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 研 究 報 告）

題 目 基于CAD模型的鞋楦數(shù)控加工方法研究
院(系)別 機電及自動化學院
專 業(yè) 機械工程及自動化

摘 要
制鞋業(yè)是我國國民經(jīng)濟中的一個重要產(chǎn)業(yè)，為了提高我國鞋楦制造水平，增強產(chǎn)品的市場競爭力，本文研究了利用計算機輔助制造（CAM）技術改造傳統(tǒng)鞋楦制造的方法。分析了現(xiàn)有鞋楦加工的原理，根據(jù)鞋楦加工實際的刀具模型，提取設計刀具的關鍵參數(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)字點云是有規(guī)律的，所以我們通過對離散后的點云排序，分層有序地重構出刀具的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算各個刀位點，生成刀具軌跡；最后在VC++軟件開發(fā)平臺上，設計并實現(xiàn)相應的模塊功能。

關鍵字：三維CAD模型；數(shù)字化離散；STL文件重構；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
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刀具的離散 7
2.4.2 刀具的三角形網(wǎng)格重構 11
第三章 鞋楦加工刀位點計算 15
3.1 鞋楦加工的工藝分析 15
3.1.1 對刀點 15
3.1.2 加工走刀路線規(guī)劃 16
3.2 現(xiàn)有鞋楦數(shù)控加工刀位點算法 16
3.3 基于鞋楦CAD模型的數(shù)控加工刀位點算法研究 17
3.4 刀位點計算方法 19
第四章 鞋楦數(shù)控加工的實現(xiàn) 27
4.1 鞋楦CAM系統(tǒng)開發(fā)的必要性 27
4.2 數(shù)控代碼生成的實現(xiàn) 27
第五章 總結 30
致 謝 31
參 考 文 獻 32

第一章 引言
1.1 我國的鞋楦制造現(xiàn)狀
制鞋業(yè)是我國重要的出口行業(yè)，在促進國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。中國制鞋業(yè)有著悠久的歷史，隨著改革開放的流潮，中國承接國際制鞋業(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，并且已基本占據(jù)了全球中低端的鞋產(chǎn)品市場，中國制鞋多集中在東南沿海地區(qū)，如今也開始面臨勞動力成本上升，電力供應緊張、原材料價格上漲以及環(huán)保要求趨嚴等問題，一部分鞋廠（主要是人數(shù)龐大的大廠或不規(guī)范的小廠）面臨著關閉和轉(zhuǎn)移的抉擇，也有部分鞋廠關門大吉或者搬遷到其它地方。目前，由于受到技術水平的限制，我國的鞋楦生產(chǎn)只局限于中、低端產(chǎn)品，國內(nèi)的CAM軟件系統(tǒng)還不夠成熟。加入WTO以后，面對日趨激烈的市場競爭，制鞋業(yè)將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。為了提高我國制鞋業(yè)在世界的競爭力，因此，有必要開發(fā)有自主產(chǎn)權的鞋楦CAM軟件系統(tǒng)，用計算機數(shù)字建模與控制技術改造傳統(tǒng)的加工方法，它將有助于提高我國的鞋楦生產(chǎn)水平，擺脫對國外產(chǎn)品的依賴，實現(xiàn)我國制鞋業(yè)技術大飛躍。
1.2 本課題相關技術的研究現(xiàn)狀
1.2.1 數(shù)控技術
數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制任務就是對機床各運動坐標軸的伺服控制，其作用是接受來自插補器的各坐標軸的指令位置，并實時讀取來自反饋環(huán)節(jié)的輸出，采用適當?shù)乃欧刂扑惴ㄓ嬎爿敵龅剿欧?qū)動部分的控制量，以驅(qū)動各坐標軸的伺服進給機構完成對插補結果的精確跟隨，從而實現(xiàn)刀具相對于工件沿指令路徑的運動。伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)定性，在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能，如：最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等。
插補的任務就是要根據(jù)進給速度的要求，完成在輪廓起點和終點之間的中間的坐標值計算。對于輪廓控制系統(tǒng)來說，插補計算式最重要的計算任務。插補運算速度直接影響系統(tǒng)的控制速度，插補計算精度又影響到整個CNC系統(tǒng)的精度。目前普遍采用的插補算法可以分為兩大類：脈沖增量插補和數(shù)據(jù)采樣插補[1]。一般，插補計算分為粗插補和精插補。數(shù)控機床都是按事先編制好的零件數(shù)控加工程序?qū)ぜM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、自動編程和CAD/CAM集成數(shù)控系統(tǒng)自動編程。對于點位加工和幾何形狀不太復雜的零件，可以用手工編程，但對于復雜形狀的零件，尤其是空間復雜曲面零件，以及程序量很大的零件，計算及編程工作量大，容易出錯，采用手工編程難以完成。APT法和CAM法采用計算機自動編程，提高了編程效率。對于鞋楦數(shù)控加工編程而言，由于鞋楦是一個復雜的_型閉合曲面體，難以采用手工編程法。要實現(xiàn)鞋楦數(shù)控加工自動編程，必須有鞋楦曲數(shù)控加工運動控制方法與仿真的研究面模型。鞋楦模型的復雜性，無法簡單地用一個數(shù)學函數(shù)表達式來表示，因此無法采用APT自動編程[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，只保證加工刀位點的準確，不能進行運動速度和加速度的控制。
1.3 鞋楦數(shù)控加工國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國外一些制鞋廠已經(jīng)把數(shù)控加工技術引入制鞋行業(yè)。以美國、意大利、法國、德國等為代表的世界制鞋發(fā)達國家在鞋CAD/CAM 方面做了許多的研究。他們都以微機工作站或小型機為系統(tǒng)主機，硬件投資大、設備先進，主要在鞋楦測量、幫樣擴縮、幫樣加工自動化控制和數(shù)控刻楦等方面發(fā)揮優(yōu)勢，如：美國GerberCamsca公司的 Microdynamics、英國的Crispin系統(tǒng)和Shoemaster系統(tǒng)、意大利的Prestige擴縮CAD/CAM系統(tǒng)及奧地利ProCAM公司的2D/3D系統(tǒng)以及臺灣的理星與臺中信息等。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計和制造的CAD/CAM計算機輔助系統(tǒng)，它還可以進行鞋面設計、紙版分片設計、技術繪圖、運動鞋大底設計，以及鞋面和大底的級放。級放功能的靈活性使簡單的級放可以有效率的達成，最復雜的群組級放及混合級放也非常容易來執(zhí)行，所有級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、大底設計，不過在鞋帶、鞋扣、鞋領口方面就無法做，不過其價位上比Crispin低很多。Shoemaster系統(tǒng)是克拉克公司聘請劍橋大學的設計師來寫的軟件，它的重心是在楦頭，在開發(fā)過程中可提早在計算機上預先看到楦頭的各角度形狀，并可在計算機上做楦形的修改[3]。
在國內(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、四川大學、浙江大學、華南理工大學等，這些研究局限于理論方面的居多，具有實用價值的比較少。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)控加工運動控制方法與仿真的研究用鞋楦的測量數(shù)據(jù)控制刻楦機的功能，不能實現(xiàn)鞋楦的級放功能，不能修改設計。上海大學與福州皮革工業(yè)研究所研制的PFS-1 微機輔助優(yōu)化設計系統(tǒng)，主要有幫樣設計、楦體展平等功能。四川大學光電系研制的LMA-100鞋楦三維面形自動測量系統(tǒng)，并在此基礎上開發(fā)完成了基于Windows平臺的幫樣輔助設計軟件。成都科技大學研制的“鞋樣CAD系統(tǒng)”用手工測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造鞋楦表面，然后進行展平、曲蹺處理。上海大學的數(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進行加工，該系統(tǒng)受加工的實時性限制 ……（未完，全文共18920字，當前僅顯示3403字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于CAD模型的鞋楦數(shù)控加工方法研究》）