一种基于特征的车桥CAPP系统 - 文章

一种基于特征的车桥CAPP系统

作者：吕吉平郭世永刘国军

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计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning：CAPP)是指在一个制造系统中，用计算机来确定采用一系列的加工方法，安排加工顺序，进行机床和工夹量具的选择并组织加工，最后将毛坯转变为零件产品的一种设计方法[1,2]。它是联系上游产品设计和下游产品制造加工的桥梁，是把产品由概念设计转化为实际生产的关键。它不仅可以提高工艺设计的效率和质量，缩短技术准备周期，而且可以使工艺设计规范、标准。此外。采用CAPP技术还能充分发挥计算机高速处理信息的能力，并融专家经验和集体智慧于系统之中，克服个人经验的局限性，实现工艺规程设计的合理化和自动化[3,4]。

汽车的需求越来越多样化，其产品趋向于多品种、小批量生产，产品信息爆炸性增长，所以汽车企业必须加快信息化进程，而CAPP软件正好适应这种趋势。笔者以车桥的加工制造为基础进行CAPP系统的应用研究。该系统可实现车桥制造加工中的计算机辅助工艺设计，能形成工艺流程卡、工序图、工序卡等标准规范且高质量的车桥工艺文件，缩短生产准备周期，并使广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解脱出来，从而为企业带来可观的经济效益。

1 系统总体设计

在目前的特征CAD／CAPP系统中，一般选择零件的设计或制造单元作为特征进行处理。对于车桥零件，其特点是结构复杂，但加工工序相对固定，具有较多的相似性。选择特征作为零件信息描述方法，可使系统易于实现且稳定可靠。

(1)零件特征信息模型研究车桥的几何特征和工艺特征，利用特征技术构造面向车桥零件的特征信息模型，并根据这一模型实现零件信息的输入。不仅参数化地绘制出零件图形，而且能全面满足工艺决策对零件信息的要求，实现与零件图形CAD的集成。

(2)工艺决策过程模型收集、整理车桥零件工艺规程设计的技术理论和经验方法，以成组技术和专家系统思想为指导，研究车桥零件工艺设计知识的总结与表达。构造一个基于特征的工艺决策过程模型，以实现加工方法的选择、工序／工步的生成和工艺路线的安排。

(3)工序图生成规则基于零件分组和工艺设计规则，利用已绘制好的零件图并根据所输入的工序特征及参数调用工序图数据库中的相应信息，再以人机交互的方式进行必要的编辑处理，从而实现包括工序图在内工艺文件的生成，同时为数控程序的编制作好数据准备。

2 关键技术及方案

在研究车桥CAPP系统过程中，主要针对系统的几个关键技术和现有方法存在的问题提出相应的解决方法，使系统更简明、适用，能更好地满足企业生产需求。

(1)车桥零件的特征建模[5]

计算机中零件模型就是一种数据结构，它要完整记录零件的所有信息，且操作方式应该有利于系统的操作处理。在CAD／CAPP集成系统中，CAD应具备2种功能：①能以适当的手段建立零件的几何模型并绘制图形；②能为CAPP提供可识别的零件特征信息。以便正确做出工艺决策。但是，通用的CAD系统只具有绘制图形的功能。它以点、线、面作为单元要素来绘制图形．而这些点、线、面却不能被CAPP所识别，更谈不上为CAPP提供什么信息，即一般通用的软件不具备第2种功能要求。必须寻求建立一种新的CAD模型。

从图形学的角度讲，任何一个机械零件的图形都是由若干个基本几何形体组成的组合体；从加工制造角度讲，零件的机械加工过程是对零件各组成基本几何形体表面进行逐个加工的过程。可见，基本几何形体是二者均能识别且能共享的单元要素。因此，几何造型采用特征建模，先建立基本几何形体的几何模型即特征形索，而后由特征形衰来构造整体零件的几何模型。

机械CAD系统中的几何造型已从二维发展到三维实体建模，发展趋势使所建立的模型包含有更多的信息。在特征建模中，一个特征就是由一系列参数定义的几何形体，而这些参数对于设计和制造工程师来说，都具有特定的含义。特征建模是一个过程，在这个过程中，先将组成零件的基本特征参数化，然后用参数化的特征来对零件进行具体描述。特征建模的特点是根据特征建立几何模型，除几何信息外，把与特征有关的各种非几何信息附加到几何模型上。在车桥零件CAPP系统中，特征形素就是这样的几何模型。例如：圆孔特征形素，既包含了零件所具有的最终几何形状的概念，还包含了一系列几何和非几何(如工艺)信息。

特征建模提供了一个完全参数化设计的“自然”方法，它使参数间相互关系的捕获与管理更为方便。根据车桥零件的几何特征和车桥零件的具体结构特征，将其特征分为形面特征、技术特征和管理特征，其中形面特征又划分为4大类：主特征、辅助特征、表面特征和端面特征；然后将表面特征和端面特征叠加到主特征之上，依据主特征和辅助特征建立零件的基本几何模型，再将对应于每个形面特征的技术特征和管理特征附加到基本几何模型之上。特征在进行分类后，应分别进行编号，便于信息在计算机内的存取、编辑和使用。

(2)系统中CAD／CAPP信息集成方案[3,6]

本系统的CAD设计部分采用的是基于特征的方式，通过数据库进行数据交换，利用Auto CAD提供的ASI(Auto CAD SQL Interface)接口函数，实现Auto CAD和外部数据库之间的双向交换，这就把CAD过程中的数据组成单独的数据库，独立进行管理。系统中建立了一个车桥零件特征库，库中包括特征图衰、对应各种特征的特征代号和特征参数等。对每个特征建立一个参数化绘图函数，在进行零件CAD设计时，用户调用特征图素中的各种特征，输入特征参数，调用特征图素文件，生成特征图形，再按照位置关系运用布尔运算拼合成零件图形，完成零件的参数化造型设计。数据库方法将程序与数据相对独立，减少了各程序模块间相互依赖性，修改或增减一个模块也不会影响到其它模块，且提高了管理效率。

实现CAD／CAPP集成应以两系统间的数据直接传递为目标，也就是说在CAPP系统中，零件信息应直接从CAD系统读取，CAD系统将零件层的表头信息和特征层的表面特征及尺寸等参数信息按CAPP所储的形式存人以零件名称命名的数据文件内。

CAPP系统中具有读取CAD零件加工数据的接口模块，该模块的功能是读取CAD系统生成的零件加工信息数据。并建立相应的框架，以形成CAPP内部对零件的描述，为系统的决策提供依据。CAPP系统在进行零件工艺设计时，只要输入零件名称。系统便可从相应的数据文件中自动读入该零件的设计信息，并建立CAPP系统内部零件描述框架。然后CAPP系统的工艺过程决策模块就根据已建立的零件框架中的数据。应用工艺决策知识与数据，选择零件的表面加工方法、确定加工路线及机床、工装夹、切削参数等。CAPP内部对零件描述框架的基本思想是：将车桥零件的特征层作为描述零件信息的基本单元，给特征中的每一类建立一个框架系统，在系统读人CAD系统所产生的数据文件时，每读一行，按该行的特征类型代号标识填人相应的基本特征类型框架中，待文件中数据读完，该零件的模型就建立完成，CAPP系统读人零件数据文件的流程框图，如图1所示。

图1 系统读人零件数据流程

3 数据库系统的设计

建立数据库是本系统设计的第1步，是最重要的一步。其关键是弄清和理顺车桥的各种特征及它们之间的相互关系。并通过编程语言对其进行访问。主要内容包括：特征数据库、图库、刀具库、夹具库、机床库、工艺知识库等。在建立数据库时，系统采用多表小表的方式，数据表与数据表之间通过关键字进行链接，且各关系模式按第三范式的原则进行优化处理，从而降低冗余，保证数据的共享性、一致性、可扩充性。

4 车桥CAPP系统的结构

车桥CAPP系统由用户管理模块、信息输入模块、建模调用模块、工艺设计模块、工艺文件编辑模块、工艺知识／数据管理模块、打印输出等模块组成。

(1)用户管理采用权限控制体系，将所有访问者的权限分为3种：管理、工艺和一般人员。管理人员权限最高，可进行一切系统操作；工艺人员可对工艺数据库进行操作，一般人员只能进行工艺过程的查询、工序卡的输出等操作。这样可以保证系统的安全和稳定，便于信息共享和信息集成。

(2)信息输人在Auto CAD环境中，提供基于特征的人机交互式零件信息输人人机界面，通过特征拼合，完成零件图形的绘制，同时将零件的总体信息和各特征的数据存储在数据库中，并随时对特征进行增加、删除、修改等操作，使输入零件信息直观、快捷。

(3)建模调用调用基于特征的零件信息，在系统中构建起被设计零件基于特征的零件信息模型。

(4)工艺设计利用工艺规则和数据库进行工艺设计，工艺设计的主要过程将自动进行。该模块主要包括生成工序／工步，选择加工设备，安排加工顺序，选择刀具，确定切削参数及生成工序图等步骤。

(5)工艺文件编辑提供工艺文件全方位管理和维护，它包括：①工艺文件的入库和查询；② 表格式工艺文件编辑器，提供方便的工艺文件编辑手段。用于快速方便地编辑或输人工艺文件。

(6)数据管理数据管理包括：①提供资源数据管理器。以完成对各种资源数据的维护与管理。资源数据包含设备、刀具、夹具、量具及辅具，还有公差、材料、切削用量等；② 提供工艺数据管理器，以完成对工艺数据的维护与管理，生成各种统计报表。

(7)打印输出将系统生成的工艺文件写人以模块形式存在的空白工艺卡中，同时将工序图插人相应的位置，形成适合于生产应用的完整的工艺卡片。这些卡片显示在AutoCAD环境下，可方便地打印输出，完全满足实际应用的需要。

5 结束语

本系统使用Delphi 7．0开发，在Auto CAD环境下进行特征建模，采用SQL Sever数据库管理系统。在综合分析CAPP信息输人的基础上，采用了通用的商品化软件Auto CAD来构造车桥零件的信息模型，将Windows编程技术与Auto CAD开发工具(ActiveX)相结合，通过特征拼合在Auto CAD环境下实现了车桥零件的参数化绘制；采用Auto CAD下的数据库接口(AS1)技术，将零件图形与特征数据库联系起来，在绘制零件图形的同时形成了可用于工艺决策的零件特征数据库。提高了CAPP系统中零件信息的输人效率，实现了CAD／CAPP的集成。

参考文献：
[1] 谭浩强．机械CADICAM技术基础[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[2] 孙春华．CAD／CAPP／CAM技术基础与应用[M]．北京：清华大学出版社。2004．
[3] 颜永年．先进制造技术[M]．北京：化学工业出版社。2002．
[4] D．Lutters，Eten Brink。A．H．Streppel．Computer aided process planning for sheet metal based on information management[J]．journal of materials processing technology，2000(103)：120—127．
[5] 周俊卿．特征技术在CAPP中的应用研究[D]．南京：南京理工大学，2004．
[6] 刘文剑．CAD／CAM集成技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2000．
[7] 刘瑞新．Delphi数据库程序设计教程[M]．北京：机械工业出版社．2004．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/4/2006)


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