數(shù)控車床進(jìn)給部件及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),數(shù)控車床,進(jìn)給,部件,網(wǎng)絡(luò),通信,通訊,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 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(shí)代背景 　　二次大戰(zhàn)中，幾十個(gè)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(fù)和振興經(jīng)濟(jì)。日本在60年代初提出科技立國方針：“一代引進(jìn)，二代國產(chǎn)化，三代改進(jìn)出口，四代占領(lǐng)國際市場”，其中在汽車、電子、光學(xué)設(shè)備和家電等行業(yè)上最突出。為要國產(chǎn)化的改進(jìn)，迫切需要對(duì)別國產(chǎn)品進(jìn)行消化、吸收、改進(jìn)和挖潛。這就是反求設(shè)計(jì)（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(jì)中不可缺少的手段或重要對(duì)策，反求工程的大量采用為日本的經(jīng)濟(jì)振興、進(jìn)而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產(chǎn)品奠定了良好基礎(chǔ)。 　　實(shí)際上，任何產(chǎn)品問世，包括創(chuàng)新、改進(jìn)和仿制的，都蘊(yùn)含著對(duì)已有科學(xué)、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(yuǎn)流長，而提出這種術(shù)語并作為一門學(xué)問去研究，則是60年代初出現(xiàn)的。 　　市場經(jīng)濟(jì)競爭機(jī)制已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，如何發(fā)展科技和經(jīng)濟(jì)，世界各國都在研究對(duì)策。從共性特征可概括為4個(gè)方面對(duì)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(duì)于發(fā)展一個(gè)國家的國民經(jīng)濟(jì)來說，創(chuàng)造性是永恒主題。（2）研究和應(yīng)用新的設(shè)計(jì)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(jì)出新型產(chǎn)品。(3）把計(jì)算機(jī)應(yīng)用廣泛地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的全過程（預(yù)測、決策、管理、設(shè)計(jì)制造、試驗(yàn)、銷售服務(wù)等）中，以期達(dá)到這些過程的一體化、智能化和自動(dòng)化。（4）研究和應(yīng)用反求工程，使能在高的起點(diǎn)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(qiáng)的術(shù)語，它是以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有新產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，這就是反求工程的含義，特別強(qiáng)調(diào)再創(chuàng)造是反求的靈魂。 2．1 正設(shè)計(jì)與反設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)程序，從功能的確認(rèn)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(gè)組件的設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)零部件組裝、檢驗(yàn)全機(jī)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(jì)。?? ??? 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(jì)圖文件，而是委托單位交付一件樣品或模型，由制作單位復(fù)制出來。傳統(tǒng)的復(fù)制方法是用立體雕刻機(jī)或靠模銑床制作出1：1等比例的模具，再進(jìn)行批量生產(chǎn)。這種模擬式(Analog type)的復(fù)制方式無法建立標(biāo)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(shí)物或主模型→工藝主模型(仿形靠模) →仿形加工→鉗工修配。 　　實(shí)物或主模型 工藝主模型（仿形靠模） 仿形加工 圖1　正設(shè)計(jì)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(biāo)測量儀、裝有CAD/CAM軟件的計(jì)算機(jī)、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(jì)的關(guān)鍵要解答“怎么做?”，即設(shè)計(jì)任務(wù)提出后，怎樣實(shí)現(xiàn)和達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，那么反求的關(guān)鍵要解答“為什么要這樣做?”，即已知目標(biāo)后，要探索和掌握這種目標(biāo)的設(shè)計(jì)者是如何一步一步實(shí)現(xiàn)的，反求別人腦袋里是怎樣想、怎樣做的，要摸清設(shè)計(jì)意圖、所用技術(shù)、關(guān)鍵和設(shè)計(jì)理論與方法。從這個(gè)意義上說，正設(shè)計(jì)是主動(dòng)的創(chuàng)造，而反求是先被動(dòng)后主動(dòng)的創(chuàng)造，別有一番難度。故反求并非正設(shè)計(jì)的簡單逆過程，因?yàn)橐粋€(gè)先進(jìn)成熟的產(chǎn)品，凝集著設(shè)計(jì)者的智慧和技術(shù)，要去吃透、消化，包含很多復(fù)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?yàn)椋海?）先進(jìn)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(huì)告訴你，要想“鉆進(jìn)別人腦袋里去挖出來”，要花艱苦勞動(dòng)。多年來我國測繪仿制的產(chǎn)品，大多數(shù)達(dá)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(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)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(shí)物或模型首先通過掃描以及各種先進(jìn)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(zhǔn)確地建立產(chǎn)品的數(shù)學(xué)集合模型，經(jīng)過適當(dāng)?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(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品(樣件)——再設(shè)計(jì)——產(chǎn)品(批量)的制造過程。這種實(shí)物測量反求技術(shù)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品改型，模具設(shè)計(jì)等生產(chǎn)活動(dòng)中；特別是對(duì)于具有復(fù)雜曲面外形的產(chǎn)品，如汽車、摩托車的復(fù)雜外形，也是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)進(jìn)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(duì)于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)物模型等)經(jīng)過一定的手段轉(zhuǎn)化為概念和工程設(shè)計(jì)模型，如利用三維坐標(biāo)測量機(jī)的測量數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)學(xué)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(jìn)行數(shù)控加工而獲取成品的過程。反求工程的設(shè)計(jì)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(fù)制 圖3反求工程設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jī) 有三維坐標(biāo)測量機(jī)、多軸專用機(jī)、多軸關(guān)節(jié)機(jī)械臂及激光追蹤站等 (3)點(diǎn)群數(shù)據(jù)處理軟件 進(jìn)行噪聲濾除、細(xì)線化、曲線建構(gòu)、曲面建構(gòu)、曲面修改、內(nèi)插值補(bǔ)點(diǎn)等。 (4)cad/cam軟件 一般pc級(jí)或工作站級(jí)cad/cam。 (5)cnc工具機(jī) 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(xiàng)目，需要對(duì)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(duì)模型上的凹槽、開口或其他特征須做精確的辨識(shí)，以完成模型的建構(gòu)。如何將各點(diǎn)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(yàn)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(zhǔn)確及快速地將工件數(shù)據(jù)取得： (2)要確實(shí)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(gè)階段： (1)零件原型的數(shù)字化，通常采用三維坐標(biāo)測量機(jī)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(biāo)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(duì)其進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法來獲取零件原型所具有的設(shè)計(jì)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(gè)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(yàn)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(yàn)重建cad模型是否滿足精度或其它試驗(yàn)性能指標(biāo)的要求，對(duì)不滿足要求的重復(fù)以上過程，直至達(dá)到零件的設(shè)計(jì)要求。 (5)在建立模具全數(shù)字化三維模型的基礎(chǔ)上，實(shí)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(jìn)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)手段，在計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)。 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(tái)nt工作站，3臺(tái)數(shù)控加工中心，1臺(tái)三坐標(biāo)測量機(jī)組成模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工環(huán)境局域網(wǎng)。利用nt工作站對(duì)模具進(jìn)行三維實(shí)體(曲面)造型、模具裝配模擬檢查、實(shí)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(tái)cam工作站用于對(duì)加工中心和數(shù)控機(jī)床的控制，以計(jì)算機(jī)直接數(shù)控(dnc)的方式控制機(jī)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(qiáng)大的造型功能，準(zhǔn)確完整地表達(dá)和描述模具的復(fù)雜曲面和實(shí)體模型，然后進(jìn)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(shí)際試切，降低成本，節(jié)約加工工時(shí)。 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(jìn)行復(fù)雜模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)要求，利用pm/e軟件的三維造型(實(shí)體和曲面)設(shè)計(jì)建立完整、準(zhǔn)確的模具三維實(shí)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(jìn)行數(shù)控加工的實(shí)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(shí)際試切過程。 (5)根據(jù)具體加工機(jī)床進(jìn)行刀位文件的后處理，生成該機(jī)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(jī)床(加工中心)的在線加工。 4 實(shí)例 由于汽車覆蓋件大都是空間結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜，從而決定了在沖壓成形中的變形復(fù)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(jì)中不能向軸對(duì)稱零件那樣可以較容易地計(jì)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(jì)中的一系列的問題。下面以汽車覆蓋件的模具設(shè)計(jì)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(biāo)值，把采集的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)中 根據(jù)模 型制造的需要，對(duì)測得模型進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的光順，壓縮不必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)一以減少后期計(jì)算量 。將處理后的3d點(diǎn)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(shí)別的.-hl數(shù)據(jù)式。 pro/e軟件的scan tool模塊有線的控制點(diǎn)移動(dòng)(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(diǎn)，并對(duì)特征曲線進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)了模具的快速制造。同時(shí)為進(jìn)一步實(shí)施分散化網(wǎng)絡(luò)制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 摘要：本論文介紹了數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)及其DNC通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，了解了數(shù)控車床典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和進(jìn)給部件的特點(diǎn)。本論文著重對(duì)數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了方案的論證、結(jié)構(gòu)的比較和分析，并設(shè)計(jì)完成了EX-106數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)及其零部件，且對(duì)主要的進(jìn)給軸和零部件進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核、使用壽命的計(jì)算和零部件精度的分析。論文對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的DNC通信系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件的方案比較、分析，并完成了數(shù)控系統(tǒng)的DNC通信系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。論文還介紹了基于反求工程的CAD/CAM/DNC集成技術(shù)，詳細(xì)敘述了反求工程含義和流程，敘述了CAD/CAM/DNC反求工程相對(duì)于傳統(tǒng)反求工程優(yōu)勢，完成了反求工程實(shí)例圖解。 關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) DNC通信系統(tǒng) EX-106 進(jìn)給部件 反求工程 Abstract: This thesis introduced a number to control system technique and its DNC correspondence technical of applied present condition and development trend, understand number control the structure design of lather typical model and enter to the characteristics of parts. This thesis emphasizes the comparison of[with] argument, structure that the logarithms controlled lather to enter to carry on a project to the system and analyzes, and designed to complete EX-106 number control lather to enter zero parties to the system and it, and to entered mainly to carry on strength to the stalk and zero parties with just pit, the calculation of the service life and the analysis of the zero parts accuracy in the school of degree. The thesis logarithms controls the project comparison that the DNC correspondence system of system carried on hardware and software, analytical, and completed a number to control the correspondence hardware of the system and the design of the software of the DNC of system, and to experiment of carried on analysis as a result. The thesis still introduced according to anti- to the integration technique of the CAD/CAM/DNC of engineering, described in detail anti- to engineering meaning and process, described CAD/CAM/DNC anti-to engineering opposite in tradition anti- to engineering advantage, complete anti- to engineering a solid example an illustrated manual table. Key Words: Numerical control system. Correspondence system of DNC. EX-106. Enter to the parts. Anti-to engineering 目 錄 摘要 …………………………………………………………… 引言 ……………………………………………………………… 1數(shù)控技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用……………………………………… 1．1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ………………………………………… 1．2 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)………………………………………………… 1．3 數(shù)控技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)總的應(yīng)用…………………………………… 2 數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng) …………………………………………… 2．1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)的特點(diǎn) ……………………………… 2．2 電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng) ………………………………………… 2．3 數(shù)控車床的X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及傳動(dòng)裝置 ………………… 2．4 數(shù)控車床的Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及傳動(dòng)裝置 ………………… 3 EX-106數(shù)控車床進(jìn)給部件設(shè)計(jì)……………………………… 3．1 進(jìn)給軸的方案…………………………………………… 3．2 進(jìn)給軸尺寸設(shè)計(jì) ……………………………………… 3．3 聯(lián)軸器和軸承的選取 ………………………………… 3．4 進(jìn)給軸及其零部件的校核 ………………………… 4 數(shù)控機(jī)床的DNC網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng) ……………………………… 4．1數(shù)控機(jī)床的DNC網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)方案…………………… 4．2 DNC通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分析 ……………………… 4．3 DNC通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析 ……………………… 5 基于反求工程的CAD/CAM/DNC集成技術(shù) …………………… 5．1 反求工程簡介 …………………………………………… 5．2 反求工程的系統(tǒng)組成…………………………………… 5．3 基于CAD/CAM/DNC的反求工程…………………………… 5．4 反求工程實(shí)例 …………………………………………… 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 致謝 ………………………………………………………………………