（机械电子工程专业论文）基于nx的三维数控capp系统的研究与应用.pdf

山东理丁大学硕十论文摘要 摘要 目前，数控技术在制造业中广泛应用，三维c a d c a m 技术发展较为成熟，而 针对数控环境下三维c a p p 技术的研究相对滞后，仍存在许多关键技术尚未解决，因 此，本文提出“基于n x 的三维数控c a p p 系统的研究与应用 这一课题。 本文首先针对数控环境下三维c a p p 的特点和需求提出了3 d - c a p p 的总体框架 和功能模块组成。然后综合运用n x o p e nm e n u s c r i p t 、n x o p e nu i s t y l e r 、v i s u a l s t u d i o n e t2 0 0 5 等n x 二次开发工具及t c l 、h t m l 技术对各功能模块进行了深入 的研究开发，实现了系统与n x 的集成。完成了零件信息输入模块、工艺过程设计模 块、加工过程动态仿真模块、刀具库的建立与维护、工艺信息输出模块及知识库的维 护。 最后通过实例对系统进行验证，工艺信息以超文本链接语言h t m l 格式输出网页， 定制出车间工艺员易用的符合单位特色的数控加工信息查询显示。 论文主要工作是在n x 和v s n e t 支持下展开，开发的系统内嵌于n x ，实现 3 d - c a p p 与c a d c a m 无缝集成。系统用户界面友好，操作方便，运行稳定。为在 大型c a d c a m 系统下开展三维c a p p 研究进行了探索。 关键词：3 d c a p p ；n x 5 o ；数控加工；集成：二次开发 山东理t 大学硕l ：论文a b s t r a c t 曼m l m m m 曼曼曼曼曼蔓曼曼曼皇曼皇 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h em a n u f a c t u r i n g s e c t o r ，t h r e e - d i m e n s i o n a lc a d c a mt e c h n o l o g yi sm o r em a t u r e ，b u tt h er e s e a r c ho nt h e t e c h n o l o g yo ft h r e e d i m e n s i o n a li nn u m e r i c a lc o n t r o le n v i r o n m e n th a sl a g g e db e h i n d ， s o m ek e yt e c h n o l o g i e ss t i l lh a sn o tb er e s o l v e d s o ，c l a i mt h es u b j e c t t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lc o n t r o lc a p ps y s t e mb a s e do nn x ” i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef r a m e w o r ka n df u n c t i o nm o d u l eo f3 d - c a p pi sp r o p o s e d a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t si nn u m e r i c a lc o n t r o le n v i r o n m e n t t h e nh a v e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h ef u n c t i o nm o d u l e si n - d e p t hu s e de v e l o p m e n tt o o l sl i k en x o p e nm e n u s c r i p t ，n x o p e nu i s t y l e r ，v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5a n dt c l ，h t m l t e c h n o l o g y r e s o l v e dt h ek e yt e c h n i c a li s s u e so ft h es y s t e ml i k ep r o c e s si n f o r m a t i o ni n p u t ， p r o c e s si n f o r m a t i o no u t p u t ，a n dp r o c e s sd a t a b a s e ，r e a l i z e dt h es y s t e mi n t e g r a t e dw i t hn x c o m p l e t i o no fp a r t si n p u tm o d u l e ，p r o c e s sp l a n n i n gm o d u l e ，d y n a m i cp r o c e s ss i m u l m i o n m o d u l e ，t h ee s t a b l i s h m e n ta n dm a i n t e n a n c eo ft o o ll i b r a r y ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d k n o w l e d g e - b a s e do u t p u tm o d u l em a i n t e n a n c e f i n a l l y ，a ne x a m p l eo ft h es y s t e mt ov e r i f y ，p r o c e s si n f o r m a t i o nt oh y p e r l i n k sh t m l f o r m a to u t p u tl a n g u a g ew e b p a g e s ，c u s t o m i z eac r a f tw o r k s h o pi nl i n ew i t ht h eu n i t t o - u s e c n c m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c ss h o wi n f o r m a t i o n a l lw o r ku n f o l da r eb a s e do nn xa n dv s n e t ，t h es y s t e me m b e d d e di nn x ，r e a l i z e d t h ec a d c a mi n t e g r a t i o ns e a m l e s sw i t h3 d - c a p p t h ei n t e r f a c eo ft h es y s t e mi s f r i e n d l y i ti sh a n d l e d ，e x p a n d e da n dp e r f o r m e ds t a b l y t oc a r r yo u ts t u d i e so fe x p l o r a t i o n f o rt h r e e d i m e n s i o n a lc a p pi nl a r g e s c a l ec a d c a ms y s t e m k e y w o r d s ：3 d c a p p ；n x 5 o ；n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n g ；i n t e g r a t i o n ；c u s t o m i z a t i o n 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：多耋心时间：一绎月钼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 研究生签名：7 蜊、 导师签名： 立啦 时间：沙绛月髟日 时间：j 唧年舌月f 尸日 山东理丁大学硕十学位论文第一章绪论 1 1c a p p 的发展历史 第一章绪论 c a p p 的发展经历了较为漫长曲折的过程，c a p p 的研究始于2 0 世纪6 0 年代末 期，最早进行c a p p 技术研究的国家是挪威，于1 9 6 9 年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c a p p 系统a u t o p r o s 。美国是2 0 世 纪6 0 年代末7 0 年代初开始研究c a p p 的，并于1 9 7 6 年由c a m i 公司推出颇具影 响力的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，成为c a p p 发展史的里程碑l l l 。从 8 0 年代中期到9 0 年代初，人工智能技术使专家系统得到广泛的应用，开发出一大批 基于规则推理的专家系统。这些系统与以往系统的显著区别在于：系统有一个将工艺 知识与经验以生产方式规则表示的知识库和模拟工艺设计专家系统的推理机进行工 艺决策。最近几年，国外研究人员对c a p p 的理论与方法进行了广泛的研究和深入的 探究，围绕着c a d c a p p 的集成，人们进行了广泛的研究并提出了一些c a p p 获取 信息的方法【2 训。自从1 9 6 5 年n i e b e l 首次提出c a p p 思想，迄今4 0 多年，c a p p 领 域的研究得到了极大的发展，期间经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系 统、工具系统等不同的发展阶段，并涌现了一大批c a p p 原型系统和商品化的c a p p 系统。 1 2 传统二维c a p p 的特点 1 2 1 二维c a p p 的优点 c a p p 被认为是连接c a d 与c a m 的桥梁和纽带，c a p p 利用c a d 传递的零件 信息，生成有关工艺文件( 必要时还可向c a d 系统反馈有关工艺评价信息) ，系统利 用这些工艺文件经过适当处理生成n c 程序，实现c a m ，从而实现c a d c a p p c a m 的集成。 1 可以降低对工艺设计人员技巧和经验的要求，相应地可使部分熟练的工艺设计 人员解脱出来，以进行改进和优化现行工艺设计性能的研究，从而提高工艺设计的技 术水平和工艺管理水平。 2 可以减少工艺过程设计的时间。由于计算机处理的速度和减少了工艺设计的重 复性工作，从而使得工艺过程设计所需的时间大为减少，据统计，利用c a p p 系统编 制工艺规程甚至可比用手工编制少花9 5 以上的时间，相应地缩短了生产技术准备周 山东理t 大学硕十学位论文第一章绪论 i i 一一一 i i 曼曼皇! 曼皇量曼皇曼皇皇皇 期。这对于工艺准备工作占整个生产技术准备工作很大部分工作量的多品种小批量制 造企业来说意义十分重大。 3 可以减少工艺过程设计的费用和零件制造的费用，从而降低产品的成本，提高 产品的竞争力。 4 可以设计出比手工设计更准确、质量更高、标准化更好的工艺规程，大大提高 了工艺设计工作本身的质量并因此而使产品的制造质量得到了更充分的保证。 5 可以使c a d 、c a p p 、c a m 有效地结合起来，从而使计算机集成制造( c i m ) 得以实现。有研究表明，c i m 是未来制造业中占主导地位的生产方式，作为其中间 环节的c a p p 如能得到高水平的实现并与c a d 、c a m 有机集成，必然使c i m 的发 展更为顺利。 1 2 2 二维c a p p 的缺点 二维c a p p 虽然在提高效率和效益方面有诸多优点，但也存在一些问题。 lc a p p 在企业信息集成方面存在较严重的信息孤岛问题【5 1 ：其一，不少企业c a d 设计和c a m 设计是基于3 d 实体，而在工艺设计方面采用的是基于二维的c a p p 系统， 3 dc a d c a m 与2 dc a p p 无法实现信息共享；其二，工艺规程中工序间的加工图形 信息彼此不相关联；其三，工序中所需要的工装央具刀具、量具和机床都采用工艺设 计的文字属性进行描述，无法采用3 d 实体的装配形式阐述他们之间的关系。 2 在目前已经应用的c a p p 企业中，中小型企业以文本型c a p p 为主，而大中型企 业则以数据库型c a p p 为主。由于文本型c a p p 中工艺数据的存储是非结构化的，不利 于工艺数据的后续处理，所以文本型c a p p 在实现信息集成与共享方面是一个难以解 决的问题。 3 目前绝大多数企业，c a p p 的应用集中在机械加工工艺的设计，c a p p 在企业的 应用缺乏应有的广度。实际上，产品在整个生命周期内的工艺设计通常涉及到产品装 配工艺、机械加工工艺、锻造工艺、饭金冲压工艺、焊接工艺、热表处理工艺、毛坯 制造工艺等各类工艺设计。c a p p 应用应从以零组件为主体对象的局部应用走向以整 个产品为对象的全生命周期的应用，实现产品工艺设计与管理的一体化，建立企业级 的工艺信息系统。 4 目前绝大部分企业c a p p 的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇总、 工艺流程和权限的管理与控制方面，有效地提高了工艺设计的效率和标准化水平，这 是c a p p 应用的基础。但c a p p 应用的深度还不够，还不能有效地总结行业工艺“设计 经验”和“设计知识”，从根本上解决企业有经验的工艺师的问题。目前通用的c a p p 系统还无法实现对工艺知识的总结、积累和应用，如何提高c a p p 系统的知识水平， 实现c a p p 的有限智能，是企业关心的问题，也是c a p p 软件厂商需要考虑的问题。解 决了工艺设计效率、标准化、集成的问题，下一步如何帮助企业总结工艺知识和经验 2 山东理t 大学硕 ：学位论文第一章绪论 是c a p p 应用的关键。 5 数控技术的应用越来越广泛，二维c a p p 已不适应这种环境。 1 3 三维c a p p 的特点 提供基于三维c a d 的加工工艺设计工具，可以基于3 d 模型定义加工工艺特征， 自动获取加工特征信息，可以基于特征) j n i 失n 识进行辅助工艺决策，可以建立3 d 工 艺装配库，可以生成3 d - f 序简图，实现可视化的装夹规划等。 提供可视化的装配工艺设计工具，可以自动获取三维装配结构信息，能可视化地 指定零部件的装配路径和先后顺序，可以生成三维装配工序爆炸图，装配工序设计时， 可以指定装配工装和工具信息，可以进行装配过程的实体仿真，仿真过程可以指定为 整个装配过程或某一道工序的装配过程。 在虚拟仿真环境中加入刀具，夹具等三维模型，以更真实的方法模拟仿真现实操 作。同时，对刀具，夹具的操作空间进行验证，以帮助解决现实中如何选取合适的工 具进行加工以及对加工可操作性进行验证。 1 4c a p p 的应用现状 近几年，在c a d 、c a m 相对发达的情况下，国外研究人员围绕c a d c a p p c a m 的集成进行了大量的研究 6 - 7 ，特别是以美国、法国为代表的西方制造厂商，女l l b o e i n g 、 l o c k h e e d 、a i r b u s 等著名的飞机制造公司在工艺与过程管理集成化方面，开发和继承 了大量的c a p p i 程应用软件和制造数据管理软件，建立了各类工程数据库、材料库、 设计和制造特征数据库、典型工艺库、典型零件库等，初步解决了产品技术准备阶段 的信息集成于共享问题( 如c a d c a p p c a m ) ，制定了相应的企业标准规范，并成 功的应用于新型飞机的研制和型号技术改造中，大大提高了设计质量、缩短了研制周 期、降低了开发成本。 我国对c a p p 的研究始于2 0 世纪8 0 年代初。1 9 8 2 年同济大学推出t o j i c a p p ，随着 信息化的不断深入，制造业企业在c a p p 系统开发( 自行或联合) 、应用方面给予了 相当大的投入，c a p p 的初步应用已给企业带来了明显效益。1 9 9 6 年4 月，针对国家 8 6 3 c i m s 重点推广应用工程西飞公司x a c c i m s 工程子项目x a c c a p p 系统开发， 提出“以交互式设计为基础，以工艺知识库为核一t l , ，在波音7 3 7 7 0 0 垂尾工艺设计和管 理上全部实现计算机化、信息化，并实现通过数据库系统同m i s 、m a s 、f m s 等对产 品工艺信息共享集成 的c a p p 开发与应用模式。在此基础上，1 9 9 7 年6 月，结合国 家“九五 攻关项目子专题“基于微机环境的实用化c a p p 应用系统”的开发，提出 山东理t 大学硕i 学位论文第一市绪论 ! ! 一 _ _ _ i i 曼曼! 曼曼鼍曼曼鼍鼍舅曼曼曼曼曼皇曼曼笪皇曼曼皇! 曼皇璺 “以工艺知识库产品工艺数据库为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管理和 工艺卡片格式编辑器为应用支持工具，面向产品全面实现工艺设计与管理计算机化、 信息化 的全新c a p p 应用框架与应用开发模式，标志着我们国家开始了c a p p 产品 化的工作【8 j 。国家“十一五高技术研究发展计蓟j ( 8 6 3 计戈1 j ) 2 0 0 7 年7 月公布的先进制 造技术领域“基于三维产品模型的集成化c a p p 系统”重点项目申请指南认为：“当 前国际上c a p p 的技术与应用呈现出在数字化、智能化和网络化技术支持下实现基于 三维的工艺设计、工艺仿真与优化、可视化装配等发展趋势。 武汉开目公司在国内率先提出了c a p p 工具化的思想，工具化c a p p 的思想在商 业上获得了极大的成功，使得c a p p 真正从实验室走向了市场和企业。借助于工具化 的c a p p 系统，上千家的企业实现了工艺设计效率的提升，促进了工艺标准化建设， 实现了与企业其它应用系统c a d p d m e r p 等的集成，有力地促进了企业信息化建 设。当前囡际上c a p p 的技术与应用呈现出在数字化、智能化和网络化技术的支持下 实现基于三维的工艺设计、工艺仿真与优化、可视化装配等发展趋势。基于三维产品 模型进行工艺规划已经成为企业的迫切需求。“十一五”8 6 3 计划先进制造技术领域设 置了“基于三维产品模型的集成化c a p p 系统”重点项目。迄今为止，在国内学术会议 刊物上发表或商用的c a p p 系统有：武汉开目软件开发公司的k m c a p p 、西北工业大 学c a p p 研究所的c a p pf r a m e w o r k 、北京清华京渝天河软件开发公司开发的 t h c a p p 、北京艾克斯特科技有限公司开发的x t c a p p 、中国大恒信息技术公司开发 的大恒c a p p 、大连理工大学的t w c a p p 、上海交大的思普c a p p ，浙江大学的 g s c a p p 系统等。 总的来看，c a p p 的研究开发方向存在一定的偏差：从应用角度看，己取得的实 际效益和投入的力量很不相称；国内外的重点研究方向和当前的实际需求相去甚远。 表现在：开发多，应用少；开发投入多，应用维护几乎无投入；原型系统多，得到实 际生产应用的系统很少；商品系统较少，而且功能不足，同c a d 、c a mb o m 等相关 计算机辅助技术相比，差距相当大；对于企业c a p p 应用过程的b o m 集成和任务管理重 视不够；过分强调工艺设计的自动化，忽视了数据集成和工艺相关的辅助功能研究1 9 。 1 5c a p p 的发展趋势 纵观c a p p 发展的历程，可以看至i j c a p p 的研究和应用始终围绕着两方面的需要而 展开：一是不断完善自身在应用中出现的不足：二是不断满足新的技术、制造模式对 其提出的新的要求。因此，未来c a p p 的发展，将在应用范围、应用的深度和水平等 方面进行拓展，表现为以下的发展趋势： 1 面向行业的c a p p 应用解决方案与开发技术 4 山东理t 大学硕l j 学位论文第一章绪论 尽管不同企业c a p p 应用需求差别较大，但同一行业内的产品工艺及设计管理模 式具有较大的相似性，因此，有必要建立面向行业的c a p p 应用参考模型，具体包括： 工艺信息模型、功能模型、资源模型、组织模型、过程模型等，并以此为基础，提供 面向行业的c a p p 工艺解决方案。 2 c a p p 快速开发应用技术及工具 尽管目前商品化c a p p 系统已得到较好应用，但为了满足企业的深层次需求， c a p p 系统开发和实施周期长的问题依然存在，为了使c a p p 在企业能够快速实施、 开发和应用，需研究c a p p 快速开发技术及提供快速定制与开发工具。 3 c a p p 标准化技术研究 建立c a p p 系统的功能定义集合和标准，解决c a p p 系统的功能定义标准化及系 统体系框架描述标准化问题。基于c a p p 基本功能定义及系统体系框架，对企业c a p p 的需求进行分析，形成标准化和规范化的描述，包括工艺设计与管理以及工艺信息集 成等需求，解决企业在c a p p 系统开发中对需求定义的完整性和一致性差的问题。 4 基于知识的新型智能化工艺设计技术 目前，以交互式为基础，建立丰富的工艺知识库，并应用各种人工智能技术，实 现各阶段各种有效的智能化在线辅助，仍是c a p p 发展的重要目标之一。 5 基于网络和数据库环境的工艺、制造资源、管理信息共享和集成技术 在制造企业中，制造过程数据包括工艺数据、生产计划数据、生产过程数据等， 其中工艺数据是基础和源头。c a p p 作为企业信息化建设的龙头和关键，现在人们从 集成的角度来认识其地位和作用，认为集成化是c a p p 应用的方向之一。c a p p 集成 化的基础是c a p p 的信息集成，开放式、分布式网络和数据库系统是c a p p 集成化应 用的支撑环境，采用基于数据定义的工艺设计技术，通过分布式网络和数据库，全面 实现企业产品工艺设计和管理的计算机化和信息化【1 0 - 1 2 1 。 6 c a p p p d m e r p 集成技术 c a p p 与p d m 、e r p 系统的集成是企业应用集成的核心部分之一。c a p p 作为制 造企业工艺信息化的基础平台，应在各个层次上满足企业对工艺信息的集成与共享需 求。 7 开放的工艺资源管理模式及技术 在工艺设计中，所涉及的工艺资源包括：工艺方法、机床设备、原材料、工艺装 备、工艺参数等。上述工艺资源不仅是制定工艺计划的重要依据，更是企业其它技术 和管理决策的基础。因此，企业必须建立开放的、可重构的工艺资源管理模式。 8 基于三维c a d 的c a p p 系统及应用 三维c a d 的应用对工艺设计方式、工艺资源及制造数据管理模式等产生了重大 影响，基于三维c a d 的数控工艺设计、工装设计、工艺资源管理等成为企业工艺信 山东理t 大学硕十学位论文第一章绪论 息化新的应用需求，因此迫切需要研发支持三维c a d 的c a p p 系统及应用。这是 c a p p 应用的一个功能拓展，并不存在三维c a p p 的概念。科技部在“十五8 6 3 现 代集成制造系统技术主题，将“基于三维c a d 的c a p p ”专门立项研究和推广。可 以预见，基于三维c a d 的c a p p 系统将成为研究的热点。国内开目、金叶等几家软 件公司正在进行研究，并且开目公司目前己经推出了原型的应用系统。 1 6 课题的研究意义和主要研究内容 1 6 1 课题的研究意义 中国已经成为世界制造中心，制造的关键在于工艺。当前，随着数控技术的广泛 应用，现代集成制造技术、制造业信息化技术的发展及其在我国制造业的推广和应用， 三维c a d 技术正在成为企业产品创新设计和数字化设计制造的基础平台，这对工艺设 计方式、工艺资源及制造数据的管理模式等产生了重大影响，也为c a p p 应用提出了 新的课题。 近年来，虽然中国制造行业的信息化高速增长，但制造行业信息化处于非成熟阶 段，整体应用水平偏低，大部分制造企业实施信息化比较成功的是财务管理、管理信 息系统、办公自动化系统等初级应用方面，使用基于三维产品模型的c a p p 技术的企 业还不多，且刚起步，实现了c a d c a p p c a m 一体化应用的企业更少，远未达到与 生产融合的高度，仅有不足1 的企业体现出息化成熟的特征。因此，中国c a p p 软件 市场作为一个有待成熟的领域将重新成为中国信息化软件产业发展的一个热剧1 3 】。 目前大多数产品化的c a p p 系统，仍然运行在二维c a d 平台上，由于二维系统在 许多方面存在不足，因此，新的c a p p 系统首先应当是建立在三维c a d 平台下，同时 应当能实现产品计算机辅助工艺设计过程的3 d c a d c a p p c a m 同步可视化表达， 让用户在工艺设计过程中，能方便、直观地查看并获取产品的三维模型属性和各种工 艺资源信息【1 4 1 。为数不多的三维c a p p 系统主要考虑了c a d 的集成，很少考虑到与 c a m 的集成，而c a p p 更多的是与c a m 信息的交互。 正是基于上述思想，本课题“基于n x 的三维数控c a p p 系统的研究与应用体现 了制造业信息化发展的需要和我国制造业的生产实际的需要。因此，本课题的工作对 于提高我国c a p p 系统的技术和应用水平，对于推进制造业信息化的发展，对于提高 制造企业市场竞争能力具有重要的意义。 6 山东理t 大学硕 学位论文 第帝绪论 1 6 2 主要研究内容 c a d 、c a p p 、c a m 作为c i m s 的重要组成部分，实现三者之间的有机集成对制 造行业有着重大的意义。但目前，国内外尚无完善的c a d c a p p c a m 集成系统，其主 要原因在于：( 1 ) 以前c a d 系统创建的零件模型只能包含简单的几何特征信息； ( 2 ) c a p p 难以与c a d 和c a m 交换和共享数据，从而使c a p p 无法直接获得c a d 产生的 特征信息，而c a p p 产生的工艺信息也无法自动地为c a m 所用。 针对上述问题，本文以n x 5 0 为系统开发平台，v i s u a lc # n e t 和n x o p e na p i 为开发工具来实现c a d c a p p c a m 的集成。本文主要研究内容有： 1 数控设备条件下工艺文档的格式和要求。 2 n x 系统与工艺信息的集成：能把常用的工艺信息集成到n x 环境中，方便用户 在n x 环境下直接对模型进行工艺规划，例如工件材料数据库、刀具信息、切削用量 库、刀柄等信息集成到n x 环境中。 3 n x c a m 环境下工艺参数的提取和汇总。把n x c a m 环境下的工艺信息提取出 来，例如刀具信息、切削参数、加工深度等。 4 实现刀路图的捕捉。能够在c a m 模拟环境下捕捉道路轨迹图或者自动捕捉图 片到工艺卡片中。 5 实现零部件信息的自动提取。例如设计者、零件名称、零部件材料、重量等 信息自动捕捉。 6 产品结构b o m 表的自动提取。通过该功能，能汇总出工装夹具b o m 。 7 在n x 环境下，开发夹具标准件库。利用n x 的重用库功能，定制适合企业需 求的夹具标准件库。 本课题开发的程序在n x 中是一个相对独立的部分，它符合n x 系统的风格，并且 具有n e t 中比较友好的对话框，可以实现与软件其它部分的无缝集成。操作人员可 以在较以往少得多的时间里完成特征零件的设计分析及工艺设计的任务。在开发过程 中以有效性、实用性为基本目标，充分调查了解企业的实际生产条件和生产状况，广 泛听取经验丰富的专家的意见及充分利用现有的成熟技术，综合利用现代先进的设计 制造理论和方法。 各章节内容安排如下： 1 第一章概述c a p p 发展历史、研究动态、发展趋势和研究意义。 2 第二章介绍系统框架及所具有的功能模块。包括零件信息输入模块、工艺过 程设计模块、工艺信息输出模块、加工过程动态仿真及知识库等。 3 第三章系统功能模块的实现及关键技术，建立了基于特征的零件信息结构模 型，开发了与三维c a d 系统无缝衔接的信息输入界面，创建了产品信息库、工艺资源 7 山东理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 库，工艺动态数据库、标准参数库，建立了基于产品结构树的可视化数据库管理系统。 以零件的最终状态作为出发点，采用特征回退技术，生成工步间模型，实现零件工序 图的动态生成。知识库的维护建立起刀具数据库、机床数据库及切削用量查询数据库 等知识和数据库。研究了车间工艺文档，根据用户需求订制了适合企业的车间工艺文 档输出。以超文本链接语言h t m l 格式输出网页，定制出车间工艺员易用的符合单位特 色的数控加工信息查询显示。即操作工、刀具仓库工人或其他需要了解有关信息的人 员都可方便的在网上查询使用车间工艺文档。 4 第四章系统集成，分别介绍了c a p p 与c a d 信息的集成，与c a m 信息的集成以 及c a p p 模块与n x 的集成。 5 第五章以山东理工大学机械厂为泰安航天特种车有限公司加工的t a 5 3 8 0 特种 车后桥主减速器壳体为实例验证三维数控c a p p 系统。 6 第六章对本课题的研究进行总结计进一步研究的展望。 8 山东理t 大学硕一l ：学位论文第二章系统总体架构 2 13 d c a p p 总体框架 第二章系统总体架构 n x 5 0 是s i e m e n sp l ms o f t w a r e 公司推出的面向制造行业的 c a i d c a d c a e c a m 高端软件，是当今世界上最先进、最流行的工业设计软件之一。 n x 3 d c a p p 是内嵌于n x 系统，w i n d o w s 风格交互界面的工艺决策程序。通过n x 二次开发工具n x o p e n ，开发特征识别模块，实现特征信息的自动识别、提取，从 而建立起零件特征信息库，在v s n e t 平台上开发工艺规程设计模块，结合相关工艺 数据、工艺知识，针对特征进行工艺决策，完成某一零件的工艺规程决策、工序设计。 使零件的三维设计、分析与工艺决策能够实现有效集成，使零件的设计、分析和工艺 规程的制订有效的统一于共同的零件特征信息模型之上。3 d c a p p 总体框架如图2 1 所示。 零件信息输入模块 工艺过程设计模块加工过程动态仿真 i 工艺数据、知识库模块工艺信息输出模 2 23 d c a p p 模块组成 图2 13 d c a p p 总体框架 视c a p p 系统的工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。3 d c a p p 系统基本的构成模块如图2 - 2 所示，包括： 1 零件信息输入模块 9 山东理t 大学硕f ：学位论文第二章系统总体架构 零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，计算机目前还不能象人一样识别零 件图纸上的所有信息，所以在计算机内部必须有一专门的数据结构来对零件信息进行 描述，如何输入和描述零件信息是c a p p 系统最关键的问题之一。 2 工艺过程设计模块 以b o m 为导航机制，对零件进行工艺路线设计，生成各种类型工艺文件，完成 对工艺的编辑，工序图和工艺简图的绘制工作以及工艺文件的管理和输出。 3 加工过程动态仿真 加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。检测工装 的合理性，刀具路径的安全性等。 4 工艺信息输出模块 输出模块可以超文本链接语言h t m l 格式输出网页，定制出车间工艺员易用的符合 单位特色的数控加工信息查询显示。 5 工艺数据、知识库模块 这是c a p p 系统的支撑工具，它包含了工艺设计所需要的所有工艺数据，如加工 方法、余量、切削用量、机床、刀具、夹具、以及材料、工时、成本核算等多方面的 信息。 l o 山东理t 大学硕l ：学位论文第二审系统总体架构 2 2 1 零件信息输入模块 图2 23 d c a p p 系统模块组成 输入零件信息是进行计算机辅助工艺过程设计的第一步，零件信息描述是c a p p 的关键，其技术难度大、工作量大，是影响整个工艺设计效率的重要因素。 零件信息描述的准确性、科学性和完整性将直接影响所设计的工艺过程的质量、 可靠性和效率。因此，对零件的信息描述应满足以下要求： 1 信息描述要准确、完整。所谓完整是指要能够满足在进行计算机辅助工艺设 计时的需要，而不是要描述全部信息； 2 信息描述要易于被计算机接受和处理，界面友好，使用方便，工效高； 3 信息描述要易于被工程技术人员理解和掌握，便于被操作人员运用； 4 由于是计算机辅助工艺设计，信息描述系统( 模块或软件) 应考虑计算机辅 助设计、计算机辅助制造、计算机辅助检测等多方面的要求，以便能够信息共享。 c a p p 的输入信息就是需要加工零件的特征信息，它是c a p p 系统进行工艺决策 生成零件加工过程的初始依据【l5 1 。在当前c a d c a m 领域，基于特征的产品设计方 山东理t 大学硕l ：学位论文第二鼋系统总体架构 法是能够有效建立产品信息模型的最流行的设计方法【1 6 17 1 。基于特征的零件信息建模 技术采用了具有工程意义的特征作为基本构造单元，将工程知识和几何信息有机融 合，使得整个信息模型具有丰富的语义，同时提供了高层次的产品信息来完整地、全 面地描述产品零件信息模型应包含零件全生命周期内所有的数据内容，不仅包括 c a d 系统所提供的几何定义，也包括经由特征设计、特征识别和特征映射所建立起 来的特征及特征关系【1 8 】。零件特征信息一般分为五大类，即： 1 形状特征描述零件的公称几何关系。它不但是最主要的目的，而且是种类最 多、描述最复杂的零件特征。 2 精度特征它描述了几何关系的允许变化范围，为了方便起见，可将精度特征 分为两类：独立精度特征，指单个形状特征本身的精度要求，如定形尺寸精度、形状 精度、表面粗糙度等；关联精度特征，指多个形状特征之间的精度要求，如位置精度、 定位尺寸精度等。 3 管理特征它描述用零件管理有关的所有信息，如标题栏信息、未注粗糙度等 信息。 4 技术特征它描述零件的技术要求。 5 材料热处理特征它描述与零件材料和热处理有关的所有信息，如零件材料热 处方式、硬度等。 2 2 2 工艺过程设计模块 企业中的一切生产活动都是围绕产品而进行的。工艺文件作为产品的属性，应在 工艺设计计划指导下，围绕产品的结构( 基于装配关系的产品零部件明细表) 展开。基 于产品结构进行工艺设计，可以直观、方便、快捷的查找和管理工艺文件，借助工艺 b o m 的产品结构树可以方便的进行任务的管理【l 引。工艺b o m 是企业的工艺设计部 门用来组织和管理生产某种产品及其相关零部件的工艺文件，它是工艺部门在设计 b o m 的基础上，根据企业工艺装备特点，编制产品的装配件、零部件和最终产品的 制造方法，同时在工艺b o m 中确定了零部件的加工设备、工装夹具、刀具、辅具等 工艺信息。 工艺结构树管理界面分为二部分：右边下半部是在服务器上工艺的文件目录树， 它和产品结构树的零部件是一一对应的关系；左边下半部为在服务器上文档信息( 基 本、属性和配置) 与文档图形预览( 预览图) ；在文档信息中的属性是反映当前工艺文档 的产品和工艺技术信息，在文档信息中的配置是反映当前工艺文档的工序内容的信 息：文档图形预览是相对于n x 文档的。 工艺文档信息区：工艺文档信息区位于主界面的左边下半部，由以下四部分组成： 山东理t 大学硕1 学位论文第二荦系统总体架构 基本信息一在服务器上显示当前工艺文档的信息，如：“文件名、“类型、“大小 、 “创建时间 、“修改时间 、“访问时间 和“所属项目 。 属性信息一在服务器上是对当前工艺模型文档的显示，显示的内容包括当前零部 组件的设计和工艺技术信息。 配置信息一在服务器上是对当前工艺模型文档的显示，显示的内容包括当前零部 组件的加工工艺技术信息。 预览图一在服务器上是显示当前文档为n x 的文件的图形与模型。 工艺结构树的创建过程：鉴于工艺结构树管理是隶属产品结构树管理的，因此我 们只需确定产品结构树上某个零部件后，在工艺结构树上会自动产生以该零部组件文 件名称为树的根节点。在工艺结构树的根节点上，创建该零部组件的工艺管理目录。 通过3 d c a p p 编制好的工艺文件，用检入方式( 鼠标拖动文件) 将工艺文件归类存放在 已经建好的工艺结构树上管理目录中。 在n x c a d 三维模型设计环境中设计零件的三维工序模型，通过系统自身的 投影功能，即可生成各种角度的投影图、剖视图等，使工艺设计人员在设计一次工序 模型之后可以生成多份二维工序图，简化了绘制二维工序图的过程：同时三维工序模 型更加直观，避免了工艺设计人员和现场加工人员读图的烦琐过程，降低了制图与读 图过程中发生错误的可能。 w a v e 技术是n x 提供的基于产品和特征的直接建模和产品总体相关设计技术， 包含关联设计、种子技术和几何元素的连接相关等。它的使用符合参数化产品的设计 过程和规则，先总体设计后详细设计局部设计决策服从总体设计决策。为了维持设 汁的完整性和意图，w a v e 设计把概念设计与详细设计的变化自始至终地贯穿到整个 产品的设计过程，它帮助用户找出驱动产品设计变化的关键设计变量并将这些变量放 入w a v e 顶层控制结构中，子部件和零件的设计则与这些变量相关当对这些变量 进行更改时其顶层结构及相关的予部件和零件将自动更新。由于n x 采用基于变量 几何的复合建模技术，这些关键设计变量既可以是数值变量也可以是如一根样条曲 线或空间曲面的广义变量数值变化、形状变化都能根据w a v e 控制传递到相关的 子部件和零件设计中去。参数化建模允许在一单个零件内建立特征间相关的关系， n xw a v e 允许扩展这种概念去建立不同几何体间的相关关系，它也提供了解、管理 和控制这些关系，触发部件间的更新。w a v e 可以通过关联性连接方法应用于制造加 工过程，模拟一系列“在加工过程中”不同工序的零件模型【2 0 1 。 为了编程，我们必须建立两个三维模型，一个是毛坯，另外一个是最终的零件图 形，这样第一道工序的输入就是毛坯，最后一道工序的输出是零件图形。中间的工序 模型就需要我们自己建立，工序模型的建立可有两种方法：一种是倒退法，从最后的 工序开始，通过简化特征或者删除特征的方法获得最后一道工序的输入，然后通过 山东理t 大学硕十学位论文第二币系统总体架构 w a v e 链接，可获得倒数第二道工序的输出，因为最后一道工序的输入和倒数第二道 工序的输出模型是一样的。第二种方法是前推法，从毛坯开始增加特征，获得工序模 型。当然这两种方法可以混合使用。关键的技术是由于工序之间存在模型的关联，这 种关联关系要靠w a v e 技术来保障。 在n x c a d 三维模型设计环境中设计零件的三维工序模型，通过系统自身的 投影功能，即可生成各种角度的投影图、剖视图等，使工艺设计人员在设计一次工序 模型之后可以生成多份二维工序图，简化了绘制二维工序图的过程；同时三维工序模 型更加直观，避免了工艺设计人员和现场加工人员读图的烦琐过程，降低了制图与读 图过程中发生错误的可能。在绘制工序三维模型时，利用n x w a v e 方法，将工序 模型之间及工序模型与零件设计模型之间建立关联。经过w a v e 关联后，工序模型 具有如下特点： 第一，自动复制工序模型，即被关联模型会自动复制到本工序模型中。由于相邻 工序模型之间差别较小，工艺设计人员只需在此基础上稍做修改即得本工序的工序模 型，大大降低了工序模型绘制的工作量； 第二，模型之间保持关联性，即关联之后不仅复制了模型，而且模型之间还增加 了关联的特性。当零件设计模型改变时，与之相关联的丁序模型会自动随之改变，使 工序模型与零件设计模型及工序模型之间始终保持同步更改，大大简化了因模型修改 而带来的建模工作，提高了工序模型绘制效率，避免了模型修改时因遗漏带来的各种 错误。 2 2 3 加工过程动态仿真模块 无论是采用语言自动编程方法还是采用图形自动编程方法生成的数控加工程序， 在加工过程中是否发生过切、少切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理， 零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台是否干涉和碰撞等，编程人员往往事先很难 预料，结果可能导致工件形状不符合要求，出现废品，有时还会损坏机床、刀具。随 着n c 编程的复杂化，n c 代码的错误率也越来越高。因此，零件的数控加工程序在 投入实际的加工之前，如何有效地检验和验证数控加工程序的正确性、确保投入实际 应用的数控加工程序正确，是数控加工编程中的重要环节。 n x 5 o 的综合仿真与检查( i n t e g r a t e ds i m u l a t i o n & v e r i f i c a