的方法；阐述五轴机床后置处理和反向
后置处理的过程，并对DMU50V机床后置处理和反向后置处理的算法进行了研究。
数控系统发展趋势 从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。 趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展 20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。 趋势之二：数控系统向软数控方向发展 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 传统数控系统，如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、SINUMERIK 810M/T/G系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。 “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 “NC嵌入PC”结构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZATROL 640 CNC等。 SOFT型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT等。 趋势之三：数控系统控制性能向智能化方向发展 智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。 世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。 趋势之四：数控系统向网络化方向发展 数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。 随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。 数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 趋势之五：数控系统向高可靠性方向发展 随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P(t)＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。 当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。 趋势之六：数控系统向复合化方向发展 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。 普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本，比如Siemens的810M系统和802D系统就有车床版本和铣床版本之分。复合化的要求促使数控系统功能的整合。目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统。 趋势之七：数控系统向多轴联动化方向发展 由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。 最近，国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。 电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。
第一章绪论
第一章绪论
1.1选题依据
模具在产品制造过程中占据重要地位。模具设计水平的高低，在很大程度上
决定了生产率的高低。有效的模具设计可以降低资源调整次数和调整时间，为生
产计划与调度提供更大的优化空间，以达到提高生产效率的目的[1]。模具设计是工
装系统的重要组成部分，它影响着产品生产的效率和质量。对模具设计进行深入
的研究有着重要意义。
模具行业是工业的基础行业，工业的各个领域都广泛地使用模具[2l。在电子、
汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%一8%0的零部件都要依
靠模具成形。用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高
生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，
用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生
产技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，
并且己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志[3]。模具作为工业生产的基
础工艺装备，在国民经济中占有重要的地位。近10年来，模具CAD技术发展很快，
应用范围日益扩大。模具CAD技术给模具的设计和制造提供了一个高效、经济而
且快速的方法，大幅度地提高了模具的质量，缩短了模具的设计和制造周期，降
低了模具成本[’]。
目前国内外己经有许多模具CAD系统，这些系统虽然具有较强的分析计算能力
与图形处理能力，可以提供交互式设计5]l。但是在这些系统中，模具设计过程主要采
用人机交互方式进行，大多数的设计是依靠操作者的设计经验，计算机只是进行一
些规则匹配以及计算工作，而对于前人成功设计的模具不能有效的利用，造成模具
设计周期很长，成本较高，开发效率很低。
基于实例推理技术(Case一basdeReasoning，CBR)的模具设计可以使设计者利
用以往的设计经验，通过组合、修改以往的设计方案来构造新的设计方案;同时在
现实生产中，己积累有许多模具零件的类型以及装配关系完全相同的模具族，可
以成为新设计的基础6]I。cRB技术抛弃了以往对抽象的知识规则的构建和演算操作，
直接借助己有实例来解决问题，通过对旧实例的证实和修正来达到对新模具的设
计[7]。在基于实例推理系统中，以前的经验是以实例的形式按照某种组织结构保存
于实例库中8]t，当要解决一个新问题时，通过相关属性采用适当的算法检索实例库，
找出与新问题最相似的一个或几个实例，再修改实例来达到对新问题的解决[9l。
在模具设计中应用CRB方法，利用计算机模具人脑在设计中的思维活动，完
成了以往由设计师完成的任务，不仅充分利用了模具专家的设计经验，适合工程
中的实际情况，也符合人类的思维习惯。同时，用这种方法得到的模具基于以前
已经设计成功的实例，因此减少了新模具不能正常工作的可能性，并且缩短了开
发周期。
1.2模具CAD发展现状和趋势
1.2.1模具CA。系统国内外发展概况
模具CAD系统是随着以D技术以及现代设计理论与方法的发展而不断发展的，
从最初的以二维图形技术为基础的系统发展到了目前以三维图形技术及特征构型
为主要特点的阶段110，川。
国外于20世纪60年代末开始模具以D研究，70年代初已投入生产中使用。
如美国Diecomp公司于1973年研制成功计算机辅助设计级进模的PDDc系统[’21。
该系统中已经包括产品图形与材料特性的输入:在输入的基础上，再进行模具结
构类型选择，凹模排样、凸模和其他嵌件设计;最后绘制模具总装图和零件图以
及NC编程。
1978年，日本机械工程实验室研制成冲裁级进模CAD系统，该系统由产品图
输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等10个
模块组成。
进入20世纪80年代随着计算机技术的发展，使用模具CAD技术的厂家大大
增加。在弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具CAD系统中，应用了塑性成形模拟技
术。代表是日本日立公司于1982年研制成弯曲级进模以D/以M系统，采用人工与
计算机设计相结合的批处理方式。
20世纪90年代出现了许多商品化CAD/CAM系统如Pro/E，SolidWorks等。
由于我国计算机技术发展较晚，20世纪80年代才开始模具CAD研究。华中科技大
学、机电研究院、上海交通大学等单位相继展开冲裁模系统的研究。20世纪90年
代中期，华中科技大学的基于特征的设计的级进模CAD系统是这个时期的代表产
口
口口。
1.2.2模具CAO的发展趋势
近年来，全球制造业正向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地
[3]l。制造业模式的变化，必将产生对新技术的需求，也必将推动CAD技术的发展;
网络技术应用的普及将在更大程度上改变我们的生活，改变制造业的模式。随着
我国加入WTO，要求我们的产品要有创新性，并且具有更高的质量、更低的成本，
并在更快的时间内提供给用户[4l1。作为产品制造的重要工艺装备，国民经济的基
础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。模具工业除需要“高技艺”的从业
人员外，还需要更多的“高技术”来保证。
(1)协同创新设计将成为模具设计的主要方向
制造业垂直整合的模式使得世界范围内产品销售、产品设计、产品生产和模
具制造分工更明确。为了缩短产品上市周期，使模具设计充分理解产品设计的意
图，在产品的设计阶段，模具设计也同时开始，产品设计工程师和模具设计工程
师需尽早进入协同设计状态。另外，模具制造商需要的模具标准件一般都由模具
标准件厂提供，最好在模具设计阶段就参照各类标准，充分利用模具标准件厂提
供的数据进行设计。由于在制造流程中各个环节所采用的CAD系统不一定相同，
这就要求以D系统要具备协同的能力，能够随时交换上下游的数据，能够处理彼
此的数据，数据产生及处理标准化。
目前，模具制造商己经较广泛地采用数控加工技术。为了保证加工质量、提
高加工效率、改进制造流程，相当一部分的模具制造商开始使用多坐标数控加工、
高速铣削加工以及基于快速原型的模具制造等方法。因为制造设备的丰富，制造
信息的增加，今后的制造信息将不仅仅是数控编程加工的代码，更重要的是，从
设计开始就考虑制造过程，即提供模具制造的工艺流程，其中不仅包含工艺表格、
加工参数，还包括模具加工的夹具设计、加工的装夹过程及各工序的代码。各工
序过程均进行仿真，并利用网络实现共享。
(2)模具CAD技术的ASP模式将成为发展方向
今天的模具行业己经成为高技术密集的行业。任何一个企业，要掌握全部先
进的技术，成本都将非常高昂，要培养并且留住掌握这些技术的人才也会非常困
难。于是，模具CAD的APS模式就应运而生了，即由拥有各种专门技术的应用服
务单位为模具企业提供技术服务。这样整个社会就形成了一个大的模具制造企业，
按照价值链和制造流程分工，将制造资源最优发挥。应用服务包括如、快速原型
制造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等。
近20年来，由于不断采用新技术，制造模具已经远不是人们印象中的“手工
作坊”了。
2.3模具CAO系统的特点和优越性
(1)模具设计的特点
与传统的单个零件的设计不同，模具是多个零件的装配体，模具设计是一个
极为复杂的过程，包括产品建模、工艺性分析、制定模具方案、选择模架、模具
总装图设计、工作部件设计、辅助装置设计和零件详细设计等部分，要求最终能
够生成总装图、部装图及模具零件图.模具造型的特殊性有以下几点:
a.大多数模具是进行复杂零件加工的，模具造型较复杂。
b，一般模具加工零件的工序比较少，大部分是一次成型，所以模具的外形必
须要有加工零件的所有细节描述。
C.模具设计的反复机率高，所以模具CAD几何模型应能反复更新并能及时修
复。
(2)模具cAD的造型特点[4]
模具CAD造型技术是精确造型技术，可分为实体造型和曲面造型:
a.实体造型技术对于结构简单的模具来说己经能够满足设计要求，但对于结构
复杂、细节描述精度要求高的零件来说就显得不够，如在拔模面、面圆角过渡、
型腔设计上受到了一定的限制。
b.曲面造型技术是由不同的曲面构造特征，产生光顺的曲面模型。主要包括多
曲面的等变圆角过渡处理技术、曲面自动修剪技术、曲面编辑、曲面分析技术和
光顺处理等核心技术，它能辅助实体造型技术完成模具设计中所有细节描述的设
计。曲面造型技术适合于外形复杂和细节描述精度要求高的产品的模具设计。
(3)模具CAD的优越性[’“}
模具CAD的优越性赋予了它无限的生命力，使其得以迅速发展和广泛应用。
无论是在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，以D
技术的优越性是传统的模具设计方法所不能比拟的。
a.ACD可提高模具设计质量。在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的
技术知识，为模具的设计和工艺的制定提供了科学的依据。计算机与设计人员交
互作用，有利于发挥人一机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化。
b.CAD可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短
了设计时间。质量提高，可靠性增强，装修时间明显减少，模具的交货时间大大
缩短。
c.CAD可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运行和自动绘图大大节省了劳
动力。优化设计带来了原材料的节省。
d.CAD技术将技术人员从繁冗的计算绘图中解放出来，从事其他创造性的劳
动。
1.3论文的研究内容
系统地提出基于实例推理的模具设计的理论与方法，对CRB技术在模具设计
上的应用进行了深入的研究。在理论研究的基础上，开发了基于实例推理的模具
设计系统，有力地证实了应用CRB技术可以提高模具设计效率。本文研究内容主
要包括:
第一章绪论:概述了论文的研究意义，介绍了课题的来源与选题背景，简要
的描述了CRB技术在模具设计中的应用，研究了模具CAD的国内外概况和发展趋
势。
第二章模具CAD系统总体设计:主要包括对模具CAD的流程分析，系统需求
分析，以及体系结构的定制和功能模块的划分。
第三章基于实例推理的关键技术:描述了基于实例推理技术，详细介绍了实
例的表示，实例的检索策略以及实例的存储等一些关键技术。
第四章基于实例的模具设计:介绍了模具实例的表示内容以及方法，并对模
具实例的存储于检索提出了方案。
第五章原型系统开发:介绍了UG开发平台和开发工具，对系统业务流程进
行了描述。
第六章结论与展望。对本文的研究内容进行总结和展望
