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基于集成的CAPP系统工序图的自动生成 |
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作者：易飚 徐遵 |
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引言
现代机械制造正向着集成化、智能化的方向发展，CAPP系统作为CIMS系统的一个重要组成部分受到广泛的重视。现有的一些已开发的CAPP系统多省略了工序图这一环节，这对于结构简单的回转类零件不会有太大的影响，但对加工复杂的箱体类零件时，只用工序的工艺规程文件描述的工艺内容繁多、可读性差。这时就突出体现出简洁、直观的工序图的重要性。工序图的自动生成子系统作为CAPP系统的一个重要环节，也是其实现标准化、实用化的关键技术之一。它克服手工绘制工序图效率低、工作繁琐、标准化程度差的缺点，提高工艺设计的效率和质量，实现工艺设计的标准化和现代化。近年来，研究人员进行了大量的研究和实践，采用各种方法开发了工序图生成的子模块，力图使CAPP系统更加完善、实用。
CAPP系统工序图的生成过程是一种图形创成过程，即综合零件的输入信息、加工信息，由计算机自动生成工序图形数据。因此，对于工序图自动生成的质量与速度，首先就取决于对零件信息描述的完整性、全面性、准确性。
1 零件的信息描述
零件特征信息包括两个方面，即零件的几何信息和工艺信息。零件的几何信息包括零件的形状、尺寸等；零件的工艺信息则包括各表面的精度、粗糙度、零件所需的热处理、零件所用的材料、毛坯类型等。目前，CAPP系统的零件信息描述与输入主要有三种途径。
根据零件图纸，把图纸要求转化为数据信息输到计算机中，即人机交互方式。这种方法常见的有零件分类编码描述法、形面要素描述法、图论描述法、拓扑描述法、知识表示描述法等。这几种方法各具特色，可对零件进行比较详细的描述，并为现有的CAPP系统所应用，但以上的方法普遍存在零件信息描述困难、复杂等缺陷，而且需人工干涉，描述时间长，严重影响CAPP系统的效率，因此在集成化系统中不可取。
工程图纸的自动识别：即将工程图纸利用现有的图形输入设备(摄像机、扫描仪等)输入到计算机，并获得灰度或二值图像，然后利用图像处理、人工智能等多种技术和方法对工程图进行一系列处理，自动将机械工程图纸中的图形、文字和符号信息转换到CAD／CAPP／CAM系统中，并进行实体重构。这种识别方法可以充分利用设计院和工厂的工程图纸，在新产品开发中可重复使用和参考，而且也可以为CAPP、CAM系统提供必要的几何、拓扑信息。目前，主要采用从识别尺寸标注开始，在像素层次上扫描和整体识别的全新技术。可是由于算法复杂，工程庞大，现阶段在处理速度、可靠性、实用性等方面很难达到要求，但这种方法具有很好的前景。
直接与CAD连接，即CAPP直接获取经过CAD而得到的关于零件的信息，经处理形成CAPP系统所需要的几何及工艺信息。随着特征这一概念的提出，目前，CAD系统不再是CSG／B-rep之类的纯几何表示，而是采用特征造型技术，建模元素不再是点、线、圆等，而是以特征为基本元素的特征模型。这样CAD输出是以形状特征为叶节点的零件树CAD系统。零件信息模型是采用一种分层特征描述法，即特征模型是面向整个设计和加工过程，它能够准确地、完整地、全面地描述零件生成过程的各个环节所需的信息并以特征为知识单元。从工艺的需求出发，零件的分层模型包括四个层次如图1所示。
图1 特征模型的分层结构
这个特征模型的信息描述中含有以下的信息：
形状信息：构成形状特征的形状参数、结构参数、定位参数以及特征面集。
尺寸公差信息：尺寸按功能分有位置尺寸、形状尺寸，公差有尺寸偏差、形位公差和表面粗糙度等。
关系信息：特征间依赖关系、参数继承关系、定位关系(定位基准、定位尺寸等)以及引用关系等。
应用过程信息：设计制造方法、材料、热处理和辅助处理等。
这种信息描述方法可以直接利用CAD的资源获得所需的工艺信息、加工信息、几何信息。避免了信息的冗余性，也使信息在整个生产过程中一致，是集成最理想的方法。但由于统一产品模型定义的复杂性，以及有许相关技术发展的不完善性，现在采用这种方法仅仅局限于某些具体的零件。
2 工序图的自动生成
以上述几种零件信息的描述与输入方法为基础，工序图的生成有如下几种方法。
2．1 成组代码法
这种方法以零件的GT代码为依据，从预先建立的图素库中检索出相应的图素要素进行拼合而成。由于成组编码技术已经13趋成熟，因此这种方法被广泛应用。采用这种方法关键在于：必须面对CAPP系统要处理的零件，经大量收集、整理建立一个结构完整，图素内容丰富的图形要素模块库，才能满足各种结构零件的需要；在图形要素拼和时，一定要精确确定图形要素的起始和终止坐标，以防拼合发生错位和混合；必须制定正确的拼合顺序。此法对于零件种类单一、结构特殊、不易建立通用绘图子程序的零件更为有效。
2．2 参数化图素法
根据参数化绘图的原理，将零件的图形要素分离成图素单元。针对某种图素单元，编写一个绘图子程序。这些子程序在一起就形成了CAPP工序图自动生成软件的子模块。信息的输人采用参数化图素法，输入参数的数据结构为：形状特征参数表具体操作是依据加工工序、工步内容进行图素交换和尺寸交换，然后根据参数表中的具体数据绘制出相应的图形。图形交换：在工艺文件编制过程中随加工工艺、工步的安排及加工方法的确定，图素的变化也同时完成，并逐步递进，直至到达图纸设计要求，将某阶段的图素信息提取重构，即可形成阶段加工状态图形要素综合。通过各个工序、工步切削用量，加工余量，切削基准与相对尺寸等信息的提取及相关尺寸换算，即可得到工艺过程各个状态下的图素尺寸信息。工序图的生成：通过图素和信息图形的转换生成1：1的工序、工步图，通过进行适当的缩放，以一定的图幅存储。这种方法适于零件不太复杂，又比较容易将零件图分解成图素单元，而且图素单元的绘图子程序又容易实现参数化的情况(如轴类零件)。
2．3 数学模型法
该方法的基础是要建立各类零件的数学模型。它利用成组技术对零件进行分类，然后为各类零件建立一个综合零件，针对各综合零件的具体情况进行反复研究、分析、归纳和概括，抽象出数学模型。工序图生成系统根据已建立的数学模型，采用相对增量和绝对增量相结合的方法，对零件的图纸输入信息和每道工序对加工表面进行改变的信息处理，作为自动生成工序图中每个几何要素的空间矢量数据信息，然后再把其自动生成为几何要素的空间数据模型信息，最后就自动生成了该道工序的工序图。利用这种方法开发的工序图绘制软件适用性强，但抽象概括的数学模型是该方法实现的关键技术，其好坏直接影响工序图的质量。
2．4 基于特征的图形生成
自1978年美国麻省理工学院机械工程系的一篇学位论文《CAD零件的特征表示》提出特征技术以来，由于利用特征来完整地描述零件信息易于实现设计系统与制造系统的信息共享与交换等优点，因此，目前国内外都在致力于基于特征的工序图的自动生成研究。
基于特征的工序图的设计方法，从特征分类出发，应用专家系统设计方法，实现特征组合。一个零件是从毛坯一道一道工序加工而成的。把工序图子系统首先读取的产品定义信息建立为特征信息流，而把每道工序产生的信息建立为工艺信息流。工序图子系统将根据特征信息流，从工艺信息流中最后一道工序向前推理，得到包含工件各个特征几何信息与工艺信息的工艺信息流，然后调用预先建立的特征图形库，利用特征拼合法将各特征拼合在一起，自动生成工序图。
此外，在特征的基础上，也可以将特征用绘图属性集来描述，它包括特征内属性集，特征间属性集和其他属性集。工序图自动生成过程是在前一道工序的基础上，将该道工序所加工的特征表面以特征的形式替换或添加到其中。其工艺设计结果中的工序图以统一的形式存储于数据文件中，其形式如下：
工序号 终位码 起位码特征代号 特征绘图子程序 绘图属性
基于特征的图形生成具有较好的扩充性与基于特征的零件信息描述相对应，便于工艺设计自动化的实现，而且适用于所有的回转类零件和非回转类零件。
3 结论
CAPP系统工序图自动生成始终是一个影响系统实用化的关键技术之一，它融CAD、CAPP系统中的工艺规程提供的设计和制造信息为一体，且能为CAM提供加工动态模式(如刀具路径模型)的信息。但是，现在国内外在这方面的研究还很有限。因此，开展基于集成的CAPP系统工序图自动生成的研究，具有很重要的理论意义和现实意义。(end)
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(6/22/2009) |
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