毕业设计（论文）齿轮类零件参数化数控编程原型系统开发.doc

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1、 华东理工大学本科学生毕业设计齿轮类零件参数化数控编程原型系统开发学 生： 学 号：指导教师：专 业：机械设计制造及自动化华东理工大学机械工程学院二OO六年六月Ba.D. Project of UniversityDevelopment of Gear NC Programming Prototype system Based on ParametersBa.D. Candidate: Tang ZhiwuSupervisor: Doctor/Prelector Cao Hua Jun Major: Mechanical design and manufacture and automatio

2、n College of Mechanical Engineering UniversityJune 2006摘 要 齿轮是机械行业的重要基础条件，其加工制造水平很大程度上体现了一个国家的机械制造水平。齿轮加工数控技术的研究，有助于提高我国齿轮加工制造技术的水平，具有重要的现实意义和理论意义。参数化编程是未来数控程序发展的一个重要方向，它可以为编程人员，特别是提供通用灵活、高效快捷的编程工具，加快数控编程对设计、工艺及生产计划变更的响应速度，减少程序差错率，从而可以提高数控加工效率和设备利用率。目前关于是面向数控加工中心的参数化编程方法已有较多的研究，但针对齿轮类零件的参数化编程方法的研究很少

3、见到。本毕业设计从实际应用出发，注重把机床、工件参数分配和编程语言相结合，学习并提出一种面向齿轮零件加工的参数化数控编程方法，开发一套可以支持参数化数控编程的原型系统，并形成若干个齿轮零件的参数化编程案例，从而为齿轮加工车间现场的工人提供一种简易、可靠的数控程序编制方法，降低数控程序编制对工人素质的要求，并提高程序编制效率。关键词: 齿轮,数控,参数化,原程序开发，数控编程ABSTRACTGear is an important foundation for mechanical components industry，whose processing and manufacturing le

4、vel standards largely reflects a countrys level of mechanical manufacturing. The research of gear numerical control processing can promote the level of our gear processing manufacturing technology. They both have important practical significance and theoretical significance.The technology of paramet

5、ers of programming give programming staff a flexible, fast and efficient programming tool, it accelerates numerical control programming for design、crafts、the response speed of changes in production plans , optimize digital processing code, reduction procedure error, simplify ban cutting process, sho

6、rten the first pieces of debugging time, significantly improve the overall efficiency of digital processing and equipment utilization. Improve the efficiency and quality of programming of NC, improved NC processing environment is very useful.This topic stems from the practical application, focusing

7、on the integration of the parameters of the distribution system within the machine tool and programming language, to achievement the goal of programming parameters. By analyzing the gear type components, we can give Programming plans. C language is used to program the procedure. The procedure can im

8、prove the quality of program, Enhance the flexibility and interoperability procedures, making procedures have intelligent features. This type of program has high reliability、Good performance、strong functional notable features. Keywords: gear, numeral control, parameterization，original procedure deve

9、lopment，numerical control programming目 录中文摘要英文摘要.1绪论.31.1本课题的目的和意义.31.2国内外相关研究现状.31.3本课题研究内容安排.52数控及其编程技术.62.1数控技术原理及其发展.72.2数控编程技术及其发展.82.3齿轮类数控编程技术.102.3.1齿轮数控加工的现状.102.3.2齿轮加工数控系统的发展趋势.103齿轮类参数化编程技术.113.1 参数化编程的概念及技术现状.113.1.1参数化编程的概念113.1.2参数化编程的技术现状.123.2齿轮类零件参数化编程方法.153.3 典型齿轮零件参数化编程实例.164用C语言

10、实现参数化编程的开发184.1系统流程设计184.2原程序的编写.204.3系统运行与测试.224.4若干典型齿轮零件参数化编程运行实例235结束语.24致谢.25参考文献.261 绪论1. 1本课题的目的和意义本课题的目的是学习并提出一种面向齿轮零件加工的参数化数控编程方法，开发一套可以支持参数化数控编程的原型系统，并形成若干个齿轮零件的参数化编程案例。本课题提出的面向齿轮零件加工的参数化数控编程方法和系统可以为车间现场的工人提供一种简易、可靠的数控程序编制方法，降低数控程序编制对工人素质的要求，并提高程序编制效率，具有重要意义。1. 2国内外相关研究现状伴随着计算机技术、控制技术和系统工程

11、的发展，制造技术正逐步向集成制造、智能制造方向发展。数控技术是现代化加工设备的基础，发展先进制造技术，必须发展数控技术，而发展数控编程技术也是发展数控技术中一项重要的技术。为编程人员提供通用灵活、高效快捷的编程工具，加快数控编程对设计、工艺及生产计划变更的响应速度，优化数控加工代码，减少程序差错率，简化试切削过程，缩短首件调试时间，从整体上大幅度提高数控加工效率和设备利用率。以提高NC编程的效率与质量，改善NC加工环境是十分有益的。 1）数控编程技术发展及现状数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutter location point简称CL

12、点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。数控技术是20世纪40年代中后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化控制技术。数控加工以加工形状复杂、改型频繁、小批量生产的零件为主。其主要优点是：加工精度高，生产效率高，自动化程度高，使用数字信息，便于计算机控制。尤其是近年来随着CAD/CAM技术的发展及应用，数控加工技术的优越性更加明显。数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，尤其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在航空、机械、电子等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，

13、国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。为了解决数控加工中的程序编制问题，20世纪50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT。采用APT语言编制数控程序具有程序简练，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素。APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易做到高度的自动化和集成化。针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计

14、、分析NC加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了如EUCLID，UGII，INTERGRAPH ，Pro/Engineering，Master CAM 及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了20世纪80年代，在CAD/CAM 一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。虽然这些CAD/CAM软件都能很好地应用编程，但在反应能力方面不是很迅速，并且要求的条件也很高。目前，为了适应CIMS及CE, 发展的

15、需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展2）参数化数控编程的概念及现状在机械零件加工中经常遇到一些零件上有许多相同或相似的几何形状体，或者形状相似的零件。在数控编程中如果把这些几何形状体一一编写出来，不但程序很大，数据较多，而且出现错误也不易检查出来，为解决这一问题，总结出一种参数化数控编程方法。在编写加工程序时，把一组命令构成的某种特定功能，象子程序那样记录在存储器中，其功能可用一个命令来代表，并使用该命令调用它。其一组命令称为参数指令体，代表的命令称为参数指令。用户不必记忆参数指令体的一组命令，只要记忆代表参数指令体的参数指令即可。用参数程序的特点是参数程序中有变量，变量之间可进行运算

16、，用参数指令给变量设定实际值。把某个功能作为参数程序编程时，可将变化的值、未知值作为变量编程。这种变量式编程称之为参数化编程。参数化编程是未来数控程序发展的一个重要方向，目前关于是面向数控加工中心的参数化编程方法已有较多的研究，但针对齿轮类零件的参数化编程方法的研究很少见到。1.3本课题研究内容安排选好课题后,在开学1到2周内充分利用学校图书管、数字图书馆进行文献索。然后根据检索来的文献，按照任务书要求完成方案设计、开题报告、外文翻译。初期的任务在1到4周内全部做完。由于该课题需要运用到程序语言来进行编程，在中期需要学习一种程序语言并能够运用该语言编写出一些具有代表行的程序。同时学习和掌握齿轮

17、类零件的数控编程的基本方法，并提出一种齿轮类零件参数化数控编程的方法。然后运用C语言进行程序的编制，开发一个原型软件系统，对参数化数控编程方法进行验证。在最后2周内结合实际工作，完成本科学生毕业设计论文的撰写。2数控及其编程技术2.1数控技术原理及其发展 开放结构的发展数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模IC数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭

18、环系统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系统有两种基本结构：(1)CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行实时控制

19、，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。(2)PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制。开放结构在90年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第(2)方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，像PC机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用(1)方案，即在不变化原系统基本

20、结构的基础上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，大大提高了人机界面的功能比较典型的如FANUC的150/160/180/210系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统(fusion system)。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。CNC与通信网络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通信，进而把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。现场设备级，现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及I/0控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备

21、生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。传统的现场级大多是基于PLC的分布式系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一，即一个I/0点对设备的一个测控点。所谓I/0接线方式为传递420ma(模拟量信息)或24VDC(开关量信息)。这种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统

22、与控制系统。因此，现场总线是面向：厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代420ma模拟信号、应用现场总线技术，要求现场设备智能化(可编程或可参数化)：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采用的现场总线有Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbusS，Marco等。有的公司还有自己的总线，比如FANUC的FSSB，I/

23、O LINK(相当于JPCN1)，YASKAW的MOTIONLINK等。目前比较活跃的是Prof主bus-DP，为了允许更快的数据传送速度，它由0S工的七层结构省去3-7层构成。西门子最新推出802D的伺服控制就是由Profibus-DP控制的。 功能不断发展和扩大NC技术经过50年的发展，已经成为制造技术发展的基础。这里以FANUC最先进的CNC控制系统15i150i为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性，4通道、最多控制轴数为24轴、最多联动轴数为24轴、最多可控制4个主轴的CNC系统。2.2 数控编程技术及其发展在机械零件加工中经常遇到一些零件上有许多相同或相似的几何形状体，或者形状

24、相似的零件。在数控编程中如果把这些几何形状体一一编写出来，不但程序很大，数据较多，而且出现错误也不易检查出来，为解决这一问题，总结出一种参数化数控编程方法。在编写加工程序时，把一组命令构成的某种特定功能，象子程序那样记录在存储器中，其功能可用一个命令来代表，并使用该命令调用它。其一组命令称为参数指令体，代表的命令称为参数指令。用户不必记忆参数指令体的一组命令，只要记忆代表参数指令体的参数指令即可。用参数程序的特点是参数程序中有变量，变量之间可进行运算，用参数指令给变量设定实际值。把某个功能作为参数程序编程时，可将变化的值、未知值作为变量编程。这种变量式编程称之为参数化编程。参数化编程是未来数控

25、程序发展的一个重要方向，目前关于是面向数控加工中心的参数化编程方法已有较多的研究，但针对齿轮类零件的参数化编程方法的研究很少见到2.3齿轮类数控编程技术2.3.1齿轮数控加工的现状国际上齿轮机床的制造商有三大集团，占齿轮机床总份额的70%.他们是(1)Gleason/Pfauter/Hurth集团，约占世界齿轮机床份额的40%，其锥齿轮机床占世界份额的80%。(2)SIGMA E POOL销售集团，Klingelnberg，Lorenz，Liebherr， Oerlikon， Hofle等5大公司组成。该集团的主要传统市场在欧洲，约占世界齿轮机床份额的20% (3)KAPP/NILES集团，约

26、占世界齿轮机床份额的10%。其余均为独立的齿轮机床制造商，包括中国在内的这批制造商，约占世界齿轮机床份额的30%。与其它数控机床相比，齿轮加工数控技术复杂度大，因而起步较晚，到了80年代以后，在国外才开始出现商品化的全功能数控齿轮加工机床，齿轮加工机床开始小批量推向市场。但近年来，由于微电子技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，为齿轮加工数控系统的的发展提供了良好的条件和机遇。高水平的全数控CNC齿轮加工机床已成为国际市场上这类产品的主流。CNC技术的成功应用，是齿轮加工设备的一次重大技术革命，CNC齿轮加工机床有取代传统齿轮加工机床的发展倾向。2.3.2齿

27、轮加工数控系统的发展趋势目前国际上大的数控齿轮机床成产厂商大多配自行研制的专用数控系统，也有部分厂商在通用数控系统(如西门子、法那克等)基础上改造，加上一些齿轮加工所特有的功能，而成为专用齿轮数控系统。而国内数控齿轮机床生产厂商除少数型号外基本上都配置的是国外数控系统。全功能数控系统在国外己占用了主导地位。但大多数仍然是普通数控系统的变形，且属于各公司的封闭式系统，真正体现齿轮加工专业特点的开放式系统还很少。我们认为齿轮加工数控系统应向以下几个方面发展;1.向开放式数控系统发展。研制开放式的CNC系统已成为数控行业不可抵挡的趋势。虽然我国齿轮加工数控系统发展较晚，抓住这个方向，立足于开放式的P

28、C机这个高起点(平台)，就能够后来居上。具体地说，这种开放性表现在以下很多方面。1) 通用性把CNC建立在通用的PC机硬软件平台上，这样一方面为数控系统提供了极为丰富的硬件、软件资源，为数控系统的开发和研究节省了大量的人力、财力和物力，同时PC的开放性位CNC系统的开放性创造了环境，可以方便的扩展和升级。基于PC的CNC采用通用的操作系统，利用市场上的软件开发工具，使不同应用程序协调的运行于系统平台上，使系统的开发、使用和维护都比较方便。2) 可重组性基于PC的CNC模块化硬件平台，利用面向对象技术，能够根据具体控制机床的功能需要来增加或减少部件，实现面向功能的动态重构。模块化的软件系统能够根

29、据不同机床的需要进行系统配置和参数配置。同一个CNC系统，可以通过改变其控制轴数和选用不同的功能模块，可以柔性的控制滚齿机、磨齿机、插齿机、齿轮加工机床。齿轮加工单元等不同的对象或控制不同型号的同一类。3)系统生产商或机床生产商甚至用户，可以使用面向对象技术实现某些功能模块来满足特殊需要。他们只需按标准的接口定义来设计相应模块，而不必公开其相关的技术秘密。2. 向高速、高精度发展。采用先进、高效的精度保障技术1) 采用高速CPU和多CPU结构32位甚至64位高速CPU和RISC芯片的应用，大大提高了数据处理和数据传达速度。用多微处理器来提高机械加工的速度，是提高生产率的最直接的一个手段。通过C

30、NC中的两个CPU进行并行处理指令的解释和脉冲分配，缩短了采样周期和程序处理时间，大大的提高了运算处理速度。2) 采用智能伺服控制。由于计算机技术的迅速发展和插补算法的不断改进数控系统的数据处理和曲线拟合精度可以达到很高。采用前馈控制、非线性控制模糊控制、神经网络控制、学习控制等多种智能控制方式，改善伺服系统的跟踪响应特性，提高加工精度。3) 误差补偿。提高加工精度的途径可以分为两类，一是提高机床本身的精度，但是受到技术和经济条件的限制。二是通过误差补偿来减少加工误差。影响齿轮加工精度的因素很多，除了电气方面的以外，还有如机床结构特性与热特性、刀具磨损、机床主轴运动误差、各种静态载荷，以及工件

31、装夹和机床振动等因素。所有这些因素都可以通过建模(如神经网络建模)来加以补偿。3. 满足齿轮加工专业化、个性化的要求。用户界面图形化，且能适应齿轮加工的专业性。尽管齿轮加工机床具有复杂的运动关系，但是齿轮加工又具有其共性，这点与用于车、铣、加工中心等通用的数控系统又有着巨大的不同，齿轮加工数控系统要满足齿轮加工的特殊性，这种特殊性表现在两个方面:操作界面和编程功能。1) 操作界面友善。基于Windows的图形操作界面为齿轮加工时大量的参数输入提供了友善的界面，并能以齿轮加工工艺数据库为依托，提供在线帮助，或提供优化的工艺参数。2) 齿轮加工数控系统应有丰富的自动编程功能，能根据操作界面所提供的

32、数据自动生成数控代码，供数控系统驱动伺服系统工作。4. 网络化，数控系统的通讯联网功能不断加强。开放的CNC系统可以方便的进入各级通用网络，从而可以柔性的实现DNC, FMS, CIMS和FA(自动化工厂)。NC技术使FMS和CIMS成为可能:FMS和CIMS的发展反过来要求CNC系统应具有通讯和联网功能，以便实现CIM环境中的信息集成和系统管理。现代CNC系统一般都具有用于通讯的串行口和DNC接口。将来的CNC应能充分利用Internet/Intranet的功能，具有远程培训、远程诊断等功能。5. 智能化1) 智能化自适应控制。以齿轮机床的状态(包括温度、应力、应变等)作为反馈，实时调整机床

33、的切削用量，以保证机床的加工精度。2) 智能诊断技术的应用。一旦机床出现故障或报警，诊断系统就会提示机床故障名称，并能在技术人员的协助下快速找到故障原因。 3齿轮类参数化编程技术3.1参数化编程的概念及技术现状3.1.1参数化编程的概念在机械零件加工中经常遇到一些零件上有许多相同或相似的几何形状体，或者形状相似的零件。在数控编程中如果把这些几何形状体一一编写出来，不但程序很大，数据较多，而且出现错误也不易检查出来，为解决这一问题，总结出一种参数化数控编程方法。在编写加工程序时，把一组命令构成的某种特定功能，象子程序那样记录在存储器中，其功能可用一个命令来代表，并使用该命令调用它。其一组命令称为

34、参数指令体，代表的命令称为参数指令。用户不必记忆参数指令体的一组命令，只要记忆代表参数指令体的参数指令即可。用参数程序的特点是参数程序中有变量，变量之间可进行运算，用参数指令给变量设定实际值。把某个功能作为参数程序编程时，可将变化的值、未知值作为变量编程。这种变量式编程称之为参数化编程。 参数化程序的特征一般分为两类：一是与数控系统有关的特征；二是与计算机有关的特征。如果对计算机语言了解，就会感到对参数化程序非常熟悉，虽然参数化程序与计算机语言每个指令的格式不同，但是基本因果关系还是一样的。与计算机有关的特征与加工中心的类型无关，具有通用性，参数化程序的特征主要包括变量、算术运算、语句标号、非

35、条件分支语句（GOTO）、条件分支语句（IF）、逻辑及循环（WHILEEND）等。程序体中的参数变量用#i（I:1,2,3,4）或#表示。例如，#5，#109，#101 -1且每个变量都对应一个地址，变量分为局部变量、公用变量和系统变量。局部变量是一个在参数程序中局部使用的变量；公用变量对主程序调用各子程序及各参数程序是公用的；系统变量是在某些特定代号的变量中，放入特定的值。变量的数值（ 有时是算术运算中间结果）存储在变量地址中，如果不修改，该值将在此变量中保持不变。参数化程序中的变量可以表示坐标轴位置、圆弧半径、倒棱大小、主轴转速、进给量、刀具直径、工件加工尺寸等，变量也可以存储其他变量的地

36、址，在参数化程序中可以调用该地址中所存储的变量数值，参数化程序的变量还可以是逻辑变量。参数化程序也允许进行算术运算，除了加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）外，还可以进行复杂的函数运算，如括号（ ，注意是方括号而不是圆括号）、正弦（SIN）、余弦（COS）、正切（TAN）、反正切（COT）、开方（SQRT ）、绝对值（ABS）、四舍五入（ROUND）、去尾（FIX）、收尾（FUP）等。其运算指令格式为：#I=右边是常数、变量函数和算符的组合。参数程序体中的控制指令有两种：分支指令和重复指令。分支指令的格式为：IFGOTO n满足条件时，转到本程序中顺序号* 的程序段；不满足条件时继续执行。程

37、序序号6n可用变量式代替。重复指令的格式为：WHILE Do mEND m式中，m=1,2,3。满足条件式时，重复执行从Do m到END m之间的程序；不满足时，执行END m 后的程序段。参数指令体在主程序中执行简单调用时可用G65和程序号P来调用。其格式为：G65 P(p)L(1)式中，p为参数程序体号，1为重复调用次数，省略时为一次调用。对于类似的不同的参数程序体可以赋不同的参数即可。有时候可以把这些参数程序体作为数控系统的一个G指令，这样可以多扩充些数控系统的G指令。在主程序中调用时其格式为：G XXL (1)，G XX为指令代号，如G 151，其他同上。利用成组技术，将加工特征相似的

38、零件组成零件组，为同一零件组内的零件编写一个通用加工程序。加工时，只要给参数化通用程序中相应加工特征参数变量赋予具体的数值，即可完成同一零件组内不同零件的加工。这种通用加工子程序称之为基本特征几何模型子程序。建立基本特征几何模型子程序是实现参数化数控编程的关键技术。参数化设计(Parametric Design)，也称为尺寸驱动(Dimension-Driven)，是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。3.1.2参数化编程的技术现状参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题。机械设计是一个创造性的活动，是一个

39、反复修改、不断完善的过程。同时，对很多企业，设计工作往往是变型或系列化设计，新的设计经常用到己有的设计结果。据不完全统计，零件的结构要素90%以上是通用或标准化的，零件有70%一80%是相似的。在参数化设计技术出现以前，传统的CAD使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象几何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。这种设计系统不支持初步设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地自动处理对已有图形的修改，不能有效地支持变型化、系列化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计中存在大量重复劳动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。在这种情况下，参数化设计方法应运而生。参数化设计以约束造型为

40、核心、以尺寸驱动为特征。在参数化设计中采用参数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状，实现产品的精确造型，而不必在设计时专注于产品的具体尺寸:参数化设计方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型:对己有设计的修改，只需变动相应的参数，而无需运行产品设计的全过程。与传统的自由约束的设计方法相比，参数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场竞争力。参数化技术经过十多年来的发展，已经成为CAD技术的重要分支，也成为CAD技术研究和产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。现

41、代主流CAD软件，如PRO/E, SolidWorks, UG等都实现了参数化.由于参数化设计以约束造型为核心，所以在一个参数化CAD系统中，参数化设计的方法，是其最重要的一个方面。一个好的参数化的方法，至少应该满足以下几方面的要求闹：(1)能够检查出约束条件的不一致，即是否有过约束和欠约束的出现；(2) 算法可靠，即当给定一组约束和拓补描述后能够求出存在的一个解，而且当用户需要时，可以给定所有可行解；(3) 交互操作，即求解速度快，使得用户的每一步设计操作都能得到及时、适当的回应；(4) 在构造物体的过程中允许修改约束，而且修改的效果应该与先期的约束设定次序无关；(5) 应能容许广泛的约束类

42、型并且容易为某些特殊应用加入新的约束类型；(6) 应能通用于二维和三维；(7) 应能处理常规CAD数据库中的图样，必要时允许人工干预。多年来，关于参数化设计方法的研究，取得了很大的进展，也形成了几种比较成熟的方法，主要有基于几何约束的变量几何法、基于几何推理的人工智能方法、基于生成历程的过程构造法以及编程求解法等叫参数化编程。基于几何约束的变量几何法，是一种基于约束的数学方法。这种方法将几何形状定义为一系列的特征点，将约束关系转换成以特征点坐标为变量的非线性约束方程组，当约束发生变化时，通过Newton-Raphson法迭代求解方程组，求出一系列新的特征点，从而生成新的几何模型。该方法对所有的

43、约束都有统一的模型，因此可以适应很大范围的约束，但求解的效率低，处理过程的几何直观性差，迭代法求解的稳定性也比较差，迭代的初值和步长的选取对求解的结果有很大影响。模型越复杂、约束越多，约束方程组的规模就越大，越不易求解。基于几何推理的人工智能方法用基于规则的推理方法来确定用一组约束描述的几何模型。在推理过程中，利用专家系统将约束关系用一阶逻辑谓词描述并存入事实库，在给定约束的起始点的情况下，通过推理机的推理作用，从规则库中选取规则并应用于现有事实，推理的结论作为新的事实，推理史记录了所有成功的应用规则并提供给重构过程，构造出符合设计要求的几何体。该方法的主要优点是表达简洁直观，通过谓词可以表达

44、很复杂的约束，如相切等，这是其他方法所无法比拟的，而且可以避免变量几何法的不稳定性循环。但其系统庞大，计算量大，约束求解速度慢，无法处理循环约束，求解全局约束的能力也比较差。基于生成历程的过程构造法采用一种称为参数化履历(Parametric History)的机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作过程，记录下几何体素生成的前后顺序及其相互间的关系，捕捉设计者的意图。同时将记录的定量信息作为变量化参数，当给其赋予不同的值时就会得到不同的几何模型。该方法可以处理很复杂的模型，经常用于三维实体或曲面的参数化建模，但一般只适于结构相同而尺寸不同的零件设计，设计的柔性不足。编程求解方法通过分析模型的

45、特点，以尺寸为变量，并确定各尺寸变量之间的数学关系，输入参数以给定变量值，然后确定其它变量的值，完成约束求解，并用编程语言在CAD软件中实现(当前的多数CAD系统都提供了此项功能)。该方法主要用于表达过程性的约束，特别适合于表达工程约束。但只适用于拓补关系确定的图形，如果拓补关系变化了，必须重新编制相应的程序，所以灵活性不足，并且复杂零件的程序编制有很大的难度。这种方法通常用于对CAD的二次开发中。除此而外，不断有一些新的思想被提出，如何有钧等人提出的基于图形分解思想的复杂零件的参数化设计方法，刘敏等人提出的基于图形元素特征参数的参数化设计方法等等，这些方法基本上都是在上述主要方法基础上的扩展

46、。实际应用中，当今几乎所有的著名CAD软件，如PRO/E、UG、SolidWorks等都采用变量几何技术。这主要有两方面原因：一是变量几何技术可以求解所有的几何约束，不存在不能求解的约束模式，并且可以和工程约束一起联立求解，适应面极为广泛；另一方面，变量几何技术可以应用于诸如参数化绘图、参数化特征建模等机械CAD的诸多领域。3.2齿轮类零件参数化编程的方法参数化编程是实现数控编程自动化的有效手段。它能充分利用被加工零件及其加工工艺过程的一组或几组参数作为数据或指令进行程序编制，这些参数在编程系统内部具有规定的意义，在编程过程中起着信息载体的作用。参数编程与手工编程及APT范围内的自动编程相比，具有显著的优越性： (1)使得程序编制过程大大地简化，用参数定义几何特征和物理特征都比APT所提供的方法来得简便；(2)使得程序柔性大大地增加，修改一个或数个参数便可以获得一个新的加工程序；(3)处理系统可以在线对这些参数重新赋值，使得加工过程自动循环功能很方便地实现。机械零件的几何特征可以用若干个参数决定的情形(即具备参数化设计的特点)，都适合于实现参数化编程，齿轮便属于此种类型。齿轮种类繁多，轮齿工作部的曲面、曲线(均为几何特征)都相当复杂，用传统的几何信息描述法描述便相当困难。但是