基于C#.NET的樹脂磨具CAD/CAM集成系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

吳立輝，呂曉磊，武照云，劉楠嶓

(1.河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南鄭州450007;2.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450007))

自從我國實施制造業(yè)信息化發(fā)展戰(zhàn)略以來，傳統(tǒng)機械制造行業(yè)涌現(xiàn)了一大批計算機輔助設(shè)計和制造軟件，這些CAD、CAPP、CAE、CAM 等現(xiàn)代化軟件在很大程度上改變了制造業(yè)信息技術(shù)手段落后的局面，為傳統(tǒng)制造企業(yè)的發(fā)展注入了新的活力［1－2］。但是在磨削工具制造行業(yè)，由于磨具產(chǎn)品制造方式的獨特性和制造工序的復(fù)雜性，真正適合磨具生產(chǎn)制造的CAD、CAPP、CAM 軟件的開發(fā)和應(yīng)用仍然處于落后停滯的狀態(tài)［3－4］。因此對于磨具CAD/CAM 集成系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用顯得極為重要。

以樹脂磨具為對象，研究適用于磨削工具制造工藝的CAD/CAM 技術(shù)，以C#為開發(fā)工具，開發(fā)面向中小企業(yè)的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統(tǒng)，實現(xiàn)樹脂磨具的計算機輔助設(shè)計與制造。

1 樹脂磨具制造工藝過程

樹脂磨具是利用樹脂將磨料粘結(jié)在一起的具有不同形狀的磨削工具，用于磨削、研磨和拋光等加工工序。它具有結(jié)合強度高、可塑性與延展性好、耐熱性較低和硬化溫度低等特點，且樹脂磨具生產(chǎn)周期短、設(shè)備簡單、投資少、見效快，有利于專業(yè)生產(chǎn)，廣泛用于汽車、軸承、鐵道車輛、船舶制造等機械加工領(lǐng)域［5］。

樹脂磨具的制造工藝過程可以分為5 個階段:磨具配方設(shè)計;磨料、結(jié)合劑及填料混合;成型料壓制成型;成型后的加熱硬化;最后的修整與加工［6］。典型的樹脂磨具工藝流程如圖1所示。其中，磨具配方設(shè)計、成型與硬化是關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，對磨具的最終質(zhì)量具有決定性的影響。開發(fā)樹脂磨具CAD/CAM 集成系統(tǒng)對提高以上工藝環(huán)節(jié)的設(shè)計和制造質(zhì)量具有重要作用。樹脂磨具CAD 是指計算機輔助配方設(shè)計，CAM 則包括其余各環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的計算機輔助制定與決策。

圖1 典型樹脂磨具制造工藝流程示意圖

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

此系統(tǒng)的主要功能是在樹脂磨具的設(shè)計制造過程中采用CAD/CAM 技術(shù)將過程中需要計算、設(shè)計、設(shè)備調(diào)配的過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的人機互動，從而減輕工人的復(fù)雜腦力勞動，進而提高磨具企業(yè)的生產(chǎn)效率。

根據(jù)樹脂磨具的工藝過程，基于C#.NET 平臺，設(shè)計了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)共分為3 層:界面層、功能層和數(shù)據(jù)層，其中界面層主要與用戶進行交互，實現(xiàn)各工序設(shè)計參數(shù)的輸入和配方與工藝數(shù)據(jù)的輸出;功能層包括五大功能模塊，分別是配方模塊、混料模塊、磨具成型模塊、磨具硬化模塊和機械加工模塊，實現(xiàn)從配方設(shè)計到修整與加工工藝過程的業(yè)務(wù)過程處理;數(shù)據(jù)層包括配方參數(shù)數(shù)據(jù)庫、制造工藝數(shù)據(jù)庫和工藝模板文件庫，為功能層的CAD 和CAM 模塊提供配方與工藝數(shù)據(jù)的處理、查詢、修改與存儲等功能。

圖2 樹脂磨具制CAD/CAM 集成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

3.1 配方模塊設(shè)計

配方模塊主要確定所設(shè)計樹脂磨具中的磨料、結(jié)合劑、填料以及輔助材料之間的關(guān)系［7］。目前確定以上參數(shù)比例關(guān)系大多采用經(jīng)驗法，但該方法存在實驗次數(shù)多、隨機性大、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。針對以上不足，采用回歸分析法［8］解決樹脂磨具的配方設(shè)計問題。該方法的實施步驟為:

式中:A 為配方數(shù)據(jù)量，如結(jié)合劑用量、填充劑用量、成型密度等;bi為函數(shù)系數(shù);x 為名義硬度值;i為x 的系數(shù)，通常取i=3。

(2)確定試驗點數(shù)據(jù)?；诨貧w分析的思想，對于i =3，需要做4 組(A，x)的試驗數(shù)據(jù)，以此保證構(gòu)成的方程組具有唯一解。

(3)將試驗所得的實測硬度值換算成名義硬度值。

(4)基于式(1)，聯(lián)立求解四元線性方程組，得出回歸方程系數(shù)。

(5)按照磨具硬度的設(shè)計要求，利用所得的回歸方程計算各配方項的數(shù)據(jù)量。

3.2 混料模塊設(shè)計

混料是使?jié)櫇駝?、結(jié)合劑和填料均勻地粘附在磨粒上使其相互之間均勻分布的過程?；炝弦话阋?jīng)過配料、選擇混料設(shè)備、選擇混料工藝等過程。設(shè)計混料模塊包括以下環(huán)節(jié):

(1)配料計算。計算出坯體的體積，然后根據(jù)坯體的成型密度，計算出成型料的單重，再根據(jù)坯體的數(shù)量，再加上適當(dāng)?shù)墓ば蛳牧浚贸瞿チ系目偭?，接下來根?jù)用戶輸入的配方模塊輸出的磨料、結(jié)合劑和填料所占的質(zhì)量比，分別計算出這三者的質(zhì)量。

2)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生課下可以隨時隨地通過快進、后退、暫停或反復(fù)播放微課，全面帶動了以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)模式，更利于個性化自主學(xué)習(xí)的形成和自學(xué)能力的培養(yǎng)。

(2)混料設(shè)備的選取。樹脂磨具選用的結(jié)合劑材料和制品粒度不同，選用的混料機械以及成型工藝方法也是不同的，混料模塊中提供逆流混料機、輪碾機以及雙軸葉片混料機等類型混料設(shè)備及其規(guī)格參數(shù)的選取功能。

(3)混料工藝的選擇?；炝夏K中提供了依據(jù)成型料的粒度來選取填充劑、結(jié)合劑的混合時間、過篩號等混料工藝參數(shù)等。

3.3 成型模塊設(shè)計

磨具成型過程是將給定的成型料通過一定的方法使其成為具有一定形狀和強度的磨具胚體，不但要求磨具胚體的形狀和尺寸符合技術(shù)規(guī)定，而且要求組織均勻和單重準(zhǔn)確。設(shè)計成型模塊包括以下環(huán)節(jié)。

(1)選擇磨具成型方法。樹脂磨具常用成型方法有模壓成型法、熱壓成型法和搟壓成型法，各種方法有各自使用的范圍和成型特點。成型模塊提供了根據(jù)樹脂磨具的工藝特點來選擇合適的成型方法，并選擇對應(yīng)的成型過程規(guī)格參數(shù)，如油壓機的公稱壓力數(shù)據(jù)等。

(2)選擇磨具工藝尺寸留量。成型模塊主要提供了根據(jù)磨具直徑范圍選擇直徑留量、厚度留量，根據(jù)砂輪孔徑的大小范圍選擇砂輪加工方法和孔徑留量。留量的大小是工廠工人在長久的生產(chǎn)經(jīng)驗之上總結(jié)出來的，對此作者也建立了相應(yīng)的工藝留量數(shù)據(jù)庫，可供用戶選擇使用。

(3)確定模套與芯棒的尺寸。為了保證成型模具能容納全部的成型磨料，成型模塊提供了根據(jù)磨具的孔徑和外徑來確定模套壁厚、上壓板厚度、底板厚度以及芯棒的壁厚等數(shù)據(jù)。模套和芯棒的高度需滿足下列經(jīng)驗公式:

式中:H 為模套(或芯棒)的高度;h 為磨具的成型高(厚)度;B 為模蓋和底板的厚度;K 為壓型系數(shù)。

3.4 硬化模塊設(shè)計

樹脂磨具硬化是將成型坯體經(jīng)過熱處理，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，固結(jié)成為一定強度、硬度和耐熱性能的磨具。樹脂磨具的硬化工序主要涉及到硬化方法、硬化設(shè)備以及裝爐方法的選擇，以及磨具硬化曲線的繪制等。設(shè)計硬化模塊包括以下環(huán)節(jié):

(1)選擇硬化設(shè)備。硬化模塊提供了根據(jù)磨具的硬化方式選擇合適的硬化設(shè)備和裝爐方式，裝爐方式包括敞開法裝爐、加蓋法裝爐、填砂埋砂法裝爐、圍紙法裝爐法以及疊紙法裝爐等。

(2)硬化溫度監(jiān)控。樹脂磨具硬化過程的保溫，能使樹脂磨具硬化完全，硬化過程中升溫速度快慢對磨具的產(chǎn)品質(zhì)量有著極其重要的影響［9］。硬化模塊提供了硬化溫度曲線的設(shè)置和監(jiān)控功能，實現(xiàn)根據(jù)實時獲得的溫度數(shù)據(jù)，生成磨具硬化曲線，并根據(jù)磨具的種類適時對這些數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)，以獲得較好的質(zhì)量品質(zhì)。

3.5 機械加工模塊設(shè)計

樹脂磨具機械加工主要是使磨具具有較為精確的幾何尺寸、形狀和平整表面。樹脂磨具的機械加工主要分為樹脂磨具的平面加工、孔徑加工和外徑加工等步驟。設(shè)計機械加工模塊包括以下環(huán)節(jié):

(1)樹脂磨具的平面加工參數(shù)設(shè)置。機械加工模塊首先提供了用于抹去磨具表面硬皮的砂輪和鐵砂的粒度參數(shù)，接下來可以根據(jù)鐵砂粒度方便查看不通過篩網(wǎng)號和其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2)樹脂磨具的孔徑加工。機械加工模塊根據(jù)砂輪外徑和厚度的不同，提供了不同的孔加工方法，共有鉆孔、灌孔和車孔3 種方法以供選擇。

(3)樹脂磨具的外徑加工。在這個模塊里，依據(jù)加工砂輪的外徑大小，提供了用于進行外徑加工的裝卡砂輪厚度、磨輪尺寸、磨輪橫行程、磨輪縱行程以及磨輪橫行程速度等加工數(shù)據(jù)的選擇。

4 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

在以上系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于C#.NET 的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)基于C/S 架構(gòu)，從Visual Studio 2005(C#.NET)為開發(fā)環(huán)境，采用SQL Server 2000 建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，采用WebService 技術(shù)建立參數(shù)約束函數(shù)庫，采用Excel 建立工藝模板文件庫，并采用Matrix 為矩陣運算函數(shù)庫和圖形繪制函數(shù)庫。

在系統(tǒng)界面層，通過調(diào)用C#.NET 平臺中的Winform 控件以及Matrix 類庫中的二維圖形繪制函數(shù)庫，實現(xiàn)用戶界面開發(fā)及圖形顯示。開發(fā)形成的樹脂磨具機械加工工藝參數(shù)設(shè)計界面如圖3所示。

圖3 樹脂磨具機械加工工藝參數(shù)設(shè)計界面

在系統(tǒng)功能層，針對配方模塊中的配方設(shè)計過程運算量大的特點，C#.NET 中引用了Matrix 類庫，利用其中的各種矩陣運算函數(shù)(CreateMatrix、Reshap、Mldivide 等)來完成線性方程組的快速求解。在此基礎(chǔ)之上，再將基于回歸分析的配方工藝參數(shù)與磨具硬度之間的函數(shù)關(guān)系式寫入到模塊內(nèi)部，最后經(jīng)過用戶的選擇，進而輸出達(dá)到用戶各項要求的磨具配方表。其他幾個功能模塊按照樹脂磨具設(shè)計生產(chǎn)的一般工序步驟的功能開發(fā)實現(xiàn)。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)層，C#.NET 平臺中采用sqlclient 連接數(shù)據(jù)庫的方式，運用ADO.NET 編程模型技術(shù)來連接并訪問SQL Server 數(shù)據(jù)庫，并且通過Executesql 函數(shù)來實現(xiàn)常用的增、刪、查、改4 種操作，以便于在日常的生產(chǎn)活動中對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行實時更新。數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)表主要包括:磨料配方試驗數(shù)據(jù)表、結(jié)合劑配方試驗數(shù)據(jù)表、輪碾機規(guī)格數(shù)據(jù)表、沖刀尺寸留量表、攤料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速表、磨床技術(shù)參數(shù)表、砂輪孔留量參數(shù)表、砂輪的外徑壁厚留量參數(shù)表等。數(shù)據(jù)層的樹脂磨具機械加工工藝參數(shù)輸出如圖4所示。

圖4 樹脂磨具機械加工工藝參數(shù)輸出界面

目前，基于C#.NET 的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統(tǒng)已開發(fā)測試完畢，并在某磨具制造有限公司的設(shè)計部門進行應(yīng)用，效果良好。

5 結(jié)論

針對目前樹脂磨具設(shè)計水平與手段落后的問題，研究了樹脂磨具的計算機輔助設(shè)計方法與制造技術(shù)。以C#.NET、SQL Server、Matrix、Excel 為技術(shù)支撐，開發(fā)了面向中小企業(yè)的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了樹脂磨具各設(shè)計加工環(huán)節(jié)的計算機輔助設(shè)計，提高了中小型樹脂磨具制造企業(yè)的設(shè)計水平和效率，且為其他類型磨具的CAD/CAM 應(yīng)用提供了參考，在磨具行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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