（机械制造及其自动化专业论文）基于ug面向集成的数控铣削系统的研究.pdf

东北大学颈士学位论文 基于u g 面向集成的数控铣削系统的研究 摘要 随着计算机辅助制造( c a m ) 技术的发展，c 脯软件被广泛应用于复 杂零件数控铣削加工的编程。当前，c a m 软件功能越来越复杂，掌握起 来很困难。生成的刀具轨迹正确以及优化与否和工程师对软件的熟练程 度有很大关系，因此，人们期望c a m 系统具有智能性，能自动生成各工 序的刀具轨迹及各种工艺工序报表。 论文在u n i g r a p h i c s 软件平台上开发了一个应用于数控铣削加工的 应用系统。论文首先深入分析了u n i g r a p h i c s 软件加工方式的特点，总结 出了使用u n i g r a p h i c s 软件进行数控铣削加工零件的一般性方案。然后经 过加工工艺设计模块进行零件数控加工的工艺决策，自动生成工艺数据 或者从其它c a p p 系统中读取工艺数据。最后通过数控自动编程模块实 现刀具轨迹的自动生成，输出n c 代码。 系统由三个模块组成：零件信息模型建立模块、加工工艺设计模块 和数控自动编程模块。零件信息模型建立模块在u n i g r a p h i c s 软件c a d 功能的基础上，通过二次开发进行c a d 功能的扩展，构成了个全局零 件信息模型。零件信息模型包含了零件的几何拓扑信息、加工工艺信息 和控制信息。加工工艺设计的最终目的是得到零件数控加工的工艺数据。 论文采用了两种获得工艺数据的方式，一是基于本系统，采用刨成的工 艺设计方式产生工艺数据，它首先通过零件信息识别，从零件信息模型 中提取出进行零件加工的信息形成框架信息模型，以工艺逻辑决策树为 基础，进行工艺决策推理。生成的工艺数据以关系表的形式存储在数据 库中，以供数控自动编程模块调用。二是数控自动编程模块所需的工艺 数据可以从其它c a p p 系统中读取。数控自动编程模块从数据库中提取 出加工工序进行分析处理，调用u n i g r a p h i c s 软件的二次开发工具 u g o p e n a p i 中的相应函数，自动生成各工序的刀具轨迹，进行加工过 程仿真，仿真无误后再经过后置处理输出n c 代码。 关键词计算机辅助制造，数控铣削加工，1 ：艺决策，数据库，刀具轨迹 n c 代码 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nn c m i l l i n gs y s t e m b a s e do nu ga n do r i e n t e di n t e g r a t i o n a bs t r a c t t h ec a ms o f t w a r eh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di n n cm a n u f a c t u r i n g m i l l i n gp r o g r a m m i n g ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ( c a m ) t e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h e f u n c t i o no fc a m s o f t w a r ei sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，a n di ti sc o n t r o l l e dv e r yd i f f i c u l t i t i so fg r e a tr e l a t i o nt ot h ee n g i n e e r sw e l l - t r a i n e dd e g r e et ot h es o f t w a r et h a t t h et o o l p a t h i s r i g h ta n de x c e l l e n t o rn o t t h e r e f o r e ，i t se x p e c t e dt h e s y s t e mo fc a mh a st h ei n t e l l i g e n c ea n dc a na u t o m a t i c a l l yc r e a t et o o lp a t h a n dv a r i o u sp r o c e s sf i l e s t h i st o p i cd e v e l o p sas y s t e mt h a ta p p l i e st on cm a n u f a c t u r i n gm i l l i n g b a s e do nt h e u n i g r a p h i c ss o f t w a r e t h et o p i ct h o r o u g h l ya n a l y s e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a n u f a c t u r i n gw a yi n u n i g r a p h i c ss o f t w a r e ， a n d s u m m a r i z e st h eg e n e r a lp r o j e c to fc a r r y i n go nn cm a n u f a c t u r i n gm i l l i n gb y t h eu n i g r a p h i c ss o f t w a r e t h e ni tc a r r i e so nt h ep r o c e s sd e c i s i o no ft h e p a r t sn cm a n u f a c t u r i n gt h r o u g h t h em o d e lo f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s p l a n n i n g ，a n da u t o m a t i c a l l yc r e a t e so rr e a d sp r o c e s sd a t af r o mo t h e rc a p p s y s t e m t h ef u n c t i o n o ft h em o d e lo fn ca u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n g a u t o m a t i c a l l yc r e a t e st h et o o lp a t ha n do u t p u t st h en c c o d e t h e s y s t e m i s c o m p r i s e d o ft h r e em o d e l s ：t h em o d e lo f p a r t s i n f o r m a t i o n ，t h em o d e lo fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp l a n n i n ga n dt h em o d e lo f n ca u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n g t h em o d e lo fp a r t si n f o r m a t i o ne x p a n d s t h ef u n c t i o nt h r o u g hs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，c o n s t i t u t e sa no v e r a l lm o d e l o fp a r t si n f o r m a t i o no nt h eb a s eo ft h ec a df u n c t i o no fu n i g r a p h i c s s o f t w a r e t h em o d e lo fp a r t si n f o r m a t i o ni n c l u d e st h eg e o m e t r i ct o p o l o g y i n f o r m a t i o no ft h ep a r t s ，p r o c e s si n f o r m a t i o na n dc o n t r o li n f o r m a t i o n t h e f i n a lp u r p o s eo fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp l a n n i n gi st og e tt h ep r o c e s sd a t a u s e db yt h en cm a n u f a c t u r i n g t h et o p i cd e s i g n st w ow a y sa c q u i r i n gt h e l l i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p r o c e s sd a t a ，o n ei sd e v e l o p e dac r e a t i n gm o d e lc a p ps y s t e m ，i tf i r s t l y t r a n s i t st h er e c o g n i z i n go fp a r t s i n f o r m a t i o n ，p i c k su p t h em o d e lo f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp l a n n i n gf r o mt h em o d e lo fp a r t i n f o r m a t i o na n d g e n e r a t e st h e m o d e lo fi n f o r m a t i o n d e c i s i o nb a s e do nt h ep r o c e s sl o g i c s a v e di nt h ed a t a b a s ew i t ht h ef o r m f r a m e ，t h e nc a r r i e so nt h ep r o c e s s d e c i s i o nt r e e t h ep r o c e s sd a t aa r e o ft h er e l a t i o nt a b l e s i no r d e rt ob e u s e db yt h em o d e lo fn ca u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n g t h eo t h e rw a yi s o b t a i n i n gt h ep r o c e s sd a t af r o mo t h e rc a p ps y s t e m s t h em o d e lo fn c a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n gp i c k su pp r o c e s sf r o mt h ed a t a b a s et oa n a l y z e ， u s e st h er e l e v a n tf u n c t i o ni nu g 0 p e na p io ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t o o lo fu n i g r a p h i c ss o f t w a r e ，a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e st h et o o lp a t h ，t h e n c a r r i e so nt h ep r o c e s ss i m u l a t i o n ，g e n e r a t e st h en cc o d eb yp o s tp r o c e s s i n g a f t e rt h es i m u l a t i o nw i t h o u ta n ye r r o r k e yw o r d s ：c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，n cm a n u f a c t u r i n gm i l l i n g p r o c e s sd e c i s i o n ，d a t a b a s e ，t o o lp a t h ，n cc o d e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学 位而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：赫女v 抄1 日 期；、川，1 - 、1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学位论文的规定：即学校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。本人同 意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为 不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 c a m 是在c a d 、c a p p 、c a m 集成系统中最能明显发挥效益的环节 之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品 研制周期等方面发挥着重要的作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域 有着大量的应用。 c a m 是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是 计算刀具轨迹中的刀位点( c u t t e rl o c a t i o np o i n t 简称c l 点) 。刀位点一 般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。c a m 的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后景处理产生 数控加工程序。 当前，c a m 软件功能越来越复杂、掌握起来很困难。例如有的软件， 仅粗加工一项就有十几种方法。工程师需要理解软件厂商设置的每个功 能，更重要的，理解这些功能需要学习计算几何或微分几何的相关知识。 因此，人们期望c a m 系统具有智能，能自动生成各个工序的刀具轨迹 及各种工艺工序报表。 1 1 1c a m 系统的典型体系结构 常见c a m 系统的体系结构基本上有下列三种模式：h 1 ( 1 ) 刀具轨迹生成与c a d 和c a e 等子系统在系统底层集成式开发， 零件信息模型提供强大的复杂产品造型与设计功能，生成的产品数字化 定义模型为刀具轨迹生成提供完备的数据服务。刀具轨迹生成直接在产 品数字化模型上进行n c 刀具轨迹计算，利用强大的后最处理模块生成 n c 指令。这种系统很多，像e d s 公司的u n i g r a p h i c s ，p t c 公司的 p r o e n g i n e e r ，i b m 公司的c a t i a 等。 ( 2 ) 以现有侧重产品造型的系统为平台的插件式c a m 系统，此类 c a m 软件大多基于w i n d o w s 环境，利用w i n d o w s 体系提供的各种软件 技术，以第三方的形式为产品造型系统提供插件模块或子系统。如 a u t o d e s km d t 内嵌h y p e r m i l l 和 e d g e c a m ；s o l i d w o r k s 内嵌 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 c a m w o r k s 。 ( 3 ) 支持简单曲而造型的专用n c 计算系统，如c a m a x 的c a m a n d 和s m a r t c a m ，n r e c 的5 坐标叶轮加工系统m a x a b 和m a x 5 ，c n c 的m a s t e r c a m ，以及c i m a t r o n 等。这类系统提供主要面向复杂曲面形体 的曲面( 或曲面实体) 造型和编辑，和更为强大的n c 刀具轨迹计算、 编辑、验证和后置处理功能。专用n c 系统对数控机床的适应能力较强， 提供更多的加工工艺定制方法。 对于上述三类c a m 系统而言，第一类系统基本都建立在实体模型 表示上，采用交互式定制切削方案和丁艺规划；第二类则在第一类系统 的基础上增添了加工特征自动识别技术；第三类系统依靠较为完备的曲 面建模，仍采用交互方式在面模型上快速生成多种加工形式的刀具轨迹， 但相对薄弱的造型功能制约了c a m 系统的应用。 但是，在制造业的新兴生产模式和技术小断深入应用的现实环境中， c a m 系统本身除了传统的n c 计算和后置处理，还应该结合曲面实体造 型、特征技术和参数化技术，在新的研发领域有更深层次的突破。 1 1 2 计算机辅助工艺过程规划 工艺过程规划作为产品生产中一个重要的环节，在理论上承担着将 设计规范转换为制造指令的任务。因此，它必须完全与设计模型集成， 从中提取设计信息，经过基于创成式、产生式或专家系统式的工艺推理， 再确定相应的工艺过程方案。一般意义上，工艺过程规划系统包含三个 基本模块：零件几何表示和零件设计规范表示模块；工艺规划逻辑推理 模块；知识库数据库模块。 但在实际的研究应用中，由于很多因索，工艺过程规划系统和设计 模型是脱节的。其中一个主要原因就是工艺过程规划系统的开发往往独 立于前端几何建模平台，在用户的具体生产条件等因素的作用下进行， 生产设备和工艺习惯的显著差异直接导致对同一零件模型可能会制定多 种工艺方案。正因为此，才使得只存在众多商品化的通用c a d c a m 系 统，而没有商品化的通用c a p p 系统。也就是说，对于c a p p 系统，只 可能结合具体应用完成一个专用项目。 现在的_ _ 【艺过程规划系统的开发和应用与其理论t 的初衷是存在较 大距离的。不论应用于装配或是机械加工的c a p p 系统，一旦脱离装配 体或是零件体本身的几何描述，有很多实际的工作将无法进行， 体或是零件体本身的几何描述，有根多实际的工作将无法进行a 东北大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 3 智能制造与c a m 系统的发展趋势 智能制造作为一个涉及众多技术、部门和领域的系统，尽管还没有 非常准确且通用的定义，但其所反映的基本思想是明确的。c a m 系统作 为其中一个非常具体而又重要的应用子系统，在新兴的制造模式和方法 的作用下，应该有相应的技术突破点。 制造模型( m a n u f a c t u r i n gm o d e l ) 和制造过程规划( m a n u f a c t u r i n g p l a n n i n g ) 这两个概念的提出既不是为了弥补工艺过程规划的不足，也在 所涉及的研究内容上与后者有很大不同。制造过程规划强调从零件自身 的几何和拓扑表现这一角度，配合设计过程定义的规范和要求，完成n c 代码计算模型的生成甚至直接求解。 制造模型是制造过程规划的基础，它包含切削域的统一表示和设计 规范两个核心内容。制造过程规划以解决与零件几何模型密切相关的切 削方案制定和优化为核心目标，这一过程充分参考零件建模历史所反映 的设计意图和工程技术规范，以期晟大程度地利用所有设计资源，生成 保证质量的制造指令。 制造过程规划是c a m 系统的深层次开发所要解决的问题。其中待 解决的技术问题均与零件模型的几何表示有密切关系，而参数化n c 刀 位计算( p a r a m e t r i c a ln cp r o g r a m m i n g ) 和加工毛坯自动求解( m a c h i n i n g s t o c ka u t o m a t i cs o l v i n g ) 是为实现智能制造系统中“制造”自身的智能 化，而在c a m 系统中扩充的具体功能。而这两个技术问题又以制造模 型的智能生成( m a n u f a c t u r i n gm o d e l a u t o m a t i cg e n e r a t i o n ) 为基础。 c a m 系统作为n c 代码的生成器，必须要面向前述那些新兴的制造 模式，在系统内部提供更完备、更适用的实施方案，解决先前工艺过程 系统因为没有与几何密切关联而导致的c a d 与c a m 实际上脱节的问 题。 技术上而言，要实现零件生产的制造过程自动规划，首先要解决设 计模型向制造模型的转换，其中既包含几何描述的自动提取，又包含非 几何化的工程语义信息的继承。从而使得产品的制造过程能够遵循产品 的原始设计意图，快速地对产品更改作出正确的响应。以此为基础进而 面向高速切削、复合化加工、网络化加工等先进制造模式发展。”“ 1 2 论文的内容和意义 论文以u n i g r a p h i c s 软件为平台，开发了一个适用于数控铣削加工的 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 应用系统。系统由三个模块组成：零件信息模型建立模块、加工工艺设 计模块和数控自动编程模块。零件信息模型建立模块在u n i g r a p h i c s 软件 c a d 功能的基础上，通过二次开发进行c a d 功能的扩展，构成了一个 全局零件信息模型。零件信息模型包含了零件的几何拓扑信息、加工工 艺信息和控制信息。加工工艺设计的最终目的是得到零件数控加工的工 艺数据。论文采用了两种获得加工工艺数据的方式，一是基于本系统， 采用创成的工艺设计方式产生工艺数据，它首先通过零件信息识别，从 零件信息模型中提取出进行零件加工的信息形成框架信息模型，以工艺 逻辑决策树为基础，进行工艺决策推理。生成的工艺数据以关系表的形 式存储在数据库中，以供数控自动编程模块调用。二是数控自动编程模 块所需的加工工艺数据可以从其它c a p p 系统中读取。数控自动编程模 块从数据库中提取出加工工序进行分析处理，调用u n i g r a p h i e s 软件的二 次开发工具u g o p e n a p i 中的相应函数，自动生成各工序的刀具轨迹， 进行加工过程仿真，仿真无误后再经过后置处理输出n c 代码。 论文以一种创新的方法，进行了c a d c a p p c a m 集成的研究。其 创新表现在两个方面，一方面，国内外对c a p p 的零件信息的识别方法 的研究多采用特征识别，但从目前应用情况来看，其应用效果并不理想。 本论文的零件信息识别对象为零件表面，这更符合u g 加工的特点，因 为u g 加工的主要对象是零件表面。另一方面，以u g 软件为平台，借 助u g 强大的c a d c a m 功能，对其进行二次开发，并结合数控加工经 验和u g 的使用操作经验，总结出使用u g 进行数控加工编程的知识， 以这些知识为基础推理出各工序( 工步) 所采用的u g 加工方式，从而 实现刀具轨迹的自动生成。这样解决了c a p p 与c a d 相互独立的问题， 又很好的实现了c a p p 与c a m 的集成。 随着数控机床技术的发展，数控机床可以加工越来越复杂的零件， 使用c a m 软件进行复杂零件的数控编程成为必然趋势。当前，c a m 软件 功能越来越复杂，掌握起来很困难。例如使用u g 软件进行数控编程，操 作人员需要掌握如下的知识：( 1 ) 掌握6 0 多种u g 的加工方式，能够根 据不同的加工情况使用其中一种或几种的组合完成零件的加工。( 2 ) 掌 握每种加工方式对应的参数设置方法，如该加工方式使用的刀具、加工 的零件、毛坯、走刀方式、切踟深度、切削行距、进退刀方式、切削顺 序、切削速度等。每种加工方式大约都包含了上百个需要设置的参数。 生成的刀具轨迹正确以及优化与否和工程师对软件的熟练程度有很大关 系。因此，人们期望c a m 软件系统具有智能性，能自动生成各工序的刀 东北大学硕十学位论文 第一章绪论 具轨迹及各种工艺工序报表。利用论文开发的应用系统可以简化数控加 工编程的过程，降低数控加工编程对工艺人员的技能要求，提高数控程 序的质量。对于没有工艺基础和u g 操作经验的人员进行简单培训后就 可以使用论文丌发的应用系统进行数控加工的编程，优化刀具轨迹，得 到质量比较好的n c 代码。对于有工艺基础的工程技术人员使用这套系 统可以省去编排工艺和以及查找各种数据的时间，提高工作效率。 1 3 论文的研究方法 论文开发的应用系统是在成熟的u g 软件上进行二次开发实现的。 论文的软件开发使用了u g 软件、u g 软件的二次开发语言u g o p e n a p i 、v c + + 语占、s q ls e r v e r 数据库。 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是集c a d c a e c a m 于一体的三维参数化软 件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用 于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。u g o p e n a p i 是u g 软件二次开发的工具，它在m i c r o s o f tv i s u a lc + + 环境下调用a p i 函数集实现c a d 、c a m 功能的开发。加工工艺设计使用v i s u a lc + + 语言 开发了一个创成式的c a p p 系统，实现数控加工工序的自动生成。数控 自动编程模块和加工工艺设计模块之间的信息传递使用数据库，加工工 艺设计模块把工艺数据以关系表的形式保存到s q ls e r v e r 数据库中， 以供刀具轨迹模块使用。图1 1 为各种研究方法示意图。 零件信息模型建立 加上工艺设计 数控自动编程 u g o p e na p i 上 u g c a d 系统 l v i s u a lc + + j r = t = 艺决策系统 u g o p e na p i u g c a m 系统 l 共享数据库s o l s e r v e r 图1 1 课题研究的方法 f i g 1 1t h er e s e a r c hm e t h o do ft o p i c 东北大学硕士学位论文 第二章应用系统的总体方案 第二章应用系统的总体方案 2 1c a d c a p p c a m 集成 c a d c a p p c a m 集成是c i m s 关键技术之一，是c i m s 发展的必然 要求。c i m s 技术的核心是如何将生产发展过程中早已建立的、成熟的和 分散的各种单元自动化子系统集合成一个相互协调、总体优化的集成系 统。 c a d 主要关注机械产品的几何表示及处理技术，是调用各种不同的 数据库中的数据，根据方案规划和产品设计要求对产品进行整体设计和 各零部件的具体设计，生成可供c a p p 使用的产品或零件的描述。c a p p 是对零件的描述进行分析、提取，自动地生成产品加工的工艺路线、工 序等。c a m 是按照c a p p 中的工艺路线实现产品的加工，生成n c 代码。 由于c a d 、c a p p 、c a m 是独立发展起来的，具有不同的数据表示方 法和数据结构，特别是对零件制造信息的表示上存在差异，因此要实现系 统间的集成，需要人工进行数据的读取、组织和重新输入。这不仅会造成 信息的中断，而且重复输入还会引起信息的丢失和出错。因此开展对 c a d c a p p c a m 集成技术研究对企业实施c i m s 有重要意义。如今 c a d 、c a m 技术已经趋于成熟，现在市场上有多种使用广泛的c a d 、 c a m 软件。但是由于c a p p 自身的复杂性( 与生产企业的设备水平、具 体的产品类型等因素有关) ，所以市场上没有通用的c a p p 系统。因此制 约着c a d c a p p c a m 集成技术的发展。u g 作为机械自动化设计软件在 很多大型企业得到广泛应用，该软件将产品设计与加工过程及n c 代码生 成集成在统一的_ 平台下，有着很强的设计功能和加工功能，但由于缺乏与 c a p p 的信息集成，使c a d c a p p c a m 的信息集成出现断流。c a p p 产 生的大量工艺信息无法直接、自动被c a m 模块所使用。因此，系统采 用了u o 软件+ 数据库技术的方式进行c a d c a p p c a m 的集成。盯“”曲“ 2 2 应用系统的总体结构 应用系统的体系结构如图2 1 所示，系统由三个模块组成：零件信 息模型建立模块、加工工艺设计模块和数控自动编程模块。 6 变j ! 叁堂堡主兰焦笙奎 苎三兰壁里至竺塑萱竺查塞 图2 1 应用系统的体系结构 f i g 2 1t h es t f u c t a r eo fs y s t e m 东北大学硕士学位论文 第二章瘟用系统的总体方案 2 2 1 零件信息模型建立 零件信息模型建立模块首先利用u g 的c a d 功能模块完成零件造 型。由于加工工艺设计需要加工工艺信息，而u g 的c a d 功能中不能实 现在实体造型时加入加工特征信息，所以使用c a d 功能扩展把加工工艺 信息以属性的形式添加到零件模型当中。c a d 功能扩展是通过u g 软件 的二次丌发功能实现的。 零件信息模型是为加工工艺设计和刀具轨迹提供必要的零件信息， 它是通过零件信息识别功能从c a d 的零件造型和c a d 功能扩展提取出 这些必要的零件信息的。零件信息模型包括零件几何形状信息、拓扑信 息、工艺信息和控制信息，它为工艺决策的框架推理提供了一个目标框 架。零件信息识别是通过u g 软件的二次开发功能实现的，其关键在于 加工表面的识别。国内外对于零件信息识别进行了很多的研究，现在多 数采用特征识别，特征识别要求c a d 系统必须能够进行特征建模或者通 过一定的特征识别算法来识别加工特征1 。特征识别在回转体零件的识 别上已经有成功的例子，但它对非回转体的识别还有一定的局限性，难 以满足零件信息处理的要求。论文的零件信息识别方法结合u g 各种加 工方式的特点，以加工表面为对象进行零件识别，形成c a d 输出结果+ 框架知识描述的零件信息描述方案。 2 2 2 加工工艺设计 加工工艺设计的最终目的是得到零件数控加工的工艺数据。论文采 用了两种获得加工工艺数据的方式，一是基于本系统，采用创成的工艺 设计方式产生工艺数据，可以自动生成加工工艺，它首先通过零件信息 识别，从零件信息模型中提取出进行零件加工的信息形成框架信息模型， 以工艺逻辑决策树为基础，进行工艺决策推理。生成的工艺数据以关系 表的形式存储在数据库中，以供数控自动编程模块的调用。还提供工艺 修改功能对自动生成的工艺规划进行修改。二是数控自动编程模块所需 的加工工艺数据可以从其它c a p p 系统中读取或手工输入。 工艺数据库中包含了进行工艺决策时使用到的工艺知识，这些知识 可以使用数据库来进行表示，如刀具、进给量、切削速度信息等。工艺 决策逻辑以决策树的形式表现，决策树包含工艺决策、工具选择、切削 用量选择等知识，如确定工序、工步的内容及顺序的规则、选择刀具、 进给量、切削速度的规则。 为了便于实际加工应用，在加工工艺设计模块中还提供输出工步清 东北大学硕士学位论文 第二章应用系统的总体方案 单和刀具清单的功能。 2 2 3 数控自动编程 数控自动编程模块从数据库中提取零件信息模型、加工工艺设计所 提供的信息，在建立毛坯模型、刀具模型的基础上。构造u g 的加工环 境，应用刀具轨迹决策自动完成刀具轨迹生成。然后进行刀具轨迹仿真， 在加工过程仿真无误后，通过利用针对使用机床的后置处理文件输出适 合该机床n c 代码。 2 3 应用系统的信息集成结构 系统的信息集成结构如图2 2 所示。 图2 2 系统的信息集成结构 f i g 2 2t h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns t r u c t u r eo fs y s t e m 望 表 凭 何 簋 零件信息模型保存着加工工艺设计和刀具轨迹生成所需要的各种信 息。这些信息随着c a d 模型一同保存在u g 生成的文件中( 其扩展名为 p r t ) ，经过零件识别把信息临时保存到链表结构中。由于u g 具有统一数 东北大学硕十学位论文 第二章应用系统的总体方案 据库和全相关的特点，任何在c a d 部分的改动都会在加工模型中反应出 来，保证了信息的完备和统一。 加工工艺设计用框架信息模型来描述从零件信息模型中得到的零件 信息，一个框架表示一个加工表面对象，整个框架构成了完整的零件加 工表面对象结构。通过工艺决策生成工艺数据，以关系表的形式保存到 数据库中供数控自动编程模块提取。工艺决策过程中，加工工艺设计需 要从工艺参数库中提取一些工艺参数信息。工艺参数库包括刀具库、进 给量参数库、切削速度参数库。这些参数库都以数据库关系表的形式存 在。加工工艺设计生成工艺数据后，通过共享数据库把刀具信息、切削 参数信息、加工参数信息( 粗糙度、加工精度) 、工序顺序信息和加工方 式信息传递给刀具轨迹生成。 数控自动编程模块根据从加工工艺设计传递过来的工序顺序信息和 加工方式信息，在刀具轨迹决策的基础上完成刀具轨迹的自动生成，同 时把相应的切削参数、刀具参数和加工参数设置到生成的刀具轨迹中。 提取工序时遍历工序数据库中所有记录，然后通过u g 软件的二次开发 功能进行自动数控编程。刀具轨迹生成后，进行刀具轨迹的加工过程仿 真，加工过程仿真无误后，通过后置处理模块输出符合使用机床的n c 代码。 2 4 应用系统的功能集成结构 本系统应用于数控铣削加工，其刀具轨迹生成充分利用成熟的商品 化软件一u g 的加工功能。但同时又对u g 进行二次开发，避免了赢接利 用u g 加工功能时需要大曩的人机交互。系统功能集成如图2 3 所示。 在u g 环境下，手工完成一个零件的一个加工工步需要人机交互选择一 种加工方式，指定加工对象及与该加工对象有关的各种几何参数，填写 刀具参数表、切削参数表等。更为重要的是需要人为的进行工艺编排， 因此，实际上相当于完成了一个工艺规划人员的工作。这就需要用户不 仅是一个有经验的工艺人员，同时又是一个u g 的熟练用户，从而对用户 要求高，工作量大。本系统用v is u a lc + + 开发，设计成一个菜单条和一 个工具条。由加工工艺设计模块完成加工工艺排序、加工刀具选择、切 削参数选择，然后以关系表的形式将这些信息存储到数据库中。采用a d 0 方式，依靠零件工艺信息索引从关系数据库中查找出所需工艺信息。由用 户点取工具条上的相应按钮就能将零件的工艺信息输入到u g ，节省了大 量的手工交互时间并降低了对操作人员的要求。在系统界面上有一个加 查苎盔堂堡主堂篁堡奎 茎三量些塑墨鏊塑璺箜查塞 输出刀具清单 输出工步清单 输出刀其轨迹 输出n c 代码 图2 3 系统的功能集成结构 f i g 2 3t h ei n t e g r a t e df u n c t i o ns t r u c t u r eo fs y s t e m 工工艺数据表，对应着零件韵各个加工工序或工步。这样在系统内就能 控制每个工序，完成零件在u g 下的轨迹生成。 东北大学硕士学位论文 第三章面向集成的零件信息模型的建立 第三章面向集成的零件信息模型的建立 系统中的零件信息模型是以u g 软件的c a d 为基础，通过u g 软件 的二次开发进行功能扩展形成的。利用u g 强大的建模功能，建立加工 件和毛坯的模型，这些模型为c a p p 和c a m 提供了几何信息和拓扑结构。 但要实现c a p p 和c a m ，特别是c a d c a p p c a m 的集成，只有这些信 息是不够的，还需要必要的工艺信息如加工精度、形位误差、表面质量 等。这些重要的工艺信息在u g 的c a d 模块里没有提供添加的方法，为 了实现c a d 与c a p p c a m 的集成，使c a p f c a m 可以童接从c a d 中 获得加工需要的信息必须建立零件信息模型。 3 1u n i g r a p h i c s 软件的c a d 功能 u n i g r a p h i c s ( 以下简称u g ) 软件是目前国际、国内应用最为广泛的 大型c a d c a e c a p p 集成化软件之一，它功能强大，内容丰富。u g 软 件c a d 模块的建模方式是一种复合建模方式“”。复套建模韵优点，在 设计过程中提供更多的灵活牲。提供一组丰富的支持各种囊模操作的工 具集。用户可以根据设计意图选择正确的建模策略。建立全相关、参数 化的模型，用户可以方便地通过编辑参数修改模型而维持设计意圈的完 整性。u g 的建模模块里提供了以上建模方式的实现方法，建模模块是新 一代的建模程序，它结合了传统和参数化这孵种建模方法。这样您就可 以自由地选择最适合您需要的设计方法。有些时镞只有一个简单的线框 模型就足够了，不需要构建复杂的约束实体模型。不过，建摸模块还提 供了多种参数化建模和传统实体建模能力，可以使逼真韵实锋模型的创 建和操作很容易。 在设计时，设计零件的过程就是利用u g 的各种特征逐步实现设计 要求的过程； ( 1 ) 设计基体，它是后续特征操作的实体； ( 2 ) 利用u g 的成型特征，如打孔、开槽等，使零件的基本形状显现 出来： ( 3 ) 利用操作特征进行处理，如倒豳角、倒麟帮、裁减等、完成零律 的许多细节加工。其示意图如图3 1 所示。 ( 4 ) 在产品设计中，零件不是孤立的几何元素设计，从设计到制图、 数控加工、分析、装配都存在着相关性。相关性设计为我们提供了非鬻 东北大学硕士学位论文 第三章面向集成的零件信息模型的建立 园匮 ，上 3 2 零件信息的描述 3 2 1c a p p 系统对零件信息描述技术的要求 各类c a p p 系统的工作过程可用如图3 2 所示的框图抽象地表示，在 l 资源标准规范 一零件信 一设计思 计算机硬软件支撑 l 文挡输 i 卜 图3 2c a p p 系统工作过程 f i g 3 2t h ew o r kc o u r s eo fc a p ps y s t e m 计算机硬件软件系统支撑下和在资源及标准约束控制下，将输入信息通 过不同机制( 不同类型的c a p p 系统的作用) 转变成所需的各种文档。工艺 东北大学硕士学位论文 第三章面向集成的零件信息模型的建立 设计是一项繁杂的工作，工艺人员除了必须考虑零件的结构、尺寸和精 度要求、生产批量、毛坯种类和尺寸、加工方法、设备选择、工装配备、 热处理要求等众多因素外，还要兼顾企业生产条件、传统工艺习惯以及 各类行业标准等，所以是一项涉及面广、经验性强的综合性技术工作。 进行工艺设计所需处理的信息不仅量大，而且信息之间的关系错综复杂， 这就使得信息的描述成为c a p p 系统中的关键技术。信息的描述分为两 个方面：一方面为设计者的经验及思想，在不同类型c a p p 系统中有不 同的表示方式，例如在创成型系统中用判定表或判定树表示，在智能型 系统中常用人工智能中相适应的知识表示方法表示，具体方法将在后续 的相关章节叙述：另一方面为零件信息。 零件的信息包括两方面的内容：零件的几何信息和工艺信息，如图 3 3 所示。零件的几何信息亦即零件的图形信息，包括零件的几何形状、 待加t 几何表面 加工零件的晟大三维尺寸 加工表面的陡峭角度 加工表面中的最小内拐角 加上表面中的最小圆角 表面粗糙度r a 加工精度 材料 图3 3 零件信息模型 f i g 3 3t h ep a r t si n f o r m a t i o nm o d e l 尺寸等：工艺信息则包含零件各表面的精度、粗糙度、热处理要求、材 料和毛坯类型等多种信息。c a p p 系统对零件图形信息的描述有两个基 本要求：一是描述零件的各组成表面的形状、尺寸、精度、粗糙度及形 状公差等：二是应明确各组成表面的相互位置关系、连接次序及其位置 公差。根据这两方面的内容，c a p p 系统才能确定零件加工表面的加工 方法以及相应的加工顺序。 如今，般的c a p p 软件所能提供的零件信息模型无法满足c a p p 系统的需要，于是在c a d 和c a p p c a m 之间产生了一个信息断层，使 得集成工艺设计自动化问题迟迟不能解决，这不但影响了c i m s 总体自 动化水平，而且也阻碍了c i m s 的普及和应用。 垄! 墼! 婴主堂堡笙苎 笙三童重堕苎堕堕! 苎笪皇苎型塑望兰 3 2 2 零件信息描述的基本方法 如上所述，零件的信息描述与输入在c a p p 系统中起着重要的作用， 因而人们在开发c a p p 系统时，针对不同的零件和应用环境，提出了很 多的零件信息描述与输入方法。目前国内外常见的信息描述方法有分类 编码描述法，专用语言描述法、框架知识描述法、利用c a d 输出结果、 图论描述法等。这些描述法中，适合回转体类零件的较多，逸是因为回 转体类零件信息相对于非回转体类零件而言，信息量少，信息描述相对 简单些“”。非回转体类零件形状结构复杂，形面参数繁多，包含的信息 量大，要完整而简明地进行零件信息描述是非常困难的。因此对零件信 息描述方法的研究成了一个薄弱环节，这个薄弱环节严重地制约着c a p p 技术的发展。 进入2 0 世纪8 0 年代后期，计算机集成制造系统( c i m s ) 蓬勃发展， 要求克服常规的零件信息描述方法中输入繁琐、效率低的缺点，因而提 出寻求将c a p p 与c a d 系统直接相连的方法，使得c a p p 所需的各种信 息直接来源于c a d 系统，避免繁琐的手工输入。在c i m s 环境下，c a p p 系统将是c a d 、c a m 之间的桥梁，因