（机械电子工程专业论文）基于proe的三维工艺设计系统.pdf

摘要 | 1 1 1 1 1 1 iii i1 1 11 1 1i ii i u l u i | l u 。 u lu | l la | | n y 2 0 6 7 5 5 0 工艺设计是生产和设计连接的纽带，其设计成果直接决定着企业生产的质量 和效率。随着企业制造信息化的快速发展，三维c a p p 系统作为一个崭新的研究 领域应运而生，极大的变革了传统的工艺设计方式。本文结合工程实践要求，对 基于三维模型的工艺设计展开了研究，并开发了一套基于p r o e 的三维工艺设计原 型系统。 本文首先对国内外三维c a p p 系统的研究和发展现状进行了介绍，指出了三 维c a p p 系统的发展趋势。然后详细介绍c a p p 系统的总体设计方案，确立了基 于三维模型的工艺设计方法，依照工艺信息间的关系抽象出了工艺信息模型，建 立了系统的六大组成模块，开发了系统初步的集成界面。随后对特征识别与提取、 模型状态控制、特征关联和特征亮选等c a d c a p p 集成关键技术进行了分析。最 后研究了基于帆的工艺信息管理，介绍了工艺信息的文件系统和工艺再生技 术，实现了工艺信息的w e b 方式输出和三维状态模型的动态显示。 关键词：三维c a p pp r o e 特征工艺信息管理 a b s t r a c t a st h e l i n ko fc o n n e c t i n gm a n u f a c t u r i n ga n dd e s i g n ，p r o c e s sd e s i g nd e t e r m i n et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ee n t e r p r i s e sm a n u f a c t u r i n gd i r e c t l y w i t ht h em p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no ft h ee n t e r p r i s e sm a n u f a c t u r i n g ，t h r e e d e m e n s i o n a lc a p ps y s t e ma p e a r sa sac o m p l e t e l ya n a l y s i sf i e l d ，w h i c hs i g n i f i c a n t l yr e f o r m st h e t r a d i t i o n a lp r o c e s sd e s i g nm e t h o d s a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do ft h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h ep r o c e s sd e s i g nb a s e do nt h r e e - d e m e n s i o n a lm o d e li s r e s e a r c h e d ，as e to ft h r e e d e m e n s i o n a lp r o c e s sd e s i g ns y s t e mp r o t o t y p ei sd e v e l o p e da t t h es a m et i m e f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i t u a t i o no ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to n t h r e e d e m e n s i o n a lc a p ps y s t e mo v e r s e a sa n dd o m e s t i c ，i n d i c a t e st h ed e v e l o p m e n tt r e n d o ft h r e e - d e m e n s i o n a lc a p ps y s t e m s e c o n d l y t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h ec a p p s y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h ep r o c e s sd e s i g nm e t h o db a s e do nt h r e e d e m e n s i o n a l m o d e li sa p p l i e d ，p r o c e s si n f o r m a t i o nm o d e li sa b s t r a c t e da c c o r d i n gt ot h er e l a t i o ni n t h et h e m ，t h es i xs y s t e mf o r m i n gm o d u l e sa r ee s t a b l i s h e da n dt h ei n i t i a li n t e r g r a t e d i n t e r f a c ei sd e v e l o p e d t h i r d l y , t h ek e yc a d c a p pi n t e r g r a t e dt e c h n o l o g i e ss u c ha s f e a t u r e i d e n t i f y i n ga n do b t a i n i n g ，m o d e ls h a p ec o n t r o l l i n g ，f e a t u r ea s s o c i a t i n ga n d f e a t u r el i g h t m gi sa n a l y s e d l a s t l y ，p r o c e s si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tb a s e do nx m li s r e s e a r c h e d ，t h ed o c u m e n ts y s t e mo ft h ep r o c e s si n f o r m a t i o na n dp r o c e s sr e g e n e r a t i n g t e c h n o l o g ya r ei n t o d u c e d ，t h ep a p e ra l s or e a l i z e st h ep r o c e s s o u t p u ti nw e bf o r ma n dt h e d y n a m i c a l l yd i s p l a yo f t h r e e - d e m e n s i o n a ls t a t em o d e l k e yw o r d s ：t h r e e - d e m e n s i o n a lc a r l , p r o e ，f e a t u r e ，p r o c e s s i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着科学技术的快速发展和企业生产模式的深刻变化，制造业正逐 渐向信息化和集成化迈进。对于生产制造部门个性化、系统化和高度集成化的要 求，传统的生产制造所先天具有的局限性逐渐暴露。特别是作为产品生产与产品 设计纽带的工艺设计环节，其效率和质量直接决定着工业企业生产制造资源的优 化配置、生产周期、组织效率、生产成本和产品质量等等各个方面。因此，一套 高度自动化、能够大幅提高提高工艺设计效率的c a p p 系统成为各制造企业的迫 切需求l 。 作为新一代的三维产品设计软件，p r o e 广泛应用于各类生产制造企业，其强 大的功能为企业从设计分析到制造，成功的提供了一套完整的解决方案。一个能 够以p r o e 为基础、高度集成p r o e 且充分利用p r o e 模型中的特征信息进行工艺设 计的三维c a p p 系统，必将加速企业工艺设计的信息化、集成化的进程，提高生 成制造效率，优化工艺设计质量。 1 2 研究背景 对c a p p 系统的研究在我国始于2 0 世纪8 0 年代。到目前为止，各种刊物和 学术会议上发表的c a p p 系统多大5 0 多个，但真正被工业企业应用的c a p p 系统 特别是商业化的三维c a p p 系统还是为数不多。虽然经过多年的应用发展，我国 制造业企业基本上普及了三维设计软件，甩掉了手绘图板。但相对于设计部门工 艺部门的信息化应用严重滞后，并未从根本是摆脱低效率、低质量的传统工艺设 计方式。或者工艺设计仍然采用手工方式，或者使用办公软件和c a d 软件创建工 艺卡片，或者是装备了c a p p 系统但使用上却存在很大的局限性。 当前，已经应用的c a p p 系统基本上是二维c a p p 系统，也即传统c a p p 系 统。二维c a p p 系统基本上依靠表格和二维图形输入和表达工艺设计。二维c a p p 技术解决了工艺设计师劳动强度大、工艺知识继承性差等问题，起到了工艺规范 化、标准化、提高工艺编制速度、工艺知识共享等方面的作用。但是二维c a p p 技术只能解决一些表面的问题，并不能从根本上提升工艺设计能力、水平和效率。 基于二维图形和表格的c a p p 系统在高精度大型零部件的研制过程中，显示出其 固有的一些缺陷，主要包括：工艺信息录入不直观；工序简图互不关联；工艺设 2 基于p r o e 的三维工艺设计系统 计无法有效利用设计三维模型中的信息；工艺设计知识的表达、获取和管理困难； 工艺设计效率和智能化程度低；复杂零件的关键特征属性难以表现，工艺性评价 及审查流于形式；设计三维模型与工艺模型相分离，设计更改困难。 如和克服传统二维c a p p 系统的上述不足，发展智能化程度高、三维c a d 模 型特征信息充分利用、结构设计与工艺设计相关联、工序图可实时更新的三维 c a p p 系统，成为c a p p 应用发展的迫切需求。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 三维c a d 系统的研究与发展历程 三维c a d 起源于2 0 世纪5 0 年代的美国，其整个设计过程的完全在建立在形 象直观的三维模型上，符合人们的设计习惯。因为设计人员在进行设计时，总是 希望能够随心所欲地构建和编辑零部件模型，且能够让方便的在显示器上进行浏 览和分析，每一个中间结果都可以被重新设计。因而可以说三维c a d 技术才真正 称得上计算机辅助设计。 自三维c a d 发展至今，其主要经历了如下几个发展阶斟z j ： ( 1 ) 由基于线框设计发展到基于曲面设计的第一次技术革命； 2 0 世纪6 0 年代发展起来的三维c a d 系统只支持简单的线框式设计和简单的 几何信息。计入7 0 年代，法国达索飞机制造公司创新性的开发出了支持曲面造型 的c a t i a 系统，引发了三维c a d 的第一次技术革命。c a t i a 曲面表达方式完整 的描述了零部件的几何信息，也奠定了c a m 技术发展的基础。 ( 2 ) 由基于曲面设计发展到基于实体造型的第二次技术革命； 鉴于基于曲面设计技术很难完整的表达零部件模型的质量、重心、转动惯量 等其它属性，步利于c a e 技术的发展，1 9 7 9 年美国s d r c 公司推出了第一部基 于实体造型的c a d c a m 设计软帕d e a s ，引发了三维c a d 技术的第二次革 命。实体造型技术完整的表达模型的主要特性，推动了c a d c a e c a m 的集成设 计。 ( 3 ) 由基于实体造型设计发展到参数化造型设计的第三次技术革命； 鉴于实体造型技术无法尺寸驱动，一种新的基于特征、全数据相关、全尺寸 约束、尺寸驱动设计修改的新系统_ 呻r o e 应运而生，它出自美国参数化设计公 司，也即第三次三维c a d 技术革命。 ( 4 ) 由参数化造型设计发展到变量化造型设计的第四次技术革命。 2 0 世纪9 0 年代，s d r c 公司以参数化技术为基础，推出了变量化技术。它成 功的继承了参数化设计的优点，又弥补了参数化设计在处理复杂复杂约束关系与 第一章绪论 3 复杂拓扑关系时的不足之处，极大的拓展了三维c a d 技术的发展空间，领跑了三 维c a d 技术的第四次革命。 经过改革开放3 0 多年的发展，我国已逐步发展成为全球制造业大国，c a d 特 别是三维c a d 设计广泛应用与军工、航空航天等领域，关系到国家安全和国计民 生。但我国制造业仍处于升级和转型过程中，为了快速摆脱世界产业链中、低端 的位置，有待一批能够满足工业企业对三维设计的急迫需求的三维c a d 技术支撑。 1 3 2 三维c a p p 系统的研究与发展趋势 1 3 - 2 1c a p p 研究概况 伴随着制造集成技术和制造信息化技术的迅猛发展以及各领域工业企业的广 泛应用，作为现在制造技术重要环节的c a p p 技术特别是三维c a p p 已成为企业 信息化、集成化制造的重要基础。c a p p 的发展大致经历了“定性一定量一定性一 定量 等循环往复的发展过程。从2 0 世纪6 0 年代至今，各国对c a p p 技术 进行了大量的探索研究，极大的拓展了c a p p 的广度和深度。 按其基本类型，c a p p 系统可分为派生式、创成式、综合式例，而且正在迅速 的向具有人工智能且可以修订检索、编辑修改的新模式转变；由向设计人员提供 软件工具替代自动化生成工艺设计过程，极大的改善了c a p p 的实用性。一大批 成功的商品化c a p p 系统如北京科技大学的b g c a p 、北京航空航天大学的b h c a p 系统、挪威的i p r o s 、美国的m i c r o c a p p 和z c a p p s 等在实际的制造工程中已 经得到了广泛的应用吲；在集成化和信息化方面，c a p p 系统正在由c a d c a m c a p p 和企业信息的集成化替代单一的网络化、信息化，例如p d m 与c a p p 系统 的集成和e r p 与c a p p 系统的集成。 随着电子计算机技术的发展和一批新理念、新方法的发展，涌现了诸如并行 化工程、智能化制造、虚拟制造、集成化、工具化以及敏捷制造得得新技术【l j 。显 而易见，c a p p 的研究与应用已进入了一个全新的发展阶段，迎接更大的挑战。 1 3 2 - 2 三维c a p p 发展趋势 当前，实现商品化c a d c a p p 集成主要有两种方法：第一种方法是在已有三 维c a d 软件基础上开发集成了制造特征的系统，这样c a p p 系统就可以方便的使 用设计信息；第二中方法是以三维实体为基础基础，开发可以识别和提取制造特 征的系统，直接为工艺设计人员提供相应的工艺设计信息。分析可知，当前基于 3 d 模型的c a p p 系统的发展趋势主要体现如下4 个方面： 4 基于p r o e 的三维工艺设计系统 ( 1 ) 知识化、智能化三维c a p p 系统。当前c a p p 已经很好地解决了工艺设计 效率和标准化的问题。但随着各种新技术的出现及发展，面临迅速增加的需要处 理的信息量，如何更好的利用企业已有的的工艺设计知识和工艺专家长期积累的 知识与经验，创建完善的工艺知识储备库，广泛采用各种智能化技术，实现工艺 设计过程中各设计阶段的高度知识化，将会成为三维c a p p 应用和发展的一个主 要突破点。相信未来的c a p p 技术一定会朝着知识化、智能化的方向发展。 ( 2 ) 基于平台技术、可重构的三维c a p p 系统。当前由于工艺设计标准不统一， 通用型的c a p p 系统不能满足制造企业在某特殊领域的特殊要求。如何更好的促 进三维c a p p 系统在工业企业更宽广度和深度上的应用，要求c a p p 系统支持二 次开发功能，这样就可以不断满足工艺设计特例化、个性化要求。 基于数据库集成平台i d p 和集成开发平台i d e ，可以充分满足个性化工艺设 计需求，进行各层次的c a p p 系统二次开发，以充分适应工业企业的迅猛发展。 利用平台技术，定制满足要求的各种应用界面，并且可以添加各种标准的系统组 件。设计人员通过调用系统提供的二次开发接口，利用编程语言在已有系统上开 发处针对自己特定领域的专用的c a p p 系统。因而，基于平台技术、可重构的三 维c a p p 系统必将会成为未来三维c a p p 系统研究的一个主要方向。 ( 3 ) 参数化三维c a p p 系统。当前，基于零部件三维模型的分析与计算受到制 造业越来越广泛的关注，参数化c a p p 系统不仅可以进行工艺文件的管理、工艺 过程的设计和信息集成等等定性化的工作，而且可以建立基于三维模型的工艺设 计，以便充分利用模型中已有的特征信息，高质量快速发布工艺设计结果，例如 与特定工序相关的工艺资源信息、数控程序、工序内容、装夹定位等等。因而， 基于零部件三维模型的参数化c a p p 系统必将成为c a p p 发展趋势之一。 ( 4 ) 支持产品全生命周期的网络化三维c a p p 系统。在产品加工过程中，以信 息技术为支撑，以工艺技术为核心，以三维c a d 、三维c a m 和p d m 作为实施平 台，基于同一产品数据源，实现设计b o m 向制造b o m 平滑过渡，实现加工过程 中的资源、项目和时间的合理配置，将工艺设计延伸到生产管理的全过程，从而 发挥c a p p 在产品全生命周期中的信息中枢和功能调节作用。 为了实现企业级以致更大范围的信息化，以及c a d c a m p d m 集成的网络技 术支撑，实现对外和c a d 的数据交换双向化，对内工艺设计实现工种、角色的并 行化，是现代应用集成系统必须实现。因而网络化的支持产品整个生命周期的p d m 三维c a p p 系统将成为c a p p 发展的重要方向。 由以上分析可知，智能化、知识化、参数化、网络化必将成为三维c a p p 系 统发展的重要方向。 第一章绪论 1 4 研究内容 本文结合具体的项目开发和工程实践，对基于p r o e 三维工艺设计系统进行了 研究，具体研究内容如下： ( 1 ) 三维c a p p 的总体方案研究 通过对传统c a p p 系统的研究分析，建立了一套基于三维模型的工艺设计系 统，提出了系统的基本策略、设计思想，构建了系统架构，分析了系统组成，几 何工艺信息之间的关系建立了抽象的工艺信息结构树，并分析了系统的工作流程 和数据流程，介绍了系统集成界面。 ( 2 ) 三维c a p p 系统集成建模技术 系统介绍了三维环境下的信息建模和转换的方法与原则，研究了零件特征的识 别和提取，提出了p r o e 模型的4 层信息分析方法。进而研究了三维模型特征的关 联引用，模型状态的控制和特征亮选等技术。 ( 3 ) 基于x m l 的三维工艺信息管理 。 系统对发布的工艺建立以基于x m l 的信息管理方式，建立了x m l 工艺信息 与工艺信息模型的映射，并以x s l 规定了x m l 工艺信息的显示输出方式，研究 了三维模型的动态显示技术。 6 基于p r o e 的三维工艺设计系统 第二章三维c a p p 系统的总体设计 7 第二章三维c a p p 系统的总体设计 2 1 系统需求分析 机加工艺设计是产品研制过程中的重要环节之一。机加工艺设计的主要任务， 是根据结构设计人员完成的产品零部件模型、图纸和技术要求，建立零件加工的 工艺过程方案，包括工艺路线、工序和工步。 传统的计算机辅助工艺设计( c a p p ) 系统一般基于二维卡片开展工作，其主 要工作模式是：工艺设计人员依据c a d 模型和图纸中对零部件形状、特征、尺寸、 公差、粗糙度和其它技术要求的描述，根据设计经验，确定零件加工的工艺路线、 工序和工步，并在c a p p 系统中快速输入工艺方案信息。传统c a p p 系统基本上 依靠表格和二维图形输入和表达工艺方案，我们称其为二维c a p p 系统。二维c a p p 技术解决了工艺设计师劳动强度大、工艺知识继承性差等问题，起到了工艺规范 化、标准化、提高工艺编制速度、工艺知识共享等方面的作用。但是二维c a p p 技术只能解决一些表面的问题，并不能从根本上提升工艺设计能力、水平和效率。 基于二维图形和表格的c a p p 系统在高精度大型天线关键零部件的研制过程中， 显示出其固有的一些缺陷，包括：工艺设计中不能重用三维c a d 模型中的特征信 息，工艺设计的智能化程度不高；结构设计与工艺设计脱节，设计更改工作量大、 易出错；无法实现工艺表格中工序图的自动更新等问题。具体地讲，主要有如下 问题： ( 1 ) 工艺设计无法有效利用设计模型中的信息 三维设计模型是工艺设计的基础，如果能够获取三维设计模型中的制造特征， 例如加工参数等，将大大提高工艺设计的自动化程度，降低差错率，提高设计效 率和质量。但是二维c a p p 系统无法有效地继承和利用产品三维模型中的相关信 息，结构设计与工艺设计脱节，信息分离，设计信息的获取和向制造信息的转换 依靠手工操作，产品数据的一致性和完整性得不到保证。 ( 2 ) 设计模型与工艺模型相分离，设计更改困难 目前情况下，项目申请单位设计的产品模型中，结构设计模型是三维的p r o e 模型，工艺设计模型是基于二维的图纸和表格。两者相互脱节，当设计模型发生 更改时，工艺模型需要手工更改，不仅花费大量时间，而且极易出错。 ( 3 ) 工艺信息录入不直观 工艺设计人员进行工艺设计时，不能在结构设计人员建立的三维模型上直观的 8 基于p r o e 的三维工艺设计系统 录入特征名称、类型、尺寸、偏差、粗糙度、形位公差等设计信息，必须经过人 工读取，输入到c a p p 系统。 ( 4 ) 工艺设计效率和智能化程度低 由于二维c a p p 系统无法有效利用三维设计模型中的特征和参数信息，因此不 能应用参数化、实例化等先进工艺设计手段，工艺信息的输入效率低，工艺模型 得不到有效优化。 ( 5 ) 工艺设计知识的表达、获取和管理困难 二维c a p p 实际上是甩图板工程的延伸，不能有效地总结和表达设计经验和设 计方法。例如：工序中所需要的工装夹具、刀具、量具和机床都采用工艺设计的 文字属性进行描述，无法通过三维实体装配的直观形式阐述它们之间的关系。这 在很大程度上制约了工艺设计知识的表达、获取和管理。 ( 6 ) 工序简图互不关联 二维c a p p 系统中的工序简图以二维图形的形式存在，各工序简图之间彼此互 不关联。下一步工序图的信息无法自动继承上一工序图的信息，需要重新输入， 工艺数据无法自动传递。工艺简图无法与产品模型文件相关联，一旦产品模型发 生变化，工艺卡片的工艺简图不能关联改变。 ( 7 ) 复杂零件的关键特征属性难以表现，工艺性评价及审查流于形式 基于二维的c a p p 系统进行工艺性评价和审查时，需要由审查者用结构设计 模型中人工获取审查的特征信息，再依据一定规则进行。对于复杂的零部件，需 要获取的特征非常多，操作过程非常复杂、繁琐，使得工艺性评价和审查往往流 于形式。 三维c a p p 系统是在二维c a p p 基础上，通过集成三维设计系统，实现基于 三维设计模型的工艺信息录入和发布，并实现结构设计与工艺设计模型的关联及 自动更新，是基于模型设计( m b d ) 中的关键环节。 2 2 基于三维的工艺设计 本论文开发的三维c a p p 系统建立了一个基于p r o e 的三维工艺设计环境，可 以直接面向p r o e 环境中的三维设计模型，实现三维环境下的机加工艺设计、工艺 设计与结构设计模型的关联、基于三维模型的资源引用与管理、基于三维模型的 工艺发布等功能。 该系统主要包含的功能具体如下： ( 1 )基于三维模型的工艺设计 面向p r o e 的三维模型，实现零件机加工工艺( 含数控工艺) 的编制、 统计汇总和输出。 第二章三维c a p p 系统的总体设计 9 基于p r o e 直接进行工艺规程编制，工艺信息存储为p r o e 支持的文件格 式，并以结构化的方式存储到数据库。 支持工艺人员在c a p p 设计时浏览三维数模，可以对三维数模进行加注 尺寸、公差、形位公差与粗糙度和添加技术要求等操作。 自动或交互式获取三维设计模型中的特征信息，并能够对加工特征( 几 何和非几何特征) 编辑或自动获取加工方法。 能够自动提取几何特征中的数字信息。例如：驱动尺寸、几何公差、粗 糙度等等。 基于模型的工序状态管理：根据工序模型和工艺规程具体操作，控制三 维特征集合的显示顺序，使其与工序和工步进行正确的关联，实现三维 环境下与工序相关的模型显示和管理。 ( 2 )工艺模型与设计模型的关联 基于交互式完成三维模型和工艺规程之间信息动态关联，实现三维信息 的1 0 0 利用的同时，解决三维模型和工艺规程的信息关联，使得工艺 信息可以根据三维模型的变更而更新。 ( 3 )基于三维模型的资源引用与管理 生成工序模型树：每道工序工序组上，可以插入三维工艺仿真过程中 生成的图片文件以及a v i 视频。 实现p r o e 下的加工仿真结果与工艺规程的融合，以及非p r o e 下加工 仿真以附件的形式与工艺规程的关联。， ( 4 )基于三维模型的工艺发布 工艺统计汇总和工艺排版输出：实现3 维动画或是二维工艺文件生成。 ( 5 ) 和其它系统的集成： 与c a x ac a p p 系统集成，利用二维c a p p 系统中已有的工艺知识、 工艺资源等，在设计环境中可以直接调用这些信息；并利用二维c a p p 系统中已有的工艺规程模板、卡片模板，通过设置工艺文字信息、图形、 图片的位置，输出满足需求的工艺文件； 同时考虑和后续的p d m 系统等软件，要预留集成接口，要求系统在开 发过程中提前考虑集成开放性和兼容度。 2 3 基本策略 在开发思路上，系统坚持以下基本策略： ( 1 ) 基于三维c a d 的数字化工艺设计工具 本论文研究的三维c a p p 系统并不是强调工艺的自动化，而是将系统定位在基 1 0 基于p r o e 的三维工艺设计系统 于三维c a d 的数字化工艺工具。它着重解决工艺的快速输入和快速形成，强调工 序图形的快速生成和编辑，强调工艺师在c a p p 系统中的主导作用。降低工艺生 成的自动化程度，这看似是一种退步，但实际上却是一种进步。因为这种系统便 于在企业实际推广使用，它不受零件类型和加工环境的限制，只需通过一定的定 制过程就可在企业投入使用，符合现阶段我国制造业的国情。 ( 2 ) 面向工艺的三维建模 本论文研究的三维c a p p 系统，不是对三维模型的简单利用，而是面向不同应 用层次的模型加工和重用。为了进行工艺决策和参数化工艺设计，需要实现面向 工艺设计的零件信息建模；为了实现三维工序图的建模，需要实现三维模型的参 数化建模；为了实现设计特征向加工特征的转换，需要实现零件特征的识别和提 取等等。 ( 3 ) 对传统c a p p 的改良而非抛弃 本论文研究的三维c a p p 系统，不是抛弃原有的二维c a p p 系统，而是将基于 三维c a d 的c a p p 与二维c a p p 充分结合。原有的二维c a p p 系统的部分功能和 已有的基础数据将得到保留和继承，基于三维c a d 的c a p p 可以使用这些功能并 调用数据完成工艺设计工作。 ( 4 ) 适度智能化 本论文研究的三维c a p p 系统，不是单纯的交互式，而是将参数化、基于实例 等技术综合运用在工艺设计过程中，形成了面向三维模型的综合工艺设计方式。 如何快速利用三维模型设计工艺、如何基于三维模型进行参数化工艺建模和设计、 如何基于三维模型实现基于实例的工艺规划等等。 ( 5 ) 注重系统集成 本论文研究的三维c a p p 系统，不是为了解决工艺设计问题而进行工艺设计， 而是面向c a d c a p p c 削恻c 的集成角度，研究基于s t e p - n c 的工艺信息模型 建立、基于s t e p - n c 和特征的工艺规划与工艺过程编辑、基于特征的知识表示、 基于s t e p - n c 的数据交换与共享技术。 第二章三维c a p p 系统的总体设计 2 4 系统设计思想 吴结构设计人员 q 基于二维的 灭工艺设计 o基于三维的 大 工艺设计 图2 1 系统基本设计思想 系统的基本设计思想如图2 1 所示：软件系统基于现有的商品化软件p r o e 和二维c a p p 软件开发。通过本论文的处理，将两个原本相互孤立的系统集成 为一体。系统允许用户基于p r o e 的三维模型输入和编辑工艺信息，并将完成的 工艺设计以表格的形式输出到c a p p f r a m e w o r k 。工艺表格与三维模型的设计参数 相关联，并能自动地动态刷新。在基本设计思想中，有以下一些要点： ( 1 ) 首先，基于p r o e 三维设计平台进行c a p p 系统的开发 因为基于特征造型的三维c a d 系统所构建的零件实体，一般包含组成零件实 体的特征形状、特征尺寸和特征位置以及拓扑关系，同时通过前置处理，可以将 实体模型中没有包含的工艺信息( 如：零件精度、粗糙度和局部热处理等信息) 以属性形式赋予零件实体，为c a p p 工艺规划提供充足的信息源。另外，流行的 三维c a d 系统，一般都提供了二次开发工具，这为实体模型前置处理提供了开发 条件。用户可以方便地开发出友好的界面，对零件信息进行前置处理。 本论文选择基于p r o e 的三维c a p p 系统。很好地将零件的几何信息和工艺信 息进行集成，解决基于二维c a d 的c a p p 系统无法集成的问题，实现参数化工艺 变形设计。p r o e 作为三维c a d c a m 软件，具有尺寸驱动、基于特征、单一全 1 2 基于p r o e 的三维工艺设计系统 关联的独有的特点，并且具有强大的二次开发功能和第三方软件的支持，其二次 开发工具p r o t o o l k i t 以c 语言为依托，向用户提供了大量针对p r o e 底层资源调 用的库函数和头文件，通过调用这些底层函数，外部应用程序可以方便安全地访 问p r o e 的数据库及内部应用函数，从而实现面向特定产品的特征自动建模功能， 并可以把一些非几何特征也加载到模型中。鉴于p r o e 的上述优点，本论文选取p r o e 为开发平台，运用其二次开发工具p r o t o o l k i t ，并结合v c + + n e t 的m f c 类库，以动态链接库( d l l ) 方式来开发p r o e 环境下的三维c a p p 系统，其目的是 使c a p p 系统能与p r o e 软件融为一体，实现无缝集成，真正成为连接c a d 和c a m 的重要纽带。 三维c a p p 系统是在p r o e 平台下开发的，因此p r o e 这个三维c a d c a m 集 成软件包的各个特性我们都可以充分利用，例如“模型树”特性、工程图快速生成 性能、单一数据库特性等。通常c a p p 系统的研究对象是普通的c a d 零件模型。 然而本文是利用p r o t o o l k i t 二次开发工具自动生成零件的模型特征树，然后以 零件的最终状态作为出发点，利用p r o e 软件自带的零件特征隐含功能及特征回退 技术，建立可视化的三维工序模型，因而它要求我们在设计零件时就得考虑后续 的工艺过程，即按照面向制造的设计思想( d f m ) 来设计零件。并将其作为c a p p 系 统的输入，也就是说只有按照d f m 思想设计的零件才是本三维c a p p 系统的研究 对象。 ( 2 ) 其次，基于s t e p - n c 的c a d c a p p c 舢删c 系统集成技术。 s t e p - n c 是一种新的n c 编程接口国际标准( i s 0 1 4 6 4 9 ) ，用于 c a d c a p p c 触删c 之间的双向数据传递与交换，为不同部门实现协同工作提 供了一种机制，是真正实现网络化制造的重要基础，它将取代目前国际上普遍使 用的n c 编程接口标准i s 0 6 9 8 3 。s t e p - n c 与s t e p 完全兼容，采用特征技术描述 加工计划，因此容易实现c 觥a p p c 舢v i c n c 的无缝集成。随着s t e p - n c 的制 定，一种新型c n c 系统_ s t e p c n c ( s t e p - n c b a s e d c n c ) 引起了世界范围 内的广泛重视。 在c a d c a p p c a m ，i 孙t c 集成方面，研究能够兼容s t e p 的基于s t e p - n c 的 集成化信息模型( 零件特征信息模型、工艺过程信息模型、3 d 工序模型等) ，建 立基于s t e p - n c 的开放式共享数据库，以使c a d 、c a p p 、c a m 、c n c 系统能 够存取3 d 设计和制造数据，如几何、制造特征、制造方法= 刀具和零件公差、3 d 工序模型等信息；研究支持s t e p - n c 应用的x m l 数据表达技术，实现基于网络 的s t e p - n c 数据交换与传送，从而实现c a d 、c a p p 、c a m 、c n c 系统的分布 式应用。 ( 3 ) 第三，充分利用现有二维c a p p 系统的已有功能和数据。 利用原有系统的工艺资源管理、用户管理、工艺模板定制、工艺信息模型管理 第二章三维c a p p 系统的总体设计 等功能实现对新系统的用户管理、资源调用、卡片定制、信息存储等功能；同时， 二维c a p p 系统中存储了企业1 0 多年积累的工艺数据包括常用术语、典型工艺、 设备、工装、刀具等基础数据。 2 5 系统架构 国圉圉圈圉圜圈圈国国 圈圈圈圈 n c 加工 仿真 孱圈圈圜 圄圃图 支持层 平台层 圈 图2 2 系统总体架构 如图2 2 所示，本系统的总体架构由应用层、支持层、平台层和数据层等4 层结构组成： ( 1 ) 应用层应用层是三维工艺设计系统的主要功能模块，包括基于三维 的工艺规程管理、工序和工步编制、工序快照、制造特征交互选取及信息读取、 n c 文件信息读取、工艺信息汇总和工序排版输出等； ( 2 ) 支持层支持层与平台层相对应，主要包括与平台层二维c a p p 模块 相对应的工艺资源管理、工艺知识管理、工艺模板定义和与平台层结构设计软件 p r o e 模块相对应的三维工艺资源、工艺统计汇总定义、工艺输出配置、工艺信息 模型管理，以及n c 加工仿真软件等； ( 3 )平台层平台层主要包括运行三维工艺设计系统所需要用到的商品化 c a x 软件，结构设计软件p r o e 和二维c a p p 软件。由于本系统是基于三维c a d 的工艺设计工具，必须有一定的三维c a d 平台作为基础。本论文以p r o e 作为三 维c a d 设计平台。同时，本系统又是对传统二维c a p p 系统的继承和改良，需要 实现与平台层二维c a p p 系统软件相结合。 ( 4 ) 数据层数据层是信息存储层，包括p r o e 的三维模型文件、c a p p 1 4 基于p r o e 的三维工艺设计系统 数据库和其它相关的信息文件。 该4 层结构中，应用层模块和数据层模块是三维c a p p 的核心，也是本论文研 究的重点。 2 6 系统组成 图2 3 三维c a p p 系统模块组成 如图2 3 所示，三维c a p p 系统由三维工艺设计、工艺资源管理、三维工艺 发布、p r o e 引擎、集成接口和系统管理等六个模块组成，其中三维工艺设计模块 是系统最重要的模块，各模块详细介绍如下。 2 6 1 三维工艺设计模块 三维工艺设计模块的主要功能是完成基于三维模型的工艺设计，该模块又包 括工艺树管理、工艺规程编制、工序编制、工步编制、工艺数据浏览、视图快照、 特征元操作、特征引用与关联、模型状态管理、粗精加工控制等子模块。 ( 1 ) 工艺树管理 工艺树管理模块的主要功能是实现工艺设计树建立、维护和显示。用户可以 添加、编辑、删除工艺规程、工序和工步节点。 第二章三维c a p p 系统的总体设计 系统可以将p r o e 的产品结构树直接导入到工艺模型树。点击零部件、工序、 工步等节点时，系统自动显示效应状态的模型。 ( 2 ) 工艺规程编制 工艺规程的编制主要包括规程模板定义、规程相关n c 文件关联、规程快照的 保存和规程刀具资源的选取，如图2 4 所示。 i 规程 i i ii i 模板定义iln c 文件关联il 规程快照i l 刀具资源l 图2 4 规程编制结构图 ( 3 ) 工序编制 工序的编制主要包括工序加工方法选择、粗精加工设置、设备资源选择、加 工特征关联、特征元点选、工序内容及工序快照保存。 ( 4 ) 工步编制 工步编制由工步基本信息、设备运转参数、关联特征和工步内容几部分组成。 ( 5 ) 模型状态控制 模型在不同的工序、工步拥有不同的模型状态，当编制某个工艺节点时，系 统将自动显示与该节点对应的模型状态。缺省时，模型状态应该上一个工序节点 状态的后续状态。具体工艺编制过程中模型状态的改变是通过通过状态控制器实 现的。 ( 6 ) 视图快照 视图快照是各个规程、工序和工步加工时模型当前状态各个角度的视图。通 过视图可以很好的记录模型各个状态阶段，并可以运用于输出工艺卡片的图形区 域。 ( 7 ) 特征元操作 特征元操作主要包括特征元的动态获取、引用和刷新。指定特征元类型，通 过屏幕点选方式可以很方便的获取与工艺设计相关的特征元信息。 ( 8 ) 特征关联与引用 特征关联是将每道工序或工步所需加工处理的特征与该工艺节点建立起链接 关系，也即关联。 通过特征关联，可以动态的获取关联特对应的特征元信息，以方便的被其他 工艺编制阶段所引用。由于引用的信息与模型相关联，可以随着模型的改变而动 态刷新。 1 6基于p r o e 的三维工艺设计系统 ( 9 ) 粗精加工控制 在工艺设计过程中，对应于同一特征在加工过程中有不同的尺寸公差余量要 求。因此，同一加工特征对应于不同的加工精度应该有不同的设计要求。系统中 在零件各规程、工序设计初始阶段可以设置粗精加工类型，指定类型后系统会自 动获模型加工特征的粗加工数据或精加工数据，具体过程如图2 5 所示。 设计人员； 标注粗精加工数据 土l 精加工数 i 工艺模型 2 6 2 工艺资源管理 ! ( 3 d 注 + r 一麓。： 。；i l ：粗1 = 工艺数据获取 上 塞否一 是 置读取。1 摹)? 参l 一毫。毒? i 麓曩墨j 口工数据读取。，。 图2 5 粗精加工数据获取过程 工艺资源管理作为整个系统的重要组成部分不仅必须具备传统c a p p 所完成 的制造资源管理，同时必须完成对三维c a p p 系统所具有的资源的管理功能。因 此系统必须实现n c 加工相关联和加工仿真a v i 过程视频关联，以与系统特殊功 能管理相一致。 2 6 3p r o e 引擎 p r o e 引擎是一个专门为三维c a p p 系统服务的、对p r o e 进行操控的c o m 服务器，其主要任务是接受三维c a p p 系统对p r o e 模型的操控指令，并将其转 换成合适的p r o e a p i 函数，完成对p r o e 模型的操控和信息提取。p r o e 引擎的 主要功能包括p r o e 的连接、模型打开、界面集成、快照保存及各种特征操作， 例如特征动态获取、特征元获取、特征亮选控制等等。 第二章三维c a p p 系统的总体设计1 7 2 6 4 三维工艺发布 三维工艺发布主要包括工艺发布和工艺浏览两部分。工艺发布是对完成设计 完毕的工艺信息的保存和管理，整个发布工艺以基于x m l 的方式进行数据的存储， 同时包含x s l 转换文档、轻量化状态模型和加工模型等其他必要信息。工艺浏览主 要完成x m l 工艺信息通过x s l 转换的w e b 网页显示，同时支持工序、工步等工艺节 点状态模型的动态浏览显示。 2 6 5 系统管理 系统管理模块主要实现三维工艺卡片模板的定制、三维工艺文件保存和三维 工艺文件读取等功能。实际工艺设计中对于不同的工艺信息要以不同的模板形式 使用工艺卡片输出，不同的工艺模板被以表的形式进行组织管理，实现数据与模 板相分离，独立组织管理。三维工艺文件由四部分组成：x m l 数据文件、x s l 文 件( 将给定x m l 数据文件转换为设定格式输出) 、加工零件模型、零件加工过程各 个状态模型，所有文件作为一个整体统一保存。工艺文件还可以被重新载入设计 系统并进行编辑修改，还可以一定板式进行工艺信息的动态浏览。 2 6 6 集成接口 本系统设计为开放式系统，拥有自己的集成接口，主要功能是为了实现了系 统功能的模块化拓展。 支持对二维c a p p 系统的集成，集成和保留了部分二维c a p p 系统的资 源和功能，实现向二维c a p p 系统的数据传递。 支持对p d m ( 产品数据管理) 系统的集成，管理工艺发布信息，规范信 息管理流程。 2 7 工作流程 三维c a p p 系统的系统工作流程如图2 6 所示，主要步骤如下： ( 1 ) 进行零件的加工过程规划： ( 2 ) 在p r o e 环境下装载三维设计模型，模型打开后判断设计模型是否进行 了变更，如果是，则进行工艺模型的关联更新； ( 3 ) 然后进行详细的机加工艺设计。对于数控机加工艺，在定义工序和工 步时引用n c 程序，实现与n c 代码的关联。对于普通工序，则在三 基于p r o e 的三维