毕业论文：基于CAD模型的鞋楦数控加工方法研究

毕 业 论 文
（科 学 研 究 报 告）

题 目 基于CAD模型的鞋楦数控加工方法研究
院(系)别 机电及自动化学院
专 业 机械工程及自动化

摘 要
制鞋业是我国国民经济中的一个重要产业，为了提高我国鞋楦制造水平，增强产品的市场竞争力，本文研究了利用计算机辅助制造（CAM）技术改造传统鞋楦制造的方法。分析了现有鞋楦加工的原理，根据鞋楦加工实际的刀具模型，提取设计刀具的关键参数(刀盘半径R，刀具半径r，刀具离散层数m，每层离散点数n)，数字化离散刀具表面数据，由于离散出的数字点云是有规律的，所以我们通过对离散后的点云排序，分层有序地重构出刀具的CAD模型（STL数据文件）；基于刀具和鞋楦的CAD模型，采用三维离散化三角面片求最小距离的方法计算各个刀位点，生成刀具轨迹；最后在VC++软件开发平台上，设计并实现相应的模块功能。

关键字：三维CAD模型；数字化离散；STL文件重构；最小距离法。


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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刀具的离散 7
2.4.2 刀具的三角形网格重构 11
第三章 鞋楦加工刀位点计算 15
3.1 鞋楦加工的工艺分析 15
3.1.1 对刀点 15
3.1.2 加工走刀路线规划 16
3.2 现有鞋楦数控加工刀位点算法 16
3.3 基于鞋楦CAD模型的数控加工刀位点算法研究 17
3.4 刀位点计算方法 19
第四章 鞋楦数控加工的实现 27
4.1 鞋楦CAM系统开发的必要性 27
4.2 数控代码生成的实现 27
第五章 总结 30
致 谢 31
参 考 文 献 32

第一章 引言
1.1 我国的鞋楦制造现状
制鞋业是我国重要的出口行业，在促进国民经济发展中发挥着重要的作用。中国制鞋业有着悠久的历史，随着改革开放的流潮，中国承接国际制鞋业的转移，一跃成为全球最大鞋业生产中心和销售中心，形成了十分完善的产业链和产业发展平台，并且已基本占据了全球中低端的鞋产品市场，中国制鞋多集中在东南沿海地区，如今也开始面临劳动力成本上升，电力供应紧张、原材料价格上涨以及环保要求趋严等问题，一部分鞋厂（主要是人数庞大的大厂或不规范的小厂）面临着关闭和转移的抉择，也有部分鞋厂关门大吉或者搬迁到其它地方。目前，由于受到技术水平的限制，我国的鞋楦生产只局限于中、低端产品，国内的CAM软件系统还不够成熟。加入WTO以后，面对日趋激烈的市场竞争，制鞋业将面临严峻的挑战。为了提高我国制鞋业在世界的竞争力，因此，有必要开发有自主产权的鞋楦CAM软件系统，用计算机数字建模与控制技术改造传统的加工方法，它将有助于提高我国的鞋楦生产水平，摆脱对国外产品的依赖，实现我国制鞋业技术大飞跃。
1.2 本课题相关技术的研究现状
1.2.1 数控技术
数控系统最核心的控制任务就是对机床各运动坐标轴的伺服控制，其作用是接受来自插补器的各坐标轴的指令位置，并实时读取来自反馈环节的输出，采用适当的伺服控制算法计算输出到伺服驱动部分的控制量，以驱动各坐标轴的伺服进给机构完成对插补结果的精确跟随，从而实现刀具相对于工件沿指令路径的运动。伺服控制系统的动态性能及稳定性，在很大程度上决定了数控机床的性能，如：最高移动速度、跟踪精度、定位精度等。
插补的任务就是要根据进给速度的要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间的坐标值计算。对于轮廓控制系统来说，插补计算式最重要的计算任务。插补运算速度直接影响系统的控制速度，插补计算精度又影响到整个CNC系统的精度。目前普遍采用的插补算法可以分为两大类：脉冲增量插补和数据采样插补[1]。一般，插补计算分为粗插补和精插补。数控机床都是按事先编制好的零件数控加工程序对工件进行加工的。
1.2.2 数控加工现状
目前常用的零件数控编程方法有：手工编程、自动编程和CAD/CAM集成数控系统自动编程。对于点位加工和几何形状不太复杂的零件，可以用手工编程，但对于复杂形状的零件，尤其是空间复杂曲面零件，以及程序量很大的零件，计算及编程工作量大，容易出错，采用手工编程难以完成。APT法和CAM法采用计算机自动编程，提高了编程效率。对于鞋楦数控加工编程而言，由于鞋楦是一个复杂的_型闭合曲面体，难以采用手工编程法。要实现鞋楦数控加工自动编程，必须有鞋楦曲数控加工运动控制方法与仿真的研究面模型。鞋楦模型的复杂性，无法简单地用一个数学函数表达式来表示，因此无法采用APT自动编程[2]。目前常用的CAM软件有以下几种：Pro/E、MasterCam、SolidWork、UG等，这些软件都可以自动生成数控加工程序，但前提是必须建立鞋楦曲面模型，另外这些软件生成的数控加工程序，只保证加工刀位点的准确，不能进行运动速度和加速度的控制。
1.3 鞋楦数控加工国内外研究现状
目前国外一些制鞋厂已经把数控加工技术引入制鞋行业。以美国、意大利、法国、德国等为代表的世界制鞋发达国家在鞋CAD/CAM 方面做了许多的研究。他们都以微机工作站或小型机为系统主机，硬件投资大、设备先进，主要在鞋楦测量、帮样扩缩、帮样加工自动化控制和数控刻楦等方面发挥优势，如：美国GerberCamsca公司的 Microdynamics、英国的Crispin系统和Shoemaster系统、意大利的Prestige扩缩CAD/CAM系统及奥地利ProCAM公司的2D/3D系统以及台湾的理星与台中信息等。Crispin是优仕恩公司目前在市面上使用最多的一套CAD/CAM系统，它是属于工作站，其中以放版为中心，它是一套用于鞋楦、底部及后跟的模具设计和制造的CAD/CAM计算机辅助系统，它还可以进行鞋面设计、纸版分片设计、技术绘图、运动鞋大底设计，以及鞋面和大底的级放。级放功能的灵活性使简单的级放可以有效率的达成，最复杂的群组级放及混合级放也非常容易来执行，所有级放可以在完成以后再重覆检查。Microdynamics在一般PC上就可以用，在3D的部分可以做一般鞋面、鞋楦、大底设计，不过在鞋带、鞋扣、鞋领口方面就无法做，不过其价位上比Crispin低很多。Shoemaster系统是克拉克公司聘请剑桥大学的设计师来写的软件，它的重心是在楦头，在开发过程中可提早在计算机上预先看到楦头的各角度形状，并可在计算机上做楦形的修改[3]。
在国内，有不少高校和科研单位也在研究把CAD/CAM引入制鞋业，如：重庆大学、四川大学、浙江大学、华南理工大学等，这些研究局限于理论方面的居多，具有实用价值的比较少。轻工部制鞋研究所研制的“皮鞋CAD/CAM系统”仅解决鞋楦曲面数控加工运动控制方法与仿真的研究用鞋楦的测量数据控制刻楦机的功能，不能实现鞋楦的级放功能，不能修改设计。上海大学与福州皮革工业研究所研制的PFS-1 微机辅助优化设计系统，主要有帮样设计、楦体展平等功能。四川大学光电系研制的LMA-100鞋楦三维面形自动测量系统，并在此基础上开发完成了基于Windows平台的帮样辅助设计软件。成都科技大学研制的“鞋样CAD系统”用手工测量的方法获得鞋楦特征部位的三维数据，用双三次B样条曲面拟合逼近算法构造鞋楦表面，然后进行展平、曲跷处理。上海大学的数控鞋楦仿型加工系统，在形式上继承了传统的仿形加工方式，即边扫描鞋楦表面的同时进行加工，该系统受加工的实时性限制 ……（未完，全文共18920字，当前仅显示3403字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：基于CAD模型的鞋楦数控加工方法研究》）