1-基于CADCAM的箱体类零件设计和加工应用技术研究

1、基于CAD/CAM的箱体类零件设计和加工应用技术研究陈 军 孙召瑞 (莱芜职业技术学院,山东 莱芜,271100)摘要: 为了提高箱体类零件的加工精度、缩短产品设计周期，基于Pro/E的CAD技术，对齿轮箱体平面和壳体孔的设计、制造、改型等进行了新的分析和研究，用特征化参数法实现了零件的三维实体造型。基于Pro/E的CAM技术，建立了切削刀具库，实现了刀具参数的自动输入。关键词：箱体类零件，加工精度，CAD/CAM，特征造型，刀具库质量是产品的生命。面向21世纪的具有竞争力的产品质量概念是指“对顾客需求的满足程度”。这里的质量指的是产品全生命周期的质量，它包括两方面的内容：产品的设计制造质量和

2、产品的售后服务质量。产品要具有高质量和低成本，还要具有竞争力的时间，即产品开发的周期要短，新产品上市的时间要快。1 箱体类零件的结构特点分析1.1箱体类零件的功用箱体类零件是机器及其部件的基础件，它将机器及其部件中的轴、轴承、套和齿轮等零件按一定的相互位置关系装配成一个整体，并按预定的传动关系协调运动1。因此，箱体的加工质量不仅影响其装配精度及运动精度，而且影响到机器的工作精度、使用性能和寿命。1.2 箱体类零件的结构特点箱体类零件一般起着支承、容纳、定位和密封等作用，外形基本上是由六个或五个平面组成的封闭式多面体，又分成整体式和组合式两种。箱体的种类很多，其尺寸大小和结构形式随着机器的结构和

3、箱体在机器中功用的不同而存在着较大的差异。但从工艺上分析，它们仍有许多共同之处，其主要结构特点大致有:结构形状比较复杂；加工精度要求高；加工工序多、工艺复杂。2 箱体类零件CAD/CAM系统设计2.1 CAD/CAM系统总体结构系统总体结构如图1所示2.2基于特征的箱体类零件信息描述特征是指在设计、制造及相关过程中可以识别的、包含特定形状和工程予以的基本信息单元。基于特征的零件信息描述方法不是按传统的几何体、素（如块、体、圆柱体等）来描述零件，而是根据零件的几何特征（如孔、槽等）或加工工艺特征来描述零件（如是否车、铣、镗等）。在具体的描述方法中，不仅含有结构和几何信息，同时含有制造和工艺信息，

4、是设计中体素概念与制造加工过程中形面概念的综合反映。这就使得设计和制造融为一体，相互之间易于实现信息的共享和交换2。图1 箱体零件CAD/CAM集成系统框图因为Pro/E支持面向对象的技术，而其自身具有全相关性的尺寸驱动功能。为了与Pro/E紧密结合，最大限度地利用Pro/E内部的强大内核，本系统采用了面向对象的设计方法，使用类和对象来定义特征，并利用对象的封装性实现对特征的封装，只要指定几个特征参数就可以完全确定特征的形状。特征作为几何信息和非几何信息的载体，在本系统中是用一组私有变量来定义的，系统提取的零件信息就储存在这些变量当中。在零件的产品建模过程中，形状特征是产品定义模型中最主要的内

5、容，设计人员主要是从满足功能要求、装配要求、制造工艺要求等几个方面来构造零件，所以不同的形状特征对于构造零件的形状所起的作用是不同的3。本系统将特征划分为主形状特征和辅助形状特征。主形状特征用于构造零件的主体形状结构，辅助形状特征用于对形状结构进行局部修饰，它附加于主形状特征之上。箱体零件无论为何种类型，其形体一般是由包容其他组件的空腔、轴承孔、安装板、筋板等组成，因此可以把箱体基体作为主特征，而把其他的所有结构作为辅特征。2.3 箱体类零件NC加工过程描述从总体上讲利用Pro/NC生成数控程序的过程与产品实际加工的流程是一致的，包括以下几个部分：加工前准备。包括：创建工件参考模型；创建工件；

6、建立加工数据库(包括NC机床，刀具、夹具配置等)。创建NC加工文件建立制造模型。选择或创建工件，与所设计的箱体零件（参考模型）装配在一起建立制造模型。定义操作。操作是一系列NC序列的集合，包括定义操作模式，定义机床，定义夹具，定义加工坐标系，定义初始点和返回点，定义工件材料，定义退刀面等。定义NC序列。NC序列是在加工条件下来描述刀具运动轨迹的，包括建立NC加工类型，设置加工刀具，设置加工工艺参数，选择加工对象，定制刀具路径。后置处理。通过后置处理产生用于指定数控机床的数控加工代码，实现零件的数控加工。3 在Pro/E环境下系统的设计与实现在箱体类零件设计加工系统的实施中，选用Pro/E Wi

7、ldfire 2.0软件作为开发平台，以Visual C+为开发工具，向Pro/ENGINEER Wildfire环境中添加菜单，扩展Pro/ENGINEER的功能。为此需要编写应用程序模块，与Pro/E Wildfire 进行功能连接。当然，对于用户而言，该功能也可选用其他的CAD/CAM系统加以实施，这一点在本质上是一致的。Pro/E在提供强大的设计分析和制造功能的同时，也为用户提供了多种二次开发工具，常用的二次开发工具有：族表（Family Table）；用户定义特征；Pro/Program；Pro/TOOLKIT。本系统采用Pro/TOOLKIT。3.1 开发工具简介Pro/TOOLK

8、IT是美国PTC（Parametric Technology Corporation）公司为Pro/E提供的用户工具箱。它提供了开发所需要的函数库和头文件，外部应用程序可安全的访问Pro/E数据库和应用程序，其目的是让用户或第三方通过C程序代码扩充Pro/E系统的功能，开发基于Pro/E的应用程序模块，从而满足用户的不同要求。利用Pro/TOOLKIT提供的UI对话框、菜单以及Vc+的可视化界面技术，可设计出方便实用的人机交互界面，从而在很大程度上提高了系统的使用效率4。所谓Pro/TOOLKIT应用程序是指利用Pro/E系统提供的Pro/TOOLKIT工具包的支持，用C+语言进行程序设计，建

9、立能够在Pro/E环境下运行的程序（后缀为.exe）或动态库链接文件（后缀为.DLL）形式的程序。Pro/TOOLKIT支持在Windows2000/NT/XP操作系统下使用C或C+语言进行程序设计，本系统采用Microsoft Visual C+6.0作为编译器和连接器5，在此集成环境下完成程序的设计、调试和编译。Pro/TOOLKIT中最基本的概念是对象和动作。Pro/TOOLKIT的对象实质上是一种类型为结构体的数据，每个对象有一个由“Pro”加描述对象的大写字母组成的标准名，我们可以把这些对象分成两类：一类对象本身就是Pro/Engineer Wildfire数据库中的一个项，例如：P

10、roSurface曲面对象；另一类对象是抽象或临时对象，如调用有关选择操作时用来保存选择结果的数据对象。动作是指对特定的Pro/TOOLKIT对象执行的某种操作，动作的执行是通过Pro/TOOLKIT函数库提供的C函数来实现的。与动作相关的Pro/TOOLKIT函数命名约定为：Pro+对象名+动作名。表示“对象名”和“动作”的英文单词首字母用大写表示，例如：ProSolidRegenerate ( )（实体再生）。3.2箱体零件CAD系统的实现3.2.1源文件编写源文件包括资源文件和程序文件。资源文件包括菜单资源和对话框文件。菜单栏菜单资源文件编写：将编写好的菜单文件保存成以“*.txt”格式

11、的文本文件程序源文件的编写：使用C/C+语言编写，是整个程序开发的核心部分。该过程要创建动态连接库文件，选择“动态库连接使用共享MFC DLL”选项。3.2.2 程序的编译和连接设置头文件包含路径Pro/TOOLKIT头文件位于protoolkit/include文件夹下，在VC的集成开发环境中选择“工具/选择”，打开选择对话框，进行设置。设置库文件路径方法同，库文件位于protoolkit/i486_nt/obj文件夹下。设置连接所需库文件在“project/settings”菜单下，设置图链接文件，在“分类”选项中选“Link”其中mpr.lib为VC+系统的静态库链接文件，protk_d

12、ll.lib为Pro/TOOLKIT所需的静态库链接文件。由于没有采用Pro/TOOLKIT提供的make文件生成应用程序，在VC+环境下直接连接会出现报错而不能生成DLL文件，因此要设定强制文件输出。3.2.3 应用程序注册注册文件是一个记事本文件。制作一个“protk.dat”的注册文件，通过这个文件向Pro/E提供Pro/TOOLKIT应用程序的相关信息6。这样才能使Pro/TOOLKIT应用程序加载到Pro/E环境中，并在其中运行。3.3箱体零件CAM系统的实现Pro/E目前已在制造业中得到了广泛的应用，但在NC程序设计环节中操作比较复杂，特别是需要人工方式输入大量的参数，工作量很大，

13、从而影响了系统的使用效率。通过对Pro/E NC加工中的二次开发技术研究，在Pro/E进程中加入交互菜单，通过菜单实现对外部刀具数据库的访问，实现刀具参数的自动输入，大大减轻了操作人员的工作强度，减少了错误率，同时提高了NC编程的效率。3.3.1 建立切削刀具库文件根据Pro/NC模块中的车、铣加工类型，主要用Access数据库创建这两类加工的相关数据库（车削刀具库和铣削刀具库），并通过ODBC接口来访问数据库。本系统以铣削刀具库为主要工作。 在Pro/NC刀具设置对话框中，根据询问提示的内容输入各种刀具参数。利用Access建立名为“铣削刀具库”文件，其中包含多个不同类型的表格，并将各种刀具

14、的参数按照表的格式进行设置。将铣削刀具库中各种类型的刀具表格转换成记事本文件格式，即可供Pro/E在设计NC序列时直接调用。设置数据源（ODBC），用于应用程序访问前面所建立的切削刀具库。3.3.2 刀具库的访问编写以*.txt为后缀的菜单文件，创建Pro/WildTapOutput.dll文件（该文件用来最终访问切削刀具库），利用Pro/TOOLKIT实现菜单的添加。设置Pro/E的启动目录修改属性、设定Pro/TOOLKIT的头文件路径，编写注册文件，注册运行应用程序，建立访问铣削刀具库文件。4 系统运行验证导入参考零件，进行必要的特征加减和参数修改与设置，运用建立的CAD系统完成某箱体零

15、件的实体造型设计；根据加工工序，在NC序列的设置过程中，系统弹出刀具设置对话框时，通过添加的菜单，启动访问外部刀具库程序，完成刀具参数的调用，并根据实际加工条件对刀具参数进行必要的修改，如此完成整个箱体零件的加工内容设置。执行后处理程式，生成指定数控机床的NC代码和NC检测。经过刀具路径模拟和加工仿真验证，生成的数控程序完全正确。5 结论在Pro/TOOLKIT开发环境下，利用基于特征的零件信息描述方法，可有效地实现集成环境下零件信息的识别、整理、传递，提高了系统的集成化程度。利用Pro/E提供的数据库和Pro/TOOLKIT提供的接口函数进行开发，可实现在Pro/E下环境下的一体化操作与数据

16、共享。主要参考文献：1 朱正心机械制造技术 机械工业出版社，20042 陆鑫Delphi 3入门与提高北京航空航天大学出版社，20043 Chant, A; Wilcock, D Determination of IC engine inlet port geometries by reverse engineering. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 1998,14(1):65-694 李世国Pro/TOOLKIT 程序设计机械工业出版社，20035张岳新Visual C+程序设计兵器工业出版社，200

17、56赖朝安 ，李振南等Pro/E二次开发的关键技术机械设计与制造，2001，(1)：4345作者简介：陈 军(1971)，男，山东莱芜人，硕士，讲师，主要从事机械设计理论、数控编程与应用。孙召瑞（1970），男，山东莱芜人，硕士，副教授，主要从事数控编程技术。Research of the Designing and Processing Techniqueof the Trunk Parts Based on CAD/CAMLaiWu Vocational Technology CollegeCHEN Jun SUN Zhao-Rui Shan Dong LaiWu 271100Abstract：In order to advance the process precision and short the designing period of the product, employing the modern method and theory of the designing and manufacture and the CAD technique based on Pro/E. At the same time, the three-dimensional substantiality is achieved wit