机械设计及理论硕士论文-基于ProENGINEER的注塑模零件工艺决策研究.pdf

浙江大学 硕士学位论文 基于pro/engineer的注塑模零件工艺决策研究 姓名：刘震宇 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：王耘;胡树根 20050101 浙i c 大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着c a d c a m 技术在模具工业中的推广应用，利用汁算机技术改变模具行业 中传统的工艺设计方式，使c a p p 在模具c a d 和c a m 中起到真正的桥梁作用，正成为 现代模具制造技术研究的热点。 为改善注塑模具的零件信息从设计到制造过程中流动的连贯性，加强r 艺设 计过程中的信息化程度，提高模具工艺设计效率，本文针对注塑模具零件c a p p 中的两个关键技术问题加工特征信息提取与工艺决策进行了以下研究： 本文在对p r o e 环境下的模具零件建模特点进行分析总结的基础上对迥料 模具零件的加工特征进行了系统分类，得到模具零件加工特征的预定义特征库： 提出了在对p r o e 环境下采用特征映射和人机交互定义实现模具零件由设计特征 到加工特征的转换的混合方法，解决了p r o e 模具设计环境下模具零件c a d c a p p 集成问题，完成了零件加工特征信息提取。 针对零件规工特征信息的单特征描述方法对于零件的特征阀信息描述的不 足，本文使用关联特征约束来描述零件各个特征间的工艺约束条件，并分析了关 联特征约束对工艺决策的影响。通过将关联特征约束引入工艺信息描述，得到零 件的综合信息模型。 为解决零件工艺规划中的“瓶颈”问题零件工艺路线决策问题，本文使 用零件典型加工路线来表达加工决策中的工艺约束要求，将关联特征约束引入零 件工艺决策，提出了一种基于综合信息模型的工艺路线决策算法，并使用遗传算 法予以了实现。 最后，在上述理论方法的基础上，本文在p r o t 0 0 l k i t 环境下使用m sv c6 0 开发出了m o l d a p p s 原型系统，该系统完成了计算机辅助工艺设计的核心部分 加工特征信息提取和加工工艺路线决策两部分的工作，并通过实例验证了论文所 述方法的有效性。 本文的特色和创新之处在于：l 、在对模具零件加工特征进行系统分类的基 础上，提出了一种在p r o e 环境下实现模具零件加工特征提取的方法，对希望从 事模具c a d c a p p 系统集成的研究人员具有一定参考价值。2 、提出了零件综合信 息模型概念以弥补单特征描述对零件工艺信息描述的不足。通过使用关联特征约 束来描述零件特征问的工艺约束，将关联特征约束引入所提取的加工特征信息， 德烈零件蛉综合信息模型。3 、提出了一种针对模具零件的捐工工艺路线决策算 浙江大学硕士学位论文 摘要 法。本文使用零件典型加工路线来表达工艺路线排序中的工艺约束要求，在分析 了关联特征约束对工艺决策影响的基础上，将关联特征约束所产生的相关规则引 入零件：( 艺决策，提出了一种基于综合信息模型的工艺路线决策算法，并使用遗 传算法予以了实现。 决策 关键字：注塑模具，特征映射，加工特征，关联特征约束，遗传算法，工芑= 浙江大学硕士学位论文摘耍 a b s t r a c t w 砘t h ep o p u l a r i z a t i o no fc a d c a mi nd i e & m o l di n d u s t r y ，t oe m p l o yc a p p i nc h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lp r o c e s sp l a na n d m a k i n g ar e a li n t e g r a t i o no f c a d c a mi s n o wb e c o m i n gar e s e a r c hf o c u si nd i e & m o u l dt e c h n o l o g y i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n s i s t e n c yo f i n f o r m a t i o nf l o wf r o m 岫e c t i o nm o u l d d e s i g nt op r o d u c t i o na n dt oe n h a n c et h ea u t o m a t i o no f p r o c e s sp l a n ，t h ea u t h o rm a d e a r e s e a r c ho nt w ok e y t e c h n o l o g i e so fi n j e c t i o nm o u l dc a p p ：i n f o r m a t i o nr e t r i e v a l f i o mc a da n dp r o c e s sr o u t i n ed e c i s i o n t h er e s u l t sa r el i s t e db e l o w ： f i r s t l yt h ea u l h o ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i cm e t h o do f p a r tm o d e l i n gi np r o e s m o u l d - d e s i g nm o d u l e b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h em a c h i n i n gf e a t u r e so f i n j e c t i o nm o u l dp a r t sw e r ec l a s s i f i e da n dt h ep r e d e f i n i t i o no f t h em a c h i n i n gf e a t u r e s w e r eg i v e n ah y b r i dm e t h o d ，w h i c hc o m b i n e sa u t o m a t i cf e a t u r ec o n v e r s i o nw i t h i n t e r - a c t i v ed e f i n i t i o no f f e a t u r e ，w a sp r e s e n t e da n di m p l e m e n t e d t h em e t h o dc a n r e t r i e v et h ei n f o r m a t i o no f m a c h i n i n gf e a t u r ee f f e c t i v e l yt h u st os o l v et h ep r o b l e mo t c a d c a p pi n t e g r a t i o n f o l l o wr e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d eo nt h eb o t t l e n e c ko f c a p p ，t h ep r o c e s s r o u t i n ed e c i s i o no f p a r t ： a i m e da tt h el i m i t a t i o no f c h a r a c t e r i z a t i o no f p a r t si n f o r m a t i o nf o rp r o c e s sp l a n u s i l l gs i n g l e f e a t u r er e p r e s e n t a t i o nm e t h o d ，t h ec o n c e p to fi n t e r - f e a t u r ec o n s t r a i n t s w a s p r e s e n t e d t h eb a s i ct y p e so fi n t e r - f e a t u r ec o n s t r a i n t sw e r ec l a s s i f i e da n dt h e e f f e c t so fe a c ht y p eo np r o c e s sr o u t i n ed e c i s i o nw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l a n a l g o r i t h mb a s e d o nc o n s t r a i n t s - m a t c h i n gw a sp r e s e n t e dt os o l v et h ep r o b l e m o f p r o c e s sr o u t i n ed e c i s i o n i nt h i sa l g o r i t h m ，t h ec o n s t r a i n t so f g e n e r a lm a c h i n i n g p r o c e s sa l er e p r e s e n t e db yas t a n d a r dp r o c e s sr o u t i n ea n dt h ei n t e r - f e a t u r ec o n s t r a i n t s a r ec o n s i d e r e d 嬲ap u n i s hf a c t o r t h ea l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e du s i n gg e n e t i c a l g o r i t h ma n dt h er e s u l tw a st e s t e d f i n a l l y o nt h eb a s i so f t h e o r i e sm e n t i o n e da b o v e a ni n j e c t i o nm o l d i n gc a p p p r o t o t y p es y s t e mw a sc o m p l e t e da n dt h em a i np r o b l e m so f c a p p ：i n f o r m a t i o n r e t r i e v a lf r o mc a da n dp r o c e s sr o u t i n ed e c i s i o nw a sa c c o m p l i s h e di nt h es y s t e m 1 1 l ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n n o v a t i o n so f 廿l i sp a p e ra r e ：f i r s t l y b a s e do nt h ed e t a i l c l a s s i f i c a t i o no f m a c h i n i n gf e a t u r e so f 蝎e c t i o nm o u l dp a r t s ，ah y b r i dm e t h o d ，w h i c h c a nl - e t r i e v et h em a c h i n i n gf e a t u r ei n f o r m a t i o no np m e sm o l d - d e s i g nm o d u l e w a s g i v e n s e c o n d l y ，t h ec o n c e p to f i n t e r - f e a t u r ec o n s t r a i n t sw a sp r e s e n t e dt oo v e r c o m e t h el i m i t a t i o no f p a r t sr e p r e s e n t a t i o nu s i n gs i n g l e - f e a t u r em e t h o df o rp r o c e s sp l a n t h 醐l y ，a l la l g o r i t h mb a s e do nc o n s t r a i n t s - m a t c h i n gw a sp r e s e n t e d i nt h i sa l g o r i t h m ， 3 浙江大学硕士学位沦文摘要 t h ec o n s t r a i n t so f g e n e r a lm a c h i n i n gp r o c e s sa r er e p r e s e n t e db yas t a n d a r dp r o c e s s r o u t i n ea n dt h ei n t e r - f e a t u r ec o n s t r a i n t sa l “ ec o n s i d e r e da sap u n i s hf a c t o r t h e a l g o d f l t mw a si m p l e m e n t e du s i n gg e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h er e s u l tw a s t e s t e d k e y w o r d s ：i n j e c t i o n m o u l d ，f e a t u r ec o n v e r s i o n ，m a c h i n i n gf e a t u r e ， i n t e r - f e a t u r ec o n s t r a i n t s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，p r o c e s sr o u t i n ed e c i s i o n 4 学号兰! 兰! 翌! 生兰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同丁作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：动l 露旁 签字日期： 。歹年刁月4 - f l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全r 解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝垒盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：匆17 蠡戽 导师签名 象弓 签字日期：口芍年? 月年日签字日期：。i 年弓月弓曰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：啼半，商讯孵i 与宿僻，五司上淳研苫啼一电话： 占j ，一6 彤j 驴孕 通讯地址： 上i 丢中哮；亏哈g s 7 刍 邮编：j 。7 m 刁 1 形 ， 浙江大学硕士学位论文 第一璧绪论 第一章绪论 本章简要总结了注塑模具计算机辅助技术，分析了传统的模具工艺设计方法 的弊端，介绍了注塑模具计算机辅助工艺设计研究现状和热点；重点分析了其中 特征技术和工艺决策方面的研究现状，指出了现有技术研究中存在的不足，最后 确定了课题的研究平台和研究内容。 在现代社会，塑料制品的使用越来越广泛，在很多方吼，它已成为金属制品 的替代物。塑料模具作为成型方式中的一种，是家用电器、汽车和航空航天等领 域中塑料制品的重要生产工具。由于模具成型方式具有生产效率高，产品质量稳 定。可节约材料及生产成本低等特点，发展模具工业已成为当代促进塑料制品及 机电产品优质廉价生产的重要手段，随着国民经济的高速发展和模具使用的日益 广泛，模具工业已成为国民经济的重要基础工业。 1 1 课题背景与意义 1 1 1 注塑模具c a d c a m 技术 传统的注塑模设计与制造一般分为塑件设计，模具设计和制造，试模和修模， 注塑生产这四个阶段。其设计制造流程如图1 1 所示”。 图1 1 传统的注塑模设计制造流程 传统的注塑模设计是以经验为主，不断试探的过程。它主要依赖于设计人员 的经验和工艺人员的技巧，设计合理与否只有通过试模才知道，制造的缺陷主要 依靠反复修模来纠正。这不仅难以保证模具的质量，而且使模具的设计与制造的 周期过长，质量不稳定，成本离，特别是对于大型精密、复杂的中高档模具，问 题更为突出。显然这种传统的模具设计制造方法已不能满足现代模具生产的需 要。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 随着计算机技术的迅速发展，为了提高塑料模具的质量，缩短模具的设计和 制造周期，发达工业国家从2 0 世纪8 0 年代中期就开始r “泛使用注塑模 c a d ，c a e c a m 技术，从而彻底改变了传统的注塑模设计和制造方式。 利用c a d c a e c a m 技术设计和制造注塑模的流程如图1 2 所示”。 图1 2 利用c a 功，c a e c a m 技术设计制造注塑模流程 从六十年代中期到七十年代中期，英国、美国、加拿大的学者就开展了注塑 模计算机辅助系统的研究。经过2 0 多年的科学研究，注塑模c a d c a e c a m 技 术进入了实用化阶段，出现了许多适用于注塑模的商品化c a d c a e c a m 系统。 在国际上具有代表性的通用c a d c a m 通用软件，包括法国达索( d a s s a u l t s y s t e m ) 公司的c a t i a ，美国e d s 公司的u r t i g r a p h i c s ( u g i i ) ，美国p t c 公 司的p r o e n g i 辩c r ( p r o e ) 等，都有专门针对注塑模具设计与制造的模块。专用 的注塑模具c d c e ，c a m 系统有美国a ct e c h 公司的商品化软件c m o l d ， 澳大利亚模具流动公司的m o l d f l o w ，德国i k v 塑料工程研究所的c a d m o u l d 以及美国s d r c 公司的流动分析软件p o l y f i l l 等。 国内模具c 觥胱加的研究起步较晚，从7 0 年代末期才开始这方面的 研究工作。经过多年的研究，也取得了很好的成果。上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心研究、开发出了一批具有国内先进水平的c a d c a e c a m 通用软 件，其中包括塑性成形数值仿真系统、冲裁模c a d c a e 系统等。华中理工大 学模具国家重点实验室开发了注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 2 0 ，它以 a u t ( ) c a d 为平台开发而成，包括模具结构设计、结构工艺参数计算校核、塑料 注射流动、数控线切割编程等模块。另外，北京航空航天大学、合肥工业大学、 大连理工大学、郑州工业大学等在注塑模c a d c a e c a m 系统研究方面也做了 许多工作。 浙江大学硕十学位论文第+ 章绪论 1 1 2 计算机辅助工艺规划( c a p p ) 模具是一种典型的面向订单的单件产品，几乎每一次生产都带有试制性，需 要经过设计、劁造、试模、修模的多次反复。虽然现在的大部分企业在模具设计 与制造中应用了c a d ，c a m 软件，但其零部件的工艺设计还停留在传统的工艺人 员手工编制的水平上，工艺文件的质量主要取决于工艺人员的经验。这些状态越 来越不适应模具企业的现代化生产和管理要求，存在的问题主要有( 2 ) ： 1 ) 工作效率低。在工艺规程设计中，工艺人员花费在书写j 二艺文件上的时 间占3 0 。每个零件的工艺内容必须重新填写，不能有效地利用原有的设计方案。 2 ) 工艺规程一致性差、质量不稳定。工艺规程设计质量完全取决于工艺人员 的技术水平和经验，工艺标准化程度低。 3 ) 存在大量重复性劳动。生产每个产品都要重新设计一个艺规程，不能_ 危 分利用过去已有的工艺规程。 4 ) 对工艺设计人员的要求高。模具工艺设计时，涉及的内容多，经验依赖性 强，年轻的工艺设计人员很难在短时间内胜任设计的任务。 5 ) 工艺信息管理困难。工艺设计的结果以工艺卡片的形式输出，数据分布在 不同卡片上，分布零散，很难实现集中管理和信息的共享。 6 ) 工艺设计流程控制困难。手工编制的方法难以对工艺设计进行项目组织， 很难对设计的流程和进度进行有效控制，更难以实现并行没计。 此外，为了适应c i m s ( 计算机集成制造系统) 的要求，丁艺设计还需要与 其它系统有机集成，如为制造资源计划( m r p i i ) 系统提供材料清单( b o m ) ，为 产品数据管理( p d m ) 系统提供工艺文件等。缺少了计算机辅助工艺设计( c a p p ) 这个桥梁，c a d 与c a m 之间就成了信息孤岛，相互脱节、彼此孤立，不能充分 发挥计算机辅助技术( c a x ) 的作用。 为方便而实用的解决上述问题，种可行的方法就是在现有的c a d c a m 软 件上开发一个c a p p 系统，通过c a d c a p p c a m 的有机集成，将工艺设计的结 果放到外部数据库中，与p d m ，m r p i ! 等系统数据共享，从而实现零件的成犁 分析、模具设计、工艺设计、数据管理、生产安排、模具制造的一体化。 集成化的c a p p 体系结构如图1 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 圈1 3c a p p 与其他系统集成的体系结构 c a p p 的开发、研制是从6 0 年代末开始的，1 9 6 9 年挪威工业公司正式推出 世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s ，1 9 7 3 年正式推出商品化的a u t o p r o s 系统。在c a p p 发展史上具有里程碑意义的是美国国际计算机辅助制造公司 ( c a m ，1 ) 于1 9 7 6 年推出的c a m - i sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统，取其字首 的第一个字母，称为c a p p 系统。 由文献( 3 l 所述，总结得到c a p p 系统的主要分类见下图1 4 ，该图也基本概括 了c a p p 系统的发展过程： l 派生引茹协。系 i 嗉统t ( g e 搬统 l 综合式c 褰眦a ，系 一基于成组技术的c a p p 系统 l 基于特征的c a p p 系统 基于传统过程性程序结构与 决策形式的c a p p 系统 基于知识的c a p p 系统 c a p p 工具系统或骨架系统 基于神经元网络的c a p p 系统 派生式和创成式相结合的 c a p p 系统 基于实例与知识的混合式 c a p p 系统 其他混合式c a p p 系统 图1 ，4c a p p 系统的主要分类 4 j _】濮俱隧恢厘 一刚 一肼l晤置蛾刚一 一胛 |丁_i一俯憎忪趣一 卜 厂一 一一只曩引迹生茂 墨器嚼引引一 磊一r一|耋二_jl侄恢计 一数 。一 l _ 工艺规划 坠堑礁j诬博一 1 l模具零件设计 面一i 1商引引一 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机辅助工艺规划( c a p p ) 系统的核心主要包括两大部分：信息模型层面 和功能单元层面。信息模型层面中的零件模型的信息获取和功能单元层面的零件 加工工艺决策，是当前c a p p 系统开发中所面临的两个主要技术难题： ( 1 ) 零件信息的获取。工艺过程设计最原始的信息是产品零件的结构形状和 技术要求，因此实现计算机辅助工艺设计首要的问题是零件信息的获取。c a p p 技术和c a d 技术是相互独立发展起来的，其信息格式存在较大差异( 3 ) 。如果c a p p 系统通过读取中性文件( 如d x f 和s t e p 格式) 来获取c a d 模型的信息，格式转换 时发生信息的丢失的可能性较大，而且要花费大量的时间和精力编写读取文件的 接口程序，最后得到的结果也很不确定。理想的做法是采用特征识别或基于特征 设计的方法，实现c a 功m p 的集成。随着特征技术的发展，c a d c a p p 的集成 技术研究正在深入进行中。 ( 2 ) 工艺决策。模具工作零件的制造工艺对模具的制造质量、模具寿命、制 模周期和制造成本有很大影响。模具多为单件或小批量生产，再加上工作零件形 状的复杂性、特殊性及设各状况、技术水平的不同，很难将其工艺按固定的模式 进行编制，其工艺决策一直是c a p p 中的瓶颈问题。 1 2 相关技术研究现状 1 2 1 特征技术 特征一词最早出现在1 9 7 8 年麻省理工学院g o s s a r d 教授指导的一篇学士论 文“c a d 中基于特征的零件表示”中。自此以后，特征技术研究不断深入并 在实际生产设计中得到了广泛的应用。 1 2 1 1 基于特征的c a d c a m 技术简述 c a d ，c a m 是当代最重要的工程技术之一，它的应用从根本上改变了过去 手工绘图设计、按图纸组织生产的技术管理方式，使得包括二维的工程绘图、三 维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟等在内的产品设计工作可以在计 算机上交互进行，有力促进了高新技术的发展和新产品的更新换代。c a d c a m 技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重 要标志之一p j 。 早期的c a d 和c a m 软件是分别作为独立的系统发展起来的，它们之间缺 乏有效的连接。随着技术的进步和生产的需要，人们希望把c a d c a m 集成起 来，并能够根据产品全生命周期不同阶段的需求来建立产品模型。 为实现c a d c a m 的有效集成，人们提出了基于特征的产品建模技术。特 征建模技术使用“特征”这一符合人的思维方式的高层次产品建模语言5 作为基 本的信息单元，能够从几何和功能属性上进行产品建模，使设计或制造工程师能 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 更好地表达他们的意图。因此，特征技术也就为新一代智能化、集成化产品建模 系统的核心技术，并为许多主流的c a d 系统所采用( 6 ，7 ) 。 1 9 8 8 年末公布的s t e p 标准草案3 ，9 舯1 将形状和公差特征等列为产品定义的 基本要素，使得特征技术从此获得了国际标准的法定地位。九十年代初j j s h a h 对特征技术的发展作了一个全面的综述( 1 “。近十年来，特征技术研究不断深入并 在实际生产设计中得到了广泛的应用。 特征技术所涉及的研究范围概括起来主要包括： 特征的定义) ：特征的概念自7 0 年代末提出以来，至今仍未有- 个严格 完整的定义，但在下述方面有比较一致的看法：特征是一组信息的集合， 它具有属性，与特定的活动如设计、制造活动相关，包含具有一定工程 意义的几何实体或其他信息。 特征的分类( j l j 2 , 1 3 ) ：按照产品类型、特征的应用领域和特征的几何形状 为原则给出的特征分类。 特征建模方法( 1 0 i t ) ：特征建模的主要方法有交互特征定义、自动特征识 剐和基于特征设计三种。交互特征定义是在已有的产品几何模型基础卜， 通过用户交互选取构成特征的拓扑几何元素提取特征；自动特征识别是 基于已有的实体模型，通过特定的识别程序自动识别满足要求的特征； 基于特征设计是以预定义的形状特征作为建模的基本元素直接建立产品 模型。 特征转换( 】3 ) ：也称为特征映射，是指把产品模型的部分结构在不弼的应 用领域进行变换的过程。 1 2 1 2 特征技术研究现状 1 特征识别技术 特征识别的作用是从零件的实体模型中抽取具有特定工程意义的形状信息。 特征识别的研究工作始于英国剑桥大学c a d 中心，该中心的q a y e r 在1 9 7 5 年 首次尝试了特征信息提取方面的研究0 4 ) ；1 9 8 0 年该中心的k y 叫皴o u 在他的瞎 士论文中首次提出了特征识别思想( ”) 。 到目前为止，特征识别方法的种类已经很多，不同的文献提供的方法也不尽 相同总体上可以分为四类：基于边界匹配、基于体分解的特征识别方法、基于 痕迹特征识别和混合式特征识别。 浙江大学c a d c g 实验室的高曙明教授曾对自动特征识别技术进行过系统 总结) ，表1 1 列举了其中几种有代表性的方法。 6 祈江大学硕士学位沦文 第一章结论 研究者 特征识别方法输入的类型识别能力 h e d e r s c i n ( 1 旬规则匹配零件和毛坯 3 d w o o t m k i r n ( 1 。立体交替和分解 b r e p 模型 3 d h e d e r s o n ( 2 0 神经网络 b r e p 模型 3 d j o s h i ，c h a n g ( 2 1 ) 属性面邻接图 b r e p 模型 3 d v a n d e n b r a n d 铲)基于痕迹特征 b r e p 模型 3 d g a os ，s h a l l 脚) 最小条件子图 b - r e p 模型 3 d 基于切削体最大凸分 s 蛐f 2 8 0 9 3 0 c s g 模型3 d 解 g a d h ( 2 7 ) 不等深过滤器 b r e p 模型 3 d m a r e f a t 0 1 )产生测试法 b r e p 模型 3 d 表1 1 特征识别方法 伴随着特征识别研究工作的逐步深入，近年来也出现了一些自动特征识别系 统。这些系统可以分为两类：一类是研究型原型系统，典型的如k i m o 劭等人蹦于 验f f _ a s v p 算法的原型系统，h a n ( 3 3 ) 等人用于验证基于痕迹算法的原型系统i f 2 等，这些系统侧重于算法的验证，因而距离实用还相差太远；另一类是商品化系 统，典型的有印度g s s l 公司开发的a f r ( 3 “，该系统已被s o l i d w o r k s 、s o l i de d g e 采用。 t e e n o m a t i x 公司的p a r t 是荷兰的t w e n t e 大学开发的一个基于特征的棱 柱类零件的c a p p 系统。p a r t 系统可以基于零件的b r e p 实体表示通过交互机 床选择、自动特征识别直至自动生成刀具轨迹和n c 代码。其特征识别模块能够 识别复杂特征并把它们分层，提取的特征有简单特征和复合特征( 3 ”。此外， h o n e y w e l l 公司的f b m a c h ，c i m p l e x 公司的g e n e r a t i v e n c ( g n c ) t g 都采用了特 征识别技术。 由于自动特征识别技术还没有达到完全实用化程度，因此现有c a d c a m 软件主要采用交互特征定义方法在c a d 模型基础上交互定义出相应的加工特征 模型。交互特征定义通过人工交互的方式选取零件的面构成特征的组成面，因而 其结果取决予用户的正确选择。遂种方法的主要缺点是自动化程度太低，基本无 智能性。 2 基于特征的设计技术 针对特征识别的局限性，w i l s o n t 3 1 ) i 孝经指出：更合理的方法是使设计人员能 按预先定义好的形状特征来建立模型，而不是事后识别形状特征。这反映了特征 设计的核心思想。基于特征的设计自8 0 年代中期被提出以来已成为产品建模的 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 主要方法之一。不少特征造型原型系统相继问世。在基于特征的设计中，通常使 用的方法有：基于加工特征的分解( d e s w a c t i o nb yf e a t u r e s ) 和基于设计特征的综合 ( s y n t h e s i sb yd e s i g n ) 。基于加工特征的分解方法在产品建模时总是从一个待加工 的毛坯出发，通过布尔减运算逐个减去所选用的特征，最后生成产品的特征模型。 基于设计特征的综合方法与基于加工特征的分解方法不同，所采用的特征可以是 正特征也可以是负特征。目前大多数商品化系统都采用基于设计特征的综合的方 法一个重要的原因是这种方法使设计人员能够直接使用他们习惯的设计特征和 功能特征进行设计( 6 ，7 ) 。 基于特征的设计是在较高层次上构造产品模型，它可以捕捉设计者的设计意 图，能更好地支持产品信息的集成，有剥于提高c a d 系统的智能化程度。 在主流c a d 系统中基于特征的设计技术得到广泛的认同和采用，典型的著 名c a d c a m 通用软件，如法国达索( d a s s a u l t s y s t e m ) 公司的c a t i a ，美国e d s 公司的u n i g r a p h i e s ( u g i ) ，美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r ( p r o e ) ，英国剑桥 c s 交互系统公司开发的m e d u s a ，美国c v 公司开发的c a d d s 。法国m a t r a d a t a v i s i o n 公司开发的e u c l i d ，美国s d r c 公司的i d e a s ，美国a u t o d e s k 公 司的m d t 等都采用了基于特征的设计技术。 3 产品多领域特征模型与建模方法 为支持产品生命周期的各个阶段，各领域的工程人员以各自关注的特征描述 其产品，利用特征技术把各领域的信息有机地结合起来的产品模型就是产品多领 域特征模型。它是所有领域特征模型的总和，所有领域模型都有共同的几何信息。 产品模型、几何模型及各领域特征模型之间的关系如图1 5 所示。 图1 5 产品模型、几何模型及各领域特征模型之间的关系 产品多领域特征模型的描述是实现设计、加工等不同应用集成的关键，这一 共享的产品模型对不同的应用场合提供了不同的视图，一个完整的产品多领域特 征模型应该具备以下几方面性质： 由面向产品开发不同领域的多个特征模型组成：在产品多领域特征模型 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 中，对于产品开发过程中的每一个不同领域都有一个特征模型与之对应。 不同领域的特征模型之间相i 瓦关联：为了支持产品生命周期的各个阶段， 各领域的工程人员就各自关注的特征模型描述其产品。同时，各领域的特 征模型之间又具有互动性，即当某顷域的特征模型发生改动时，应该能 够将这种改动通知到其他所有领域的特征模型中并做相应修改。这种互动 性要求不同的特征模型之间相互关联。 不同领域的特征模型之间保持一致：虽然各个领域所关心的特征模型不 同，但他们表示的却是同一产品，因此各不同领域的产品信息必须保持一 致，主要是产品形状信息必须一致，即不同特征模型所描述的产品最终形 状必须相同。 建立产品多领域特征模型的一种直接而简单的想法是：各领域以各自领域的 特征模型表示，每两两应用领域之间都构造特定的特征转换算法，这样做的问题 是导致系统庞大、信息冗余且扩展困难。同时有效的特征转换算法也不容易设计。 所以目前这样的方法很少被采用。 4 分布，协同环境下的多领域特征建模 随着计算机网络环境的普及和并行工程的深入研究与发展，计算机技术领域 出了许多新的研究课题，如并行计算技术与计算机支持的协同工作( c s c w ) 等， 并取得了一定的成果。基于这些研究成果，许多c a d c a m 研究者对多领域特 征建模提出了新的集成方式：在分布式的网络环境下，设计人员与工艺人员胁同 地完成同一零件的设计、工艺规划和加工过程，以最大限度地缩短生产周期。多 领域特征建模的并行集成不但要求传统技术方法作转变，以适应新的工作环境与 工作方式，而且导致了许多新的研究课题的产生，如并行协同设计的工作机制、 并行协同设计的过程控制等。 1 2 2 工艺决策技术 1 2 2 1 工艺决策简介 早期的商业化c a p p 系统大多是基于成组技术和数据库技术的数据检索式系 统，工艺路线本质上是手工生成的。经过多年的发展，c a p p 经历了检索式、派 生式、刨成式和综合式等几个阶段的发展，取得了很大的进展，出现了一些较为 成熟的c a p p 系统，如t e c n o m a t i x 公司的p a r t ( 荷兰的t w e n t e 大学开发的一 个基于特征的棱柱类零件的c a p p 软件系统) 。p a r t 系统可以基于零件的b r e p 实体表示并通过自动特征识别、交互机床选择直至自动生成刀具轨迹和n c 代码 ( 3 5 l 。 我国在2 0 世纪8 0 年代初期才开始进行c a p p 系统的研究。1 9 8 2 年同济大学率 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪沦 先开发了以检索和派生式方法为主的t o j i c a p 系统。后来北京航空航天大学、南 京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学等单位也陆续开发了适用于特定 类型的c a p p 系统。1 9 8 8 年5 月在南京航空航天大学召开的国内第一次c a p p 的专 题讨论会更是引发了国内的c a p p 研究热潮1 4 0 ) 。目前国内也有较多的商业化c a p p 软件，华中理工大学开发的i m c a p p 和北航海尔开发的c a x a 都取得了一定的成 功，是国内相关软件中的佼佼者。 面向模具特别是注塑模具生产的c a p p 系统则比较少，其发展水平和实际应 用还存在很大的差距。这与模具丁艺设计自身的复杂性和计算机技术的发展水平 有很大的关系。目前，虽然有些商品化的c a p p 软件提供了电子表格填写式的解 决方案，但工艺过程设计与c a d c a m 系统缺乏有机集成，零件信息不能共享。 模具零部件中经常有复杂的曲面特征，工艺人员在工艺设计过程中对加工刀具选 择和余量的确定等步骤需要了解零件的详细信息，这种电子表格式的c a p p 系统 显然不能满足模具工艺设计的需要。 1 2 2 2 工艺决策技术研究现状 工艺决策( 又称工艺自动规划，p r o c e s sa u t o m a t e dp l a n n i n g ) 概念是由美国 p u r d u e 大学t c c h a n g p 9 ) 教授首先提出的。工艺决策是c a p p 系统中的核心问 题。国内的研究习惯把工艺决策分为加工方法生成和工艺路线决策两方面，国外 则把刀具轨迹模拟和加工过程模拟等也作为工艺决策的一部份( 4 0 j 。 现在的主流c a p p 系统中的工艺决策方法可概述如下： 基于g t 的派生式c a p p 系统在进行工艺设计时，系统以被设计零件的g t 码为依据，首先搜索到该零件所属的零件族矩阵文件或样件，每一个零件族矩阵 文件或样件对应着一个标准工艺规程即样件工艺规程；然后调用有关工艺数据， 对所搜索到的工艺规程文件进行必要的补充，最后得到当前零件的工艺规程。 基于特征的派生式c a p p 系统用特征来描述零件信息，用工序一工步二叉树 来描述零件的工艺规程，用基于特征的推理代替基于零件族矩阵的工艺规程筛选 策略，即以基于特征的零件信息模型为依据，在基于特征的标准工艺规程中自动 筛选和匹配出当前零件的工艺规程。 刨成式c a p p 系统将工艺决策中的各种决策逻辑或者植入程序代码( 一般刨 成式c a p p 方法) ，或者以规则的形式存入相对独立的工艺知识库，供主控程序 调用( c a p p 专家系统方法) 。在向创成式系统输入待加工零件的信息后，系统可 以模仿工艺人员的手工编制过程，利用决策逻辑和制造工程数据信息( 包括各种 加工方法的加工能力和对象、各种设备及刀具的适用范围等) 自动做出各种工艺 决策，自动生成零件的工艺过程方案，输出各种工艺规程文件，用户不需或略加 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 修改即可。 关于工艺决策方面的研究，是在1 9 8 5 年t c c h a n g 3 9 t4 2 教授提出自动排 序的创成式系统后，才逐步开展开来的，国内则是在九十年代中期才开展相关方 向的研究。近几年来，专家系统、模糊技术、遗传算法以及神经网络等智能处理 技术被广泛应用于工艺决策方面的研究。取得了一些成果。整体看来，工艺决策 中实际应用最多最成熟的仍然是专家系统技术0 7 ，4 2 ) 。当前工艺决策技术正从“知 识+ 推理”向“人机协作+ 智能综合”的类型阶段发展( 4 “。 表i 2 总结了近年来一些有代表性的方法： 研究者 工艺生成方法处理零件类型 t c c h 粕g ( “专家系统+ 交互创成回转体类零件 h o r v a t h , m a r k u s v a n c z a ( 4 3 k b r + 遗传算法箱体类零件 c a c h a n g ，v a n g k a s i t h ” 神经网络箱体类零件 m s s h a r t r a u g a m 等4 5 遗传算法- + c b r回转体类零件 蔡力钢，李培根0 6 , 4 7 )分级约束规则回转体类零件 王先逵等柙j o )模糊逻辑回转体类零件 表i 2 加工决策方法 针对注塑模具的工艺决策。也有人作过一些研究工作5 5 ，5 t 5 8 删，目前比较典 型的方法是使用特征编码对模具零件进行描述，在工艺决策时，由用户输入模具 零件的特征信息，c a p p 系统对模具零件的特征信息进行解释，自动拟订模具零 件的工艺路线和具体工艺方案 5 9 , 5 9 ) 。由于模具零件多，输入模具零件信息特征工 作量大，用户使用困难。将专家系统、神经网络、模糊技术和遗传算法等智能技 术应用于模具零件工艺决策的研究，目前尚没有见到相关报道。总体来讲，模具 零件的工艺决策仍处于“知识+ 推理”阶段，智能化程度较低。 1 3 主要研究工作 1 3 i 系统开发平台的选择 由于模具由数十个甚至上百个零件组成，在加工工艺上互相制约，工艺经验 和知识难以提取，导致c