畢業(yè)論文：基于CAD模型的鞋楦數(shù)控加工方法研究

畢 業(yè) 論 文
（科 學(xué) 研 究 報(bào) 告）

題 目 基于CAD模型的鞋楦數(shù)控加工方法研究
院(系)別 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化

摘 要
制鞋業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)，為了提高我國(guó)鞋楦制造水平，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，本文研究了利用計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)改造傳統(tǒng)鞋楦制造的方法。分析了現(xiàn)有鞋楦加工的原理，根據(jù)鞋楦加工實(shí)際的刀具模型，提取設(shè)計(jì)刀具的關(guān)鍵參數(shù)(刀盤半徑R，刀具半徑r，刀具離散層數(shù)m，每層離散點(diǎn)數(shù)n)，數(shù)字化離散刀具表面數(shù)據(jù)，由于離散出的數(shù)字點(diǎn)云是有規(guī)律的，所以我們通過對(duì)離散后的點(diǎn)云排序，分層有序地重構(gòu)出刀具的CAD模型（STL數(shù)據(jù)文件）；基于刀具和鞋楦的CAD模型，采用三維離散化三角面片求最小距離的方法計(jì)算各個(gè)刀位點(diǎn)，生成刀具軌跡；最后在VC++軟件開發(fā)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模塊功能。

關(guān)鍵字：三維CAD模型；數(shù)字化離散；STL文件重構(gòu)；最小距離法。


Abstract
The footwear industry is an important industry in our national economy,in order to improve our manufacturing level of shoe-last, and enhance the competitiveness of products in the market,this paper studied the use of computer-aided manufacturing (CAM) to transform the traditional shoe last manufacturing. By analyzing the process
……（新文秘網(wǎng)http://www.jey722.cn省略1212字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
刀具的離散 7
2.4.2 刀具的三角形網(wǎng)格重構(gòu) 11
第三章 鞋楦加工刀位點(diǎn)計(jì)算 15
3.1 鞋楦加工的工藝分析 15
3.1.1 對(duì)刀點(diǎn) 15
3.1.2 加工走刀路線規(guī)劃 16
3.2 現(xiàn)有鞋楦數(shù)控加工刀位點(diǎn)算法 16
3.3 基于鞋楦CAD模型的數(shù)控加工刀位點(diǎn)算法研究 17
3.4 刀位點(diǎn)計(jì)算方法 19
第四章 鞋楦數(shù)控加工的實(shí)現(xiàn) 27
4.1 鞋楦CAM系統(tǒng)開發(fā)的必要性 27
4.2 數(shù)控代碼生成的實(shí)現(xiàn) 27
第五章 總結(jié) 30
致 謝 31
參 考 文 獻(xiàn) 32

第一章 引言
1.1 我國(guó)的鞋楦制造現(xiàn)狀
制鞋業(yè)是我國(guó)重要的出口行業(yè)，在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。中國(guó)制鞋業(yè)有著悠久的歷史，隨著改革開放的流潮，中國(guó)承接國(guó)際制鞋業(yè)的轉(zhuǎn)移，一躍成為全球最大鞋業(yè)生產(chǎn)中心和銷售中心，形成了十分完善的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)發(fā)展平臺(tái)，并且已基本占據(jù)了全球中低端的鞋產(chǎn)品市場(chǎng)，中國(guó)制鞋多集中在東南沿海地區(qū)，如今也開始面臨勞動(dòng)力成本上升，電力供應(yīng)緊張、原材料價(jià)格上漲以及環(huán)保要求趨嚴(yán)等問題，一部分鞋廠（主要是人數(shù)龐大的大廠或不規(guī)范的小廠）面臨著關(guān)閉和轉(zhuǎn)移的抉擇，也有部分鞋廠關(guān)門大吉或者搬遷到其它地方。目前，由于受到技術(shù)水平的限制，我國(guó)的鞋楦生產(chǎn)只局限于中、低端產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的CAM軟件系統(tǒng)還不夠成熟。加入WTO以后，面對(duì)日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，制鞋業(yè)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了提高我國(guó)制鞋業(yè)在世界的競(jìng)爭(zhēng)力，因此，有必要開發(fā)有自主產(chǎn)權(quán)的鞋楦CAM軟件系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)數(shù)字建模與控制技術(shù)改造傳統(tǒng)的加工方法，它將有助于提高我國(guó)的鞋楦生產(chǎn)水平，擺脫對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴，實(shí)現(xiàn)我國(guó)制鞋業(yè)技術(shù)大飛躍。
1.2 本課題相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀
1.2.1 數(shù)控技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制任務(wù)就是對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的伺服控制，其作用是接受來自插補(bǔ)器的各坐標(biāo)軸的指令位置，并實(shí)時(shí)讀取來自反饋環(huán)節(jié)的輸出，采用適當(dāng)?shù)乃欧刂扑惴ㄓ?jì)算輸出到伺服驅(qū)動(dòng)部分的控制量，以驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)完成對(duì)插補(bǔ)結(jié)果的精確跟隨，從而實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)于工件沿指令路徑的運(yùn)動(dòng)。伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性，在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能，如：最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等。
插補(bǔ)的任務(wù)就是要根據(jù)進(jìn)給速度的要求，完成在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的中間的坐標(biāo)值計(jì)算。對(duì)于輪廓控制系統(tǒng)來說，插補(bǔ)計(jì)算式最重要的計(jì)算任務(wù)。插補(bǔ)運(yùn)算速度直接影響系統(tǒng)的控制速度，插補(bǔ)計(jì)算精度又影響到整個(gè)CNC系統(tǒng)的精度。目前普遍采用的插補(bǔ)算法可以分為兩大類：脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)[1]。一般，插補(bǔ)計(jì)算分為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)。數(shù)控機(jī)床都是按事先編制好的零件數(shù)控加工程序?qū)ぜM(jìn)行加工的。
1.2.2 數(shù)控加工現(xiàn)狀
目前常用的零件數(shù)控編程方法有：手工編程、自動(dòng)編程和CAD/CAM集成數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)編程。對(duì)于點(diǎn)位加工和幾何形狀不太復(fù)雜的零件，可以用手工編程，但對(duì)于復(fù)雜形狀的零件，尤其是空間復(fù)雜曲面零件，以及程序量很大的零件，計(jì)算及編程工作量大，容易出錯(cuò)，采用手工編程難以完成。APT法和CAM法采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程，提高了編程效率。對(duì)于鞋楦數(shù)控加工編程而言，由于鞋楦是一個(gè)復(fù)雜的_型閉合曲面體，難以采用手工編程法。要實(shí)現(xiàn)鞋楦數(shù)控加工自動(dòng)編程，必須有鞋楦曲數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)控制方法與仿真的研究面模型。鞋楦模型的復(fù)雜性，無法簡(jiǎn)單地用一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式來表示，因此無法采用APT自動(dòng)編程[2]。目前常用的CAM軟件有以下幾種：Pro/E、MasterCam、SolidWork、UG等，這些軟件都可以自動(dòng)生成數(shù)控加工程序，但前提是必須建立鞋楦曲面模型，另外這些軟件生成的數(shù)控加工程序，只保證加工刀位點(diǎn)的準(zhǔn)確，不能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度和加速度的控制。
1.3 鞋楦數(shù)控加工國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國(guó)外一些制鞋廠已經(jīng)把數(shù)控加工技術(shù)引入制鞋行業(yè)。以美國(guó)、意大利、法國(guó)、德國(guó)等為代表的世界制鞋發(fā)達(dá)國(guó)家在鞋CAD/CAM 方面做了許多的研究。他們都以微機(jī)工作站或小型機(jī)為系統(tǒng)主機(jī)，硬件投資大、設(shè)備先進(jìn)，主要在鞋楦測(cè)量、幫樣擴(kuò)縮、幫樣加工自動(dòng)化控制和數(shù)控刻楦等方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，如：美國(guó)GerberCamsca公司的 Microdynamics、英國(guó)的Crispin系統(tǒng)和Shoemaster系統(tǒng)、意大利的Prestige擴(kuò)縮CAD/CAM系統(tǒng)及奧地利ProCAM公司的2D/3D系統(tǒng)以及臺(tái)灣的理星與臺(tái)中信息等。Crispin是優(yōu)仕恩公司目前在市面上使用最多的一套CAD/CAM系統(tǒng)，它是屬于工作站，其中以放版為中心，它是一套用于鞋楦、底部及后跟的模具設(shè)計(jì)和制造的CAD/CAM計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，它還可以進(jìn)行鞋面設(shè)計(jì)、紙版分片設(shè)計(jì)、技術(shù)繪圖、運(yùn)動(dòng)鞋大底設(shè)計(jì)，以及鞋面和大底的級(jí)放。級(jí)放功能的靈活性使簡(jiǎn)單的級(jí)放可以有效率的達(dá)成，最復(fù)雜的群組級(jí)放及混合級(jí)放也非常容易來執(zhí)行，所有級(jí)放可以在完成以后再重覆檢查。Microdynamics在一般PC上就可以用，在3D的部分可以做一般鞋面、鞋楦、大底設(shè)計(jì)，不過在鞋帶、鞋扣、鞋領(lǐng)口方面就無法做，不過其價(jià)位上比Crispin低很多。Shoemaster系統(tǒng)是克拉克公司聘請(qǐng)劍橋大學(xué)的設(shè)計(jì)師來寫的軟件，它的重心是在楦頭，在開發(fā)過程中可提早在計(jì)算機(jī)上預(yù)先看到楦頭的各角度形狀，并可在計(jì)算機(jī)上做楦形的修改[3]。
在國(guó)內(nèi)，有不少高校和科研單位也在研究把CAD/CAM引入制鞋業(yè)，如：重慶大學(xué)、四川大學(xué)、浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)等，這些研究局限于理論方面的居多，具有實(shí)用價(jià)值的比較少。輕工部制鞋研究所研制的“皮鞋CAD/CAM系統(tǒng)”僅解決鞋楦曲面數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)控制方法與仿真的研究用鞋楦的測(cè)量數(shù)據(jù)控制刻楦機(jī)的功能，不能實(shí)現(xiàn)鞋楦的級(jí)放功能，不能修改設(shè)計(jì)。上海大學(xué)與福州皮革工業(yè)研究所研制的PFS-1 微機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要有幫樣設(shè)計(jì)、楦體展平等功能。四川大學(xué)光電系研制的LMA-100鞋楦三維面形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)完成了基于Windows平臺(tái)的幫樣輔助設(shè)計(jì)軟件。成都科技大學(xué)研制的“鞋樣CAD系統(tǒng)”用手工測(cè)量的方法獲得鞋楦特征部位的三維數(shù)據(jù)，用雙三次B樣條曲面擬合逼近算法構(gòu)造鞋楦表面，然后進(jìn)行展平、曲蹺處理。上海大學(xué)的數(shù)控鞋楦仿型加工系統(tǒng)，在形式上繼承了傳統(tǒng)的仿形加工方式，即邊掃描鞋楦表面的同時(shí)進(jìn)行加工，該系統(tǒng)受加工的實(shí)時(shí)性限制 ……（未完，全文共18920字，當(dāng)前僅顯示3403字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于CAD模型的鞋楦數(shù)控加工方法研究》）