（机械制造及其自动化专业论文）并行工程下cadcapp集成关键技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 c a d c a m 的集成是先进制造技术的发展要求，而c a p p 是从c a d 到 c a m 必不可少的中间环节，也是目前制约c a d c a m 系统集成发展的瓶颈 所在，因此对其进行研究具有重要的意义。 在c a d c a m 集成系统中，c a p p 模块将产品的设计信息转变为制造加 工和生产管理信息，它从c a d 系统中获取零件的几何拓补信息、工艺信息， 并从工程数据库中获取企业的生产条件、资源情况以及企业工人的技术水平 等信息进行工艺设计，形成工艺流程卡、工序卡以及工步卡等。 本课题研究工作目的是通过对回转体零件特征建模，提取和输出零件几 何信息、工艺信息，在c a p p 系统中对提取到的信息进行加工，然后根据工 艺数据库中的规则以及加工条件信息生成合理的工艺规程，最后输出该零件 的工序卡片，从而以特征为载体实现设计与制造之问的信息共享与交换。 关键词：特征建模；回转体；集成；信息提取 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i o no fc a d c a mi st h er e q u i r e m e n to f t h ed e v e l o p m e n to ft h e a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h ec a p pi st h ek e yl i n kt oc a d c a m ， a n di ti sa l s ot h eb o t t l e n e c ko ft h ed e v e l o p m e n to fc a d c a m ，t h e r e f o r et h e m e a n i n g o fr e s e a r c hi nc a p pi sp r o f o u n d i nc a d c a m i n t e g r a t es y s t e m ，c a p pc o n v e r tt h ei n f o r m a t i o nf r o md e s i g n t om a n u f a c t u r ea n dm a n a g e m e n t i tg e tg e o m e t r ya n dt e c h n o l o g yi n f o r m a t i o n f r o mc a d s y s t e m ，o b t a i nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fe n t e r p r i s e s 、r e s o u r c es t a t e a n dt h et e c h n i q u el e v e lo fw o r k e rf r o mt e c h n o l o g yd a t a b a s e ，a n dt h e na c c o r dt o t h o s ei n f o r m a t i o nf o r m a tt h et e c h n o l o g y p r o c e s sc a r d 、w o r ks t e pc a r d e t c t h ep u r p o s eo ft h i ss u b j e c ti st oe x t r a c tp a r t si n f o r m a t i o nf r o mt h ef e a t u r e b u i l dm o d u l e ，d e a lt h o s em e s s a g ei nc a p p s y s t e m ，a n dt h e nc r e a t ep r o c e s sc a r d a c c o r dt ot h em e s s a g es a v e di np r o c e s sd a t a b a s e ，t h u sr e a l i z et h ei n f o r m a t i o n c o n v e r tf r o md e s i g nt om a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：f e a t u r em o d e l i n g ；r e v o l v i n gp a r t s ；i n t e g r a t i o n ； h l f o r m a t i o ne x t r a c t i o n i i 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引用已 在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 作者签名：枣室 日 期：，。计年5 月三目 哈尔滨t 样人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 先进制造技术概述“。 先进制造技术a m t ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 概念是美国在 2 0 世纪8 0 年代提出的，它是以提高制造企业综合效益为目的，以人为主体， 以计算机技术为支柱，综合利用信息、材料、能源、环保等高新技术以及现 代系统管理技术，对传统制造过程中与产品在整个寿命周期中的使用、维护、 回收利用等有关环节进行研究并改造的所有适用技术的总称。随着计算机技 术、自动控制技术、信息处理技术和系统工程学的飞速发展及其在制造业的 广泛应用，机械制造业正发生革命性的变革。 同传统的制造技术相比，先进制造技术具有的最显著的特点是： ( 1 ) 制造工程是一个系统工程； ( 2 ) 设计与加工一体化； ( 3 ) 产品生命周期的全过程； ( 4 ) 技术、管理、人和环境相结合。 先进制造技术的发展方向有以下几个方面：( 1 ) 集成化：现在更强调技 术、人、资源和管理的集成。在开发蒂4 造系统时强调“多集成”的概念，即 信息集成、智能集成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成、技术集 成及人员集成：( 2 ) 智能化：应用人工智能技术实现产品生命周期各个环节 的智能化，实现生产过程各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合 及人在其中智能的充分发挥；( 3 ) 网络：包括硬件和软件的实现、各种通信 协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种 制造系统自动化的基础；( 4 ) 分布式并行处理智能协同求解：获得系统的全 局最优解；( 5 ) 多学科多功能综合产品设计，其研究重点是：并行工程及 c a d c a p p c a m c a e 一体化设计等技术：( 6 ) 综合可视化；( 7 ) 人一机一环境 系统技术。 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 这些主要关键技术体现了2 1 世纪先进制造技术要求，也表达了先进制造 技术发展的方向。 1 2c a d c a m 集成系统 1 ，2 1 c a d c a m 集成系统概述 c a d c a m 技术是一项综合性的高新技术同时也是先进制造技术中的重点 研究问题。c a d c a m 系统的集成是指把c a d 、c a e 、c a p p 和c a m ( 包括n c 编程 和p p c 生产计划与控制) 等各种功能通过软件有机的结合起来，用统一的执行 控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内信息流 的畅通并协调各个系统有效的运行。它的显著特点是把设计与制造过程同生 产管理集成起来，通过生产数据的采集形成一个闭环系统。c a d c a m 集成是 制造业迈向c i m s 的基础，该技术的应用与发展，正在引起机械制造业产生巨 大的变革，对产业结构、生产方式、管理模式、产品设计与制造过程、人才+ 知识结构都将产生巨大的影响。”。 c a d c a m 系统的发展经历了三代。第一代c a d c a m 软件的开发始于上世 纪6 0 年代中期，是以交互式图形生成技术为基础而建立的应用技术系统， 主要解决二维绘图和简单的数控加工。例如美国i b m 公司研制的s m ss l t m s t 设计自动化系统、美国通用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发的c a d l 系统等。 第二代的c a d c a m 系统软件的开发是在上世纪7 0 年代，这一时期 c a d c a m 技术日趋成熟，以小型和超级小型计算机为主机的c a d c a m 系统进 入市场并形成主流；一批专门经营c a d c a m 系统硬件和软件的公司相继出现。 这一代c a d c a m 的特点是可实现二、三维绘图和数控加工；线框、衄面和实 体建模，有限元分析等。而主要缺点是难以实现系统的真正集成、获取信息 受限制、缺乏数据管理功能，对于三维几何造型技术也处在初级阶段。 第三代c a d c a m 系统软件的开发是在7 0 年代的中后期，工作站的出现 2 哈尔滨工科大学硕士学位论文 再次推动了c a d c a m 技术的发展，工作站是以个人计算环境和分布式网络环 境为前提的高性能计算机，以：【作站为基础的c a d c a m 系统具有较高的响应 速度，其功能已经超过了小型机的c a d c a m 系统。这一代系统的主要特点是 使用单一数据库和统一的数据结构，使系统实现集成和各分系统间的全关 联，提供了产品数据管理功能，使用比较方便，并采用c 或c + + 语言编码。 但在数据交换技术、工程数据管理系统、产品建模技术和实用智能化的c a p p 技术方面还刚刚起步。 1 2 2c a d c a m 系统组成 c a d c a m 系统基本上是由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统 包括计算机和外部设备；软件系统包括系统软件、应用软件和专业软件。其 基本结构如图1 1 所示。 图1 1c a d c a m 系统的基本结构 1 2 3 c a d 、c a p p 、c a m 之间的集成旧 c a d 、c a p p 和c a m 之间的集成可以分为以下两个部分： ( 1 ) c a d 和c a p p 之间的集成 在计算机辅助设计时，其输出主要是零件的几何信息，缺少工艺信息， 这是由于设计和工艺的分工，设计人员不熟悉工艺而造成的，从而使得在进 行计算机辅助工艺设计时，由于缺少工艺信息而不能进行。# 5 - - y 面，由于 3 哈尔滨l ：程火。学硕士学位论文 计算机辅助设计和计算机辅助工艺过程设计的方法分别由各自的人员所开 发，从而使得计算机辅助设计的输出信息，其数据内涵和格式不能被计算机 辅助工艺过程设计所接收。以上两点造成了计算机辅助设计和工艺过程设计 之间集成的困难，至今未能很好的解决，成为关键技术问题。 ( 2 ) c a p p 和c a m 之间的集成 由于计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造都是制造工艺方面问 题，信息上易于集成：同时两者大多由工艺技术人员开发，数据内涵和格式 易于统一，因此两者之间的集成易于解决。 1 3c a p p 系统概述 1 3 1 c a p p 系统概述翻 工艺设计是机械制造生产过程技术准备工作的一个重要内容，是产品设 计与车间的实际生产的纽带，是经验性很强且随环境变化而变化的多变的决 策过程。当前机械产品市场是多品种小批量起主导作用，传统的工艺设计方 法远不能适应当前机械制造行业发展的要求，计算机辅助工艺过程设计 ( c a p p ) 也就应运而生。在c a d c a m 集成系统中，c a p p 模块将产品设计的信息 转变为制造加工和生产管理信息，它从c a d 系统中获取零件的几何拓补信息、 工艺信息，并从工程数据库中获取企业的生产条件、资源情况以及企业工人 技术水平等信息进行设计，形成工艺流程卡、工序卡等。 8 0 年代以来，随着机械制造业向c i m s 或i m d ( 智能制造系统) 发展， c a d c a m 集成化的要求越来越强烈，c a p p 需要从c a d 系统中获取零件的几何 信息、工艺信息等，以代替人机交互的输入零件信息，c a p p 的输出是c a m 所 需的各种信息。 用c a p p 代替传统的工艺设计对于制造业具有重要意义，其主要表现如 下： ( 】) 可以将工艺设计人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中解放出 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 来，提高产品在市场上的竞争力； ( 2 ) 可以大大地缩短工艺设计周期，保证工艺设计质量，提高产品在 市场j 二的竞争能力； ( 3 ) 能集成有经验的工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性， 特别是在当前国内外机械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况 下，更具有特殊意义。 ( 4 ) 可以提高企业工艺设计的标准化，有利于工艺设计的最优化工作； ( 5 ) 为实现计算机集成制造系统( c i m s ) 创造必要的技术基础。 正因为c a p p 在机械制造也有如此重要的意义，从上世纪6 0 年代开始 进行研究，3 0 多年来己取得了重大的发展，在理论体系以及生产过程实际应 用方面都取得了重大的成果。但是，直到目前为止真正能完全普及以及实用 的c a p p 系统很少。美国机械工程师协会( s m e ) 曾统计，虽然自8 0 年代 后期到9 0 年代，美国的制造业有9 0 需要使用c a p p ，但是直到今天，仍只 有5 的企业使用c a p p ，而且很少成功，尤其是当今c a d c a m 向集成化、 智能化方面发展，追求并行工程模式，这样都对c a p p 技术提出新的要求， 也赋予它新的含义。 1 3 2c a p p 系统的构成。1 c a p p 系统的构成，视其工作原理、产品对象规模大小的不同而有较大的 差异。图1 2 的系统构成是根据c a d c a p p c a m 集成的要求而拟定的，其基 本模块如下： ( 1 ) 控制模块。其主要任务是协调各模块的运行，是人机交互窗口，实现 人机之间的信息交流，控制零件信息获取方式。 ( 2 ) 零件信息输入模块。当零件信息不能从c a d 系统直接获取时，用此模 块实现零件信息的输入。 ( 3 ) 工艺过程设计模块。进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供 加工及生产管理部门使用。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 工序决策模块。其主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算， 生成工序图。 ( 5 ) 工步决策模块。对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成n c 加：控制指令所需的刀位文件。 图1 2c a p p 系统构成 ( 6 ) n c 加工指令生成模块。依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用 n c 代码库中适应于具体机床的n c 指令系统代码，产生n c 加工控制指令。 ( 7 ) 输出模块。可输出工艺流程卡，工序、工步卡，工序图及其它文档， 输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺 文件进行修改得到所需的工艺文件。 ( 8 ) 加工过程动态仿真。对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正 确性。 1 3 3 c a p p 系统分类嘲 c a p 系统按照工作原理的不同，大体上分为以下几类：派生式、半生 6 哈尔滨r j 翟人学硕士学位论文 成式和生成式。 1 3 3 1 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 系统也称变异式c a p p 系统，在该系统中，零件被组成零件 族，每个零件族有特定的编码，事先编制出一个标准工艺过程，大多数系统 是采用成组技术( g t ) 为基础的编码系统，标准工艺过程则存储在计算机内， 每一零件族根据键入特定的编码就能够很方便地产生工艺过程文件。它是利 用成组技术原理将零件按几何形状以及工艺相似性进行分类、归族，每一族 有一个典型的样件，然后集中专家、工艺人员的集体智慧和生产经验，为此 样件设计出相应的典型工艺文件，存入到工艺文件库中。当需要设计一个零 件的工艺规程时，输入零件信息，对零件进行分类编码，按此编码由计算机 检索出相应的零件族的典型工艺，并根据零件结构及工艺要求，对典型工艺 进行修改，从而得到所需的工艺规程。 1 3 ，3 2 生成式c a p p 系统 生成式c a p p 系统也称创成式c a p p 系统，是c a p p 系统发展过程中的一个 显著跃进。这种系统能合成各种工艺过程信息，以便自动生成新零件的工艺 过程。生成式c a p p 系统不以对典型工艺规程的检索和修改为基础，而是由系 统中工艺决策逻辑与算法对加工工艺进行一系列的决策，自动生成零件的工 艺规程。这种方法由计算机模仿工艺人员的逻辑思维能力，自动地进行各种 决策以及对工艺过程进行优化，基本排除了人的干预，从而使工艺规程编制 不会因人而异，保证工艺规程的一致性。但由于零件结构的多样性，并且在 计算机内完全准确地描述的难度较大，以及工艺决策随环境变化的多变性和 复杂性等诸多因素，所以要实现完全生成式的c a p p 系统还很困难。 1 3 3 3 半生成式c a p p 系统 半生成式c a p p 是c a p p 系统发展的第二代。这样的系统是结合生成的特 征从变异式系统发展而来的。在基本变异系统内识别出零件族后，这些系统 7 哈尔滨t l 群大学硕士学位论文 提供用户有几种选择，种选择是使每一个零件族将标准工艺过程作适当地 修改：第二种选择是为一种特定零件把不完整的工艺文件完整化；第三种选 择用存储在计算机内各种标准工艺舰程所描述的内容从头开始完整地建立 一个新的工艺过程设计。半生成式c a p p 系统又称为综合式c a p p 系统，它将 派生式和生成式相互结合，综合采用这两种方法的优点。例如，可以选择几 个存储在计算机上的工艺规程的片段，同时又具有一定的工艺决策逻辑，考 虑一部分加工表面理论上必然的加工顺序，然后把他们结合起来，形成一个 工艺规程。 1 34 ( ：l a p p 系统的工作过程 c a p p 系统一般包括零件描述、工艺路线生成、工序设计和工艺文件输出 四大模块 其工作过程如图1 3 所示。 猢 赢 c a d 图i 3c a p p 工作过程 1 3 5o a p p 系统的工作原理 1 3 5 1 派生式c a p p 系统的工作原理 派生式c a p p 系统以零件特征编码技术为基础，按零件工艺过程相似性将 8 哈尔滨【一程人学硕士学位论文 零件分类成组，综合每组零件的形面特征，形成复合零件。按照复合零件编 制反映本企业最优工艺方案的标准工艺规程，以文件的形式存入计算机中。 在编制新零件： 艺规程时，输入零件的成组编码，识别所在的加工族，调出 该族的标准工艺规程，经过编辑、修改后产生一个新的工艺规程。系统工作 流程如图1 4 所示。 图1 4 派生式c a p p 系统流程图 1 3 5 2 生成式c a p p 系统的基本原理 生成式c a p p 系统的基本原理与派生式系统不同，它不是利用对相似零件 族的标准工艺规程的修订，而是依靠程序系统中反映的各种决策逻辑( 过程) 以及各种有关的制造工程数据信息生成。生成式系统所需的数据信息主要有 各种加工方法的加工能力、各种机床的适用范围等等一系列的基本工艺知识， 这些知识一般采用数据形式提供。工艺设计过程中各功能模块使用的各种决 策逻辑( 过程或算法) 编入程序体中，以供主控程序( 推理机制) 调用。图 1 5 为生成式c a p p 系统的流程图。 生成式系统不需预先存入典型工艺规程，而是根据输入的零件信息，通 过计算机的逻辑推理、公式和算法等，做出工艺决策以自动地“生成”一个 9 哈尔滨工程火学硕士学位论文 新的优化的工艺规程。可见其自动化程度更高。 虽然生成式c a p p 系统是较为理想的系统模型，但由于制造过程是不同于 那些连续式生产过程，其产品品种的多样性、制造过程的离散型、生产环境 的复杂性、时间发生的随机性、系统状态的模糊性等因素，使其工艺过程的 设计成为相当复杂的决策过程，因此要开发有一定适应面的生成式c a p p 系统 还是有相当难度的。 图1 5 生成式c a p p 的流程图 1 4 本课题的研究目的和研究内容 本课题研究的目的是通过回转体零件的特征建模，利用一定的代码在特 征参数化设计生成零件图的同时实现所设计零件几何信息和工艺信息的描 述与提取，提取出的信息以数据文件的形式存储，通过对该数据文件中信息 的处理，自动生成该零件的加工工序卡片，以特征为载体实现设计与制造之 间的信息交换，从而有效地解决c a d 与c a m 之间的信息集成问题。 课题研究内容分四部分。 第一部分：特征建模软件设计。内容包括对构建回转体零件所用到的特 征进行分析和分类；特征绘制的参数化驱动程序设计、接口设计、零件信息 的描述与提取。特征建模模块采用a u t o c a d 提供的d c l 语言编制操作界面， 利用v i s u a ll i s p 语言编制各个特征的参数化驱动程序，特征信息输出到预先 设定路径的数据文件中。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第二部分；工艺数据库设计。内容包括工艺数据库结构的概念设计；在 v i s u a lf o x p r o 中建立工艺数据库，其中包括一系列的生成工艺所需用到的数 据库表，例如余量公差表、刀具表、机床表等：查询工艺设计标准手册，设 计表中的字段并在表间建立联系等。 第三部分：工艺过程文件生成。以v i s u a lc + + 6 0 为开发软件，内容包 括对零件信息的提取和处理，与数据库的交互、判别，从而产生和不断完善 工艺过程文件，最后得到的最终工艺过程文件中包含有生成工艺和工序图形 所需的全部信息。 第四部分：工序卡片生成。利用v i s u a lc _ l + 6 0 作为自动编程机根据最 终工艺过程文件中的内容生成可被a u t o c a d 直接执行的l i s p 文件，通过 a u t o m a t i o n 自动化方法即可以自动启动a u t o c a d 并在a u t o c a d 中自动加载 和运行生成的l i s p 程序，从而得到所需要的工艺卡片。 1 5 本章小结 本章简要叙述了目前我国制造技术的概况、结构及其特点，介绍了 c a d c a m 系统集成的现状和组成以及目前国内外c a p p 软件的概念、结构、 工作原理以及发展状况、优点和存在问题，最后引出课题的研究目的及工作 内容。 哈尔滨t 群人学硕士学位论文 第2 章回转体零件特征建模设计 2 1c a p p 中零件信息的描述 2 1 1c a p p 系统对零件信息的要求 c a p p 系统需要的零件特征信息包括两方面的内容：零件的几何信息和工 艺信息。零件的几何信息也就是零件的图形信息，包括零件的几何形状、尺 寸、位置等；工艺信息包括零件各表面的精度、粗糙度、热处理要求、材料 和毛坯类型等多种信息，为了进行零件信息和工艺信息的关联，还需要零件 号、零件名称、产品名、产品号和g t 代码等管理信息。 零件的工艺设计是一项繁杂的工作，进行工艺设计所需处理的信息不仅 是大量的，而且信息间的关系错综复杂，这就使得信息输入成为c a p p 系统中 的关键技术。零件描述信息的准确性、科学性和完整性将直接影响所涉及工 艺过程的质量、可靠性和效率。因此零件的信息描述将满足以下要求： ( 1 ) 信息描述内容要准确、完整，所谓完整是指能够满足在计算机辅助工 艺过程设计使用，而不是单纯的零件的全部信息。 ( 2 ) 信息描述要易于被计算机接受和处理，界面要友好，使用方便。 ( 3 ) 信息描述要易于被工程技术人员理解和掌握，便于被操作人员运用。 ( 4 ) 由于是计算机辅助设计，因此信息描述系统( 模块或软件) 应考虑计算 机辅助工艺过程设计等多方面的要求，以便能够信息共享。在计算机集成制造 系统和并行工程中，要遵守统一的数据交换标准、产品数据管理等规定，使数 据格式和数据管理统一起来，以便信息集成和信息并行管理。 2 ，1 2 描述零件信息的方法 针对不同的零件和应用环境，零件图形信息描述方法很多，常用的有： 零件分类编码描述法、形面要素描述法、拓扑描述法、面向零件特征要素法 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 本软件的零件信息采用形面要素描述法。 ( 1 ) 零件分类编码描述法 利用成组技术根据特征属性的异同将零件划分为不同组别，也就是分类。 零件的分类是根据其特征来进行的，即结构特征和工艺特征。 在早期的c a p p 系统中，一般采用零件分类编码系统，输入零件的编码以 及一些补充信息，用零件编码来粗略描述零件的形状、尺寸、精度等信息。 这种方法简单易行，但它对零件的描述过粗，对零件的具体形状、尺寸及精 度等无法描述得十分清楚，使得c a p p 系统不能得到足够的信息来详细、合理 地进行工艺决策。在所研制的c a p p 系统中，一般很少单独采用此方法来描述 零件，这种输入方法适用于检索式c a p p 系统。 ( 2 ) 形面要素描述法 任何零件都可以看作为由若干个形面按一定的关系组合而成，每一种形 面可用一组特征参数来描述，并对应一组加工方法，将组成零件的各型面按 一定顺序输入计算机中，描述整个零件。 为详细地描述零件，把一个零件看作是由若干个基本的几何要素组成， 将这些几何要素分为主要形面要素、次要形面要素和辅助形面要素。主要形 面要素是指外表面的主要要素( 外圆面、外锥面、外螺纹等外形特征) 和内 表面主要要素( 内圆孔、内锥孔等内部特征) ，由它们构造出的零件的主要 整体形状。主要形面要素必须按它们在零件上出现的位置依次进行描述。次 要和辅助形面要素则包括退刀槽、倒角、圆角等，一般它们依附于某个主要 形面要素，完成某个特定功能或改善零件的加工工艺性能。 对零件的各个形面要索进行编号，并对零件按其特点划分成若干个单独 的区段，以便能正确地输入零件各形面要素的尺寸、位置、精度、粗糙度等 信息。利用这种方法虽然比较繁琐、费时，但是它们可以比较完整、准确地 输入零件的图形信息。这种方法比较适用于描述回转体零件，对非回转体零 件的形面描述有一定的难度。 ( 3 ) 拓扑描述法 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 拓扑学的观点认为，三维零件包括有限数量的元素，如点、线、面、体， 这些元素可以看成是一些单元，因此一个零件可以用一组单元来表示，这种 方法可以进行描述零件的结构，但对于c a p p 系统来说，用于工艺决策的信 息不需要如此详细，况且这种方法缺少c a p p 所需要的工艺信息，因此主要 适用于c a d 系统。 综上所述，形面要素描述法是最适合描述回转体零件信息的表达方式。 因此，本软件采用形面要素描述法，以特征为载体实现对零件几何信息和工 艺信息的描述。以轴类零件为例，一根轴可以看成由形状不同的轴段连接而 成，每个轴段也可以看成几个基本形状叠加组成，各种轴段决定了轴的基本 形状，对工艺路线起决定作用，因此，各种不同的轴段特征称为主特征；而 附属于各个轴段的功能要素，如键槽、倒角等，对轴的形状和工艺都不起决 定作用，附属于每个轴段的功能要素称为辅特征。同时，其特征位置还描述 了零件各形状特征的装央加工方位，更利于工艺规程的生成。 2 2 特征建模概述 传统的c a d 系统是基于计算机图形学的几何建模系统( 线框模型、表面 模型、实体模型) ，它只能提供产品的几何信息，不能提供产品的工艺信息， 因而不能满足c a p p 系统需求，且产品开发从设计到制造是串行生产模式，即 线性的“概念设计过程设计加工制造试验检测设计修改” 的流程。基于特征模型的c a d 系统被称为第三代c a d 系统，它能提供零件以 特征为载体的几何信息和非几何信息( 工艺信息) ，实现c a d c a p p c a m 各个 系统之间的信息共享与交换，以实现并行集成的思想，从而适应现代技术迅 速发展及产品快速更新的要求。 通过赢接采用特征建立产品模型，基于特征进行设计，可以在设计过程 中，将零件的管理、技术、形状、精度等特征提取并输出到数据文件中。由 于设计过程是基于特征的，所以有利于零件的整体信息的提取，同时信息的 存储内容以及格式是根据c a p p 系统的需求而设定的，所以能够很好的满足 4 哈尔滨哪￥人学硕十学位论文 c a p p 系统对零件的几何以及工艺信息的需求。 2 ，2 1 特征的概念和分类 特征是指零件的结构和工艺信息按性质划分而形成的所有信息的集合。 这个定义强调特征包括几何形状、精度、材料、技术特征和管理等属性，同 时强调特征是与设计活动和制造方法有关的几何实体，因而是面向设计和制 造的，而且该定义还强调特征含有工程意义的信息，特征反映了设计者和制 造者的意图。基于特征的零件模型是指通过计算机模型化处理将工程图纸所 表达的零件信息抽象为特征的有机组合，使特征作为零件定义的基本单元。 为满足后续c a p p 系统和零件的描述、存储与管理的需要，可将构成零 件的特征分为五大类： ( 1 ) 形状特征与描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合。根据形状 特征在构造零件中所起的作用不同，可分为主要形状特征( 简称主特征) 和 辅助形状特征( 简称辅特征) 两类。主特征是用来构造零件的基本几何形状 体；辅特征是从属于主特征的几何形状特征，是对主特征的局部修饰，反映 了零件几何形状的细微结构。辅特征依附于主特征，也可依附于另一辅特征。 ( 2 ) 精度特征描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合， 包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度； ( 3 ) 材料热处理特征与零件材料和热处理有关的信息集合，如材料性 能、热处理方式、硬度值等： ( 4 ) 技术特征描述零件的性能和技术要求的信息集合； ( 5 ) 管理特征与零件管理有关的信息集合，包括标题栏信息( 如零件 名、图号、设计者、设计日期等) ，零件材料，毛坯形式，g t 代码等。这些 信息是对零件整体特征进行描述的一组信息。 特征信息结构如图2 1 所示。 哈尔滨丁程人学硕士学位论文 特征 广_ 一主特征( 如圆柱面) l 辅特征( 如倒角) 广形位公差特征( 如同轴度) + 一粗糙度特征 l 尺寸公差特征 如材料硬度) 如技术要求) 如标题栏) 图2 1 特征信息结构 2 3 零件特征模型系统设计 2 3 1 系统设计思想 为详细地描述零件，把一个零件看作是由若干个基本的特征组成。根据 几何形状特征在构造零件中所起的作用不同，将特征分为主特征和辅助特 征。主特征是用来构造零件的基本几何形状，如：内外圆柱面、内外圆锥面 等；辅助特征是从属于主特征的几何形状特征，是对主特征的局部修饰，反 映了零件几何形状的细微结构。辅助特征依附于主特征，也可依附于另一辅 助特征，例如键槽、孔等。 任何复杂的几何图形都可以分解成若干个基本图形，例如可以把回转体 零件的基本形状特征归纳成1 1 种主特征和2 1 种辅特征，这些简单基本的图 形可以拼合成各种类型的几何图形，主特征类型图和辅特征类型图分别如图 z 2 和2 3 所示。 哈 ；滨：i ：= 程人学硕士学位论文 辅特征 主特征 端面 圆柱面 筹：蓉詈 圆锥面厂外圆锥面 l 内圆锥面 螺纹面_ 篙纛萎菩 矩形花键r 矩形花键轴 j l _ 一矩形花键孔 图2 2 回转体零件的主特征类型图 普通孔 简单 盲 平底 锥 沉 一孔【誓 倒 倒 孔 孔 孔 孔 孔 孔 孔 角 瓮葛凳 圆【筹嚣： 矩形键槽广轴上型 l 一孔上型 图2 3 回转体零件的辅特征类型图 哈尔滨：程人学硕士学位论文 2 32 特征之间的关系及其在程序中的描述 特征间的关系有3 种：( 1 ) 邻接关系，是反映特征实体间的语意关系，通 常是针对形状特征中的主特征而言的；( 2 ) 从属关系，是描述形状特征实体间 的依从或附属关系，从属的特征依赖于被从属的特征而存在，并对其进行局 部修饰，通常指形状特征中的主特征和辅助特征之间的关系；( 3 ) 引用关系是 描述特征之间作为关联属性而相互引用的关系，主要用来表示形状特征对其 他信息( 如精度特征等) 的装载作用和引用等。 特征蒯的关系在程序中通过指定不同的特征序号来识别。主特征按其从 左到右的关系依次定为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 n 0 0 ，而辅特征则依据与主特征的 关系依次定为1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 l o i 或2 0 1 、2 0 2 、2 0 3 2 0 n 等，辅特征 的特征顺序号随着主特征的特征顺序号而动态变化，特征代号的表示如图 2 4 所示。 图2 4 轴主特征及辅特征间的顺序关系 其对应的数据结构如图2 5 所示。 特征顺序号的建立可分为以下几个步骤：( 1 ) 计算零件特征顺序号；( 2 ) 读取零件特征顺序号：( 3 ) 输出零件特征顺序号信息。 主特征顺序号的计算主要依据绘图模块的调用次数来确定。当第一次调 用绘图模块时，在记数文本文件中写入1 0 0 ，作为第一个主特征的特征号。 以后，当每次调用模块时，则在原有特征号基础上累加i 0 0 。 哈尔滨工程人学硕十学位论文 图2 5零件特征模型数据结构 辅助特征的序号的计算相对复杂一些，调用辅助特征绘图模块时，先找 到当前的主特征序号和辅助特征序号，若前一个辅助特征依附于当前主特征， 则特征序号递增，反之，则在当前主特征号上加1 作为当前辅助特征序号。 2 ，3 3 用户界面设计 在a u t o c a d 的系统菜单中开发出“特征模型库”菜单以便于用户进行操 作，其中包括以下几个弹出式菜单，说明如下： ( 1 ) 环境设置进行图层设置和图框( 图幅和标题栏) 设置。 ( 2 ) 启动特征模型库选择启动方式进入主特征对话框。 ( 3 ) 工程标注进行技术要求、尺寸及公差、表面粗糙度和文字等内 容的标注。 ( 4 ) 修改零件对特征模型进行修改。 ( 5 ) 数掘接口向数据文件( f e a t u r e d a t ) 中提取当前所设计零件的 几何信息以及工艺信息。 ( 6 ) 帮助说明提供本软件的帮助信息，便于用户使用。 2 4 特征模型的系统实施 2 4 1 程序结构 本模块包括以下主要子功能模块： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 环境设置模块 包括图层设置程序模块和图框设置程序模块： ( 2 ) 启动特征模型库模块 包括启动方式选择程序模块、启动主对话框程序模块、零件各主辅特征 调用程序模块、零件各主辅特征绘图程序模块、零件信息提取程序模块等； ( 3 ) 数据接口模块 包括标题栏信息提取模块、技术要求信息提取模块和显示全部提取信息 模块； ( 4 ) 帮助说明模块。 总体结构如图2 6 所示 l用户l 显示信息处理模块主菜单 选择“特征模型库”功能 动特征模型库ff 工程标注i 零件修改ii 数据接口ff 帮助说明 技术要求i l f 尺寸公差i l i 粗糙度 l i 标题栏信息提取 2 4 2 程序模块设计 ! ! ! j 巳! ! ! 竺劐l ! ! ! _ 星查墨兰堡璺兰竺f 臣函磊磊 图2 6特征建模功能图 ( 1 ) 启动方式选择程序模块 启动方式是本特征建模系统的关键之一。在特征建模中有两种启动情况： 新建特征模型和继续上次启动建模，启动方式选择程序模块用于实现“新建， 2 0 哈尔滨上程人学硕t ：学位论文 特征模型和“继续上次启动建模”的选择。 ( 2 ) 新建初始化启动程序模块 新建初始化启动程序模块用于初始化数据文件，然后再启动( 主辅形状 特征) 主对话框。 ( 3 ) 启动主对话框程序模块 在上次启动建模或已存入的数据文件内容和图形文件的基础上继续建 模，即直接启动主对话框，而能方便地得到零件的完整数据文件和图形文件。 启动过程流程图如图2 7 所示。 图2 7 启动特征模型库流程图 ( 4 ) 主辅特征绘图程序模块： 特征图库是根据成组技术原理绘制零件的结构特征。可从特征图库中调 用某一特征，输入参数，便自动绘出此特征的图形。特征图库也是参数化绘 图，将图形尺寸与一定的设计( 或约束条件) 相关联，即将图形的尺寸看成是 哈尔滨r ：程大学硕士学位论文 “设计条件”的函数，当设计条件变化时，图形尺寸便会随之相应改变，参数 化绘图足相对于交互式绘图而言的，特征图库中的元素有着明显的结构特征。 参数化绘图是由程序逐条调用命令去绘制图形，用户只须交互式地输入 一些参数，这样减少了用户输入数据的数量，提高了作图精度和效率。更重 要的是可以完成由绘图命令难以实现的复杂不规则曲线、曲面、实体的绘制。 方便地实现与c a m 系统的对接，为实际工程所用。绘图程序是用户通过对 话框输入绘图时所需的各个参数，再由对话框驱动程序把输入各控件的值传 给绘图程序调用部分，从而按照用户的要求绘出零件图，其绘图流程图如图 2 8 所示。 调用主对话框 主f 叼辅 调用主特征对话框 il调用辅特征对话框 i零件信息输入 i 。1 。一 j - _ 一 l零件信息传输 爹 ! 土l 一 什算各部分的尺寸参数 l 堡兰里璺i 主 调用a u t o c a d 命令 匹妇 h 一 广i 图2 8 绘图程序模块 哈尔滨上程大学硕十学位论文 2 5 软件使用实例 下面以一回转体零件为例，说明软件的使用方法。 该回转体零件包括端面、外圆柱面、外螺纹面三个主特征，此外还有 键槽和倒角两个辅助特征。绘制时按照从左向右的顺序绘制，对于辅助特征 则需要在绘制完其所依附的主特征后绘制，同时要求其中不可插入别的主特 征。例如对于上述零件的绘制顺序如下：外圆柱面一) 倒角一) 外螺纹，外圆 柱面一) 键槽，外圆柱面，外圆柱面一) 倒角一) 外螺纹。 设计开始时需要进行图层和图框的设定，在a u t o c a d 的系统菜单中选 择“特征模型库”下拉菜单，然后分别选择“图层设定”和“图框设定”两 个弹出式菜单，分别在弹出的对话框中进行进行参数输入，然后点击“确定”， 在a u t o c a d 的绘图屏幕上就会出现相应的图框，图层的设置也会完成，运行 界面如图2 9 所示。 图2 9图层设置和图框设置 绘图环境设黄完成后，下面开始图形的绘制，由于特征数目众多，下面 仅以外圆柱面特征的绘制为例，说明使用方法。 选择“特征模型库”，然后选择“启动特征模型库”，会弹出一个启动方 式选择的对话框，如果需要重新设计选择“新建”，否则选择“继续上此建模”， 哈尔滨工程人学硕十学位论文 这两个启动方式的区别是新建会清除建模过程中所保存在特征信息提取文件 中的内容，而“继续”则不清除该文件内容，绘制特征的信息会继续写入该 文件。运行后界面如图2 1 0 所示： 图2 1 0启动方式选择对话框 选定启动方式并点击“确定”后可以看到一个弹出的对话框，列出了可 以使用的主特征以及相应主特征的幻灯片，如需要绘制辅助特征，可以点击 “辅特征”单选按钮，这时可选用特征以及幻灯片的内容就会变为辅助特征 的内容。主特征选择的界面如图2 1 1 所示，辅助特征选择界面如图2 1 2 所 示。 图2 1 1 主特征选择界面 哈尔滨t 程人学硕二f ：学位论文 图2 1 2 辅助特征选择界面 下面以外圆柱面特征为例，说明参数化绘制的实现，在图2 1 1 中选择“外 圆柱面”并单击确定，会看到图2 1 3 的外圆柱绘制参数输入对话框，在该对 话框中进行绘制参数以及加工要求等信息的输入，输入完成后点击“确定”， 则屏幕会提示输入插入点，在屏幕上选择插入外圆柱面的点，对于外圆柱面 等特征来说，该点位于特征左侧的中心，该特征会被自动绘制在绘图屏幕上。 图2 1 3 外圆柱特征参数输入对话框 按照以上方法进行图层以及图框的设置，然后逐一在绘制主对话框中选 哈尔滨上程大学硕士学位论文 择相应的特征，并在相应特征参数输入对话框中输入所需参数，最后可在屏 幕上得到如图2 1 4 所示的设计结果。 图2 1 4特征建模实例 在设计过程中，设计所用到的特征的几何以及工艺信息会被自动保存在 零件特征文件中，该文件内容被工艺过程文件生成程序所提取和处理，处理 过程见第3 章。 2 6 本章小结 本章在分析c a p p 中零件信息描述方法的基础上引出了特征建模的概念、 组成以及特点，详细分析了回转体零件的结构，并对回转体零件的构成特征 进行戈0 分；描述了本软件的界面设计方案以及功能；详细给出了回转体零件 特征建模丌发的主体思想，并对其中关键的算法给出了流程图，最后通过一个 回转体零件的特征建模实例说明了软件的使用方法。 i 喻尔滨f 稃人学硕十学位论文 第3 章工艺设计及工艺过程文件的生成 3 1 工艺过程文件概述 对设计过程中所存储的特征信息进行提取和处理后得到结果存储在工艺 过程文件中。在工艺的生成过程中会产生数个工艺过程文件，其中保存了不 同阶段数据处理的结果，工艺过程文件的格式是预先设计好的，其内容可以 完全被后继处理程序所识别。 随着程序对提取到信息处理的不断深入，工艺过程文件中的内容也随之 发生改变，最后形成的工艺过程文件称为最终工艺过程文件。最终工艺过程 文件是工艺规程以及工序图形生成的直接依据，在工艺过程文件中包含各个 特征完整的几何、工艺信息以及各个特征之间的几何拓补信息，同时其内容 格式统一，能够很好的被解读程序所处理。 最终工艺过程文件的另一个作用是为程序的后继开发提供了一个良好的 接口，如果需要对程序进行二次开发，那么只需要设计一个接口程序来解读 最终工艺过程文件即可以得至所需要的全部信息，而不需要明白该文件是如 何产生的。 3 2 输出设计 这里所说的输出设计，是指经过处理的特征信息的最终形态，也就是存 储在最终工艺过程文件中的内容以及格式。最终工艺过程文件是直接为工序 卡片以及工艺规程生成丽服务的，其中的内容和形式是否合理会直接影响到 所生成工序卡片的质量，因此其中的信息应具有完备、准确的特点，尽量减 少冗余，以最少的数据表达最多的信息，同时应便于程序处理。 3 2 1 字段设计 通过对回转体零件工艺规程、工序