（机械制造及其自动化专业论文）基于加工特征的结构零件建模研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 特征建模技术是先进制造技术的发展要求，建立一个即含有几何信息， 又含有加工信息的零件特征模型是c 燃a p p 圮a m 集成系统的关键技术之 一。特征建模系统能提供后续c a m 系统所需的零件几何信息和工艺信息， 实现面向制造资源的设计。 本文应用特征建模技术，对结构零件进行了结构分析。将制造与设计并 行结合，提出了新的加工特征的定义并利用提出的加工特征的概念提出了加 工特征的系统结构，设计了专门的软件系统。本课题所研究的是针对某类电 子项目机械结构的设计，采用基于加工特征的建模的方法，结合某大型企业 的制造资源，采取的一种快速制造的加工设计方法，将设计与制造合并在一 起考虑，并以此对加工特征进行了新的基于本文研究需要所做的定义。提出 了基于加工行为构成的加工行为单元，由加工行为单元来表达和描述加工特 征的定义，由此加工特征来描述零件的建模过程，将产品特征和加工特征统 一起来，形成了一套全新的特征造型技术。此技术实现了设计信息与加工信 息的结合，大大缩短了机械产品的开发设计周期。 本研究利用v b 软件进行了接口程序的开发，并结合用p r o e 软件进行 了产品建模的图形显示，开发设计了基于加工特征零件建模的软件系统，依 靠开发的软件系统完成结构体产品的设计研制，把最后生成的文件直接输入 数控机床中进行加工。并完成了六类产品的研制，实现了设计信息与加工信 息的结合，大大缩短了机械产品的开发设计周期。 关键词：加工特征；加工行为；特征建模 哈尔滨工程大学硕七学位论文 a b s t r a c t f e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g yi st h er e q u i r e m e n tf o rd e v e l o p m e n to ft h e m v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y m o d e l i n gas h a r e df e a t u r em o d e lo fp a r t si s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fc a d c a p p c a mi n t e g r a t e ds y s t e m f e a t u r e m o d e l i n gs y s t e mc a l lp r o v i d et h eg e o m e t r yi n f o r m a t i o na n dp r o c e s si n f o r m a t i o n t h a tt h es y s t e mn e e d s t or e a l i z et h ed e s i g nw i mt h em a n u f a c t u r er e s o i i r c e t h i sa r t i c l ea p p l i c a t i o nf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g y , h a sc a r r i e do nt h e s t n m t u r ea n a l y s i st ot h ec o n s t r u c t i o n a ld e t a i l ，w i l lm a k ea n dt h ed e s i g np a r a l l e l u n i o n p r o p o s e dt h ei i c ww o c s i n gf e a t u r ed e f i n i t i o na n dt h eu s ep r o p o s e dt h e p r o c e s s i n gf e a t u r ec o n c e p tp r o p o s e dt h ep r o c e s s i n gf e a t u r es y s t e ms t r u c t u r e ，h a s d e s i g n e dt h es p e c i a ls o f t w a r es y s t e m t h et a s ko f t h i sa r t i c l ei sa i m sa ts o m el 【i n d o f e l e c t r o n i cp r o j e c tm e c h a n i s m d e s i g n ，b a s e d0 1 1t h ep r o c e s s i n gf e a t u r em o d e l i n g , c o m b i n i n gt h el a r g ee n t e r p r i s e sm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s ，a d o p t s o n ef a s t m a n u f a c t u r ep r o c e s s i n gd e s i g nm e t h o d ，t h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r ew e r e c o n s i d e r e dt o g e t h e r , a n dc a r r i e do nb yt h i st ot h ep r o c e s s i n gf e a t u r eh a sb e e na 1 1 e wd e f i n i t i o nw h i c hs t u d i e db a s e d0 1 1t h i sa r t i c l en e 以i st od o p r o p o s e db a s e do n t h ep r o c e s s i n gb e h a v i o rc o n s t i t u t i o np r o c e s s i n gb e h a v i o ru n i t ，e x p r e s s e sa n d d e s c r i b e sp r o c e s s i n gf e a t u r ed e f i n i t i o nb yt h ep r o c e s s i n gb e h a v i o ru n i t ，d e s c r i b e s t h ec o m p o n e n t sm o d e l i n gp r o c e s sf r o mt h i st h ep r o c e s s i n gf e a t u r e ，c o m b i n i n gt h e p r o d u c tf e a t u r ea n dt h ep r o c e s s i n gf e a t u r e ，h a sf o r m e das e to f b r a n d - n e wf e a t u r e m o d e l i n gt e c h n o l o g y t h i st e c h n o l o g yh a sr e a l i z e dt h ed e s i g ni n f o r r a a t i o na n dt h e p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nu n i o n , g r e a t l yr e d u c e dt h em e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g n c y c l e t h i sr e s e a r c hw a sc a r r i e s0 nt h ei n t e r f a c er o u t i n ed e v e l o p m e n tu s i n gv b s o f t w a r e ，p r o es o f t w a r ec o m b i n e dw i t ht h ep r o d u c t sg r a p m c mm o d e l i n g 。t h e d e v e l o p m e n th a sd e s i g n e db a s e d0 nt h ep r o c e s s i n gf e a t u r ec o m p o n e n t sm o d e l i n g s o f t w a r es y s t e m ，d e p e n d e do nt h es o f t w a r es y s t e mt oc o m p l e t et h es t r u c t u r eb o d y p r o d u c td e s i g n , t h en cd o c u m e n td i r e c t l yi n p u tn cm a c h i n ew h i c hf i n a l l y 哈尔滨工程大学硕十学位论文 p r o d u c e d , a n dt h ec o m p l e t i o no ft h es i xp m d u e t s ，ac o m b i n a t i o no fd e s i g n i n f o r m a t i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t h i sd e s i g ng r e a t l ys h o r t e n st h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l e k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r ef e a t u r em o d e l i n g ；p r o c e s sa c t i o n ；f e a t u r em o d e l i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：蔓壶 日期：如刁年弓月7 日 哈尔滨t 程丈学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 基于特征的设计技术 1 1 1 特征造型 特征是指描述产品信息的集合，也是设计或制造零、部件的基本几何体。 纯几何的实体与曲面是比较抽象的，将特征的概念引入几何造型系统的目的 是增加实体几何工程意义。通常的特征信息主要包括形状特征：与公称几 何相关的概念；精度特征：可以接受的公称形状和大小的偏移量；技术 特征：性能参数；材料特征：材料、热处理和条件等；装配特征：零件 相关方向、相互作用面和配合关系【l 】。 与传统的几何造型方法相比，特征造型具有如下特点：特征造型着眼 予更好的表达产品完整的技术和生产管理信息，为建立产品的信息集成进行 服务；它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再 是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，象螺纹孔、定位孔、键槽等； 有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各个部门间的联系， 更好的将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且能及时得到后者的意见反 馈，为开发新一代的产品做好准备 1 】。 特征是设计与制造零，部件的基本几何定义，它是源于产品的模块化设 计思想。特征是几何体，是由面、环、边、中心线和中心点等几个要素组成 的。特征是参数化的几何体。通过改变特征的尺寸，可以用有限的特征造型 构造出无限的零、部件形状，具有一定的工程意义【2 】。 特征包含几何信息和非几何信息。从设计观点来看，传统的特征是由几 何及其拓扑元素组成的形状信息集；从制造观点来看，特征是表示与制造相 关的形状和技术属性【3 1 。 由此可知，特征是构成产品描述的形状、参数、属性和性质表达的信息 集，在不同工程活动中，特征的形式和内涵不同，并且可以识别、混合、转 换，且在各种应用中能覆盖该项应用的全部要求【3 】。 哈尔滨下程大学硕十学位论文 特征的分类与特征的定义有密切的关系。因此对于特征的定义依赖于具 体的应用环境，由于特征在设计、分析、制造等不同阶段中应用的领域和目 的不一致，造成各阶段定义特征的方法和所建立的特征模型也不相同，使特 征具有了多方面的含义嘲。至今对特征仍无统一的定义，但各种定义都有了 一个共同的特点：特征是集成环境中高层次语义信息的载体和基本传输单位 【2 ，它应包含几何形状和工程应用功能两大属性。特征分类的方式依赖于特 征的定义，因而有不同的种类特征。如按产品处于设计、分析、制造等不同 阶段来分，可以有设计阶段的设计特征和制造阶段的加工特征，以及分析特 征、公差特征等；按特征不同的性质来分，有材料特征、精度特征、形状特 征等。 1 1 2 关于零件加工特征的描述 在零件的制造阶段需将零件的设计域与制造域相集成以保证零件的可制 造性，特征不仅应含有零件的几何实体信息，而且应包含和加工制造相关的 各种信息。加工特征应包含有设计、工艺和制造等几类信息，且应是这几类 信息有机结合的载体。 特征与制造相辅相成。由于工艺的改进，一些新的基本几何体可以被定 义为特征，又由于零件需要有新的特征来满足结构功能上的要求，这将促进 加工工艺的改进。特征必须具有可加工性，组成零件的特征必须与某种加工 方法相对应，否则零件的设计毫无意义。同样特征也必须具有可设计性，如 果特征的形状不能构造，零件也就不能设计成功。 1 2 特征技术的发展状况 1 2 1 不同应用领域的特征建模 在c a d 领域，以低层次的几何形状特征为主，其它特征为辅。通过三 维几何形状特征间的布尔运算建立虚拟的空间模型，由几何模型可进行零部 件的装配和碰撞检验，并且通过力学分析软件可进行强度和力测试与分析嘲。 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在c a p p 和c a m 领域，以低层次的几何形状特征与高层次的语义特征 相结合。通过赋予不同表面以尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等非几何特 征而进行工艺和制造方面的设计叼。 1 2 2 国内外的研究状况 特征造型的一般方法可大致归纳为交互式特征定义、特征识别和基于特 征的设计三个方面【4 】。 ( i ) 、交互式特征定义：首先利用现有的造型系统建立产品的几何模型， 再由用户直接通过交互式图形拾取方式定义特征所需要的几何要素，并将特 征参数或精度、技术要求、材料热处理等信息作为属性添加到特征模型中。 这种建模方法自动化程度低，产品数据的共享也难于实现，信息处理过程中 容易产生人为的差错。 ( 2 ) 、特征识别：将几何模型与预先定义的特征进行比较，确定特征的具 体类型及其它信息。它一般由下列步骤组成： 、搜索产品几何数据库，匹配特征的拓扑几何模型； 、从数据库中提取己识别的特征信息； 、确定特征参数； 、完成特征几何模型； 、组合简单特征以获得高级特征。 以上识别的特征主要是加工特征。然而，提取产品的特征信息是非常困 难的。已有不少学者对特征识别的算法进行了深入研究，如特征匹配法、c s g 树识别法、体积积分法、实体生成法等，但结果并不令人满意。目前，特征 识别往往只对简单形状有效，而且c a p p 所需要的公差、材料等属性仍然缺 乏。针对特征识别中存在的困难和问题，w i l s o n p r 等人提出直接采用特征建 立产品模型，而不是事后去识别特征的观点，这正好反映了基于特征设计的 基本思想【3 】。 ( 3 ) 、基于特征的设计：用户直接用特征来定义零件几何体，即将特征库 中预定义的特征实例化后，以实例特征为基本单元建立特征模型，从而完成 产品的定义或设计。 哈尔滨 程大学硕十学位论文 虽然很多学者在特征技术研究方面做了大量而有成效的工作，并取得了 很高的学术成就，但是需要说明的是他们研究的重点还仅限于设计和制造两 个孤立的领域。因此，产品设计与制造之问缺少一定的联系，不利于产品的 制造性评价和实施并行设计。另外，因为设计特征与应用特征间没有特征信 息的转换，故无法实现信息集成嘲。 换而言之，特征设计虽然为c a p p , c a m 等后续工作提供足够的工艺信 息，但因c a d 与c a p p 和c a m 侧重点和接口的不同，导致两者在特征表达、 组织、调用和参数处理等方面都存在差异，因此若该信息不经过转换，便不 能直接为c a p p 和c a m 所用。而对于如何运用基于特征设计技术将设计领 域与制造领域联系起来，建立二者间的桥梁则是当今研究的重点，也是急待 解决的问题【9 】。 特征是发展的，将不断有新的特征出现，又有旧的特征被淘汰，所以特 征具有可扩充性。组成特征的模块也是可变化的，设计的方法也是可变化的 f 2 】。 1 3 课题研究的目的和内容 虽然特征及基于特征的产品模型的研究已经取得了一定的成就，但在设 计与制造两个方面对于特征有不同的描述和定义。对于特征建模来说，零件 的特征大致有三种与制造相联系的形式：可加工特征、间接加工特征、不可 加工特征。可加工特征主要是指在本加工系统能加工完毕的特征。间接加工 特征是指不能在本加工系统内加工完成，需要在其他加工系统来配合完成的 加工特征。不可加工特征在实质上是不能归入特征类型中的，因为不可加工 特征主要是在设计与制造环节中出现脱离的情况，设计者在设计时没有很好 的考虑制造能力，造成了设计的不合理。 本课题主要是针对承担的某型号的电子设备的机械支撑结构体的设计情 况和加工单位哈尔滨航空集团公司的机床实际加工能力，采取的一种快速制 造的加工设计方法，将设计与制造合并在一起考虑，并以此对加工特征进行 了新的基于本文研究需要所做的定义。为了能满足在同一加工系统中更好的 将设计与制造信息集合在一起的要求，提出了基于加工行为构成的加工行为 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 单元，由加工行为单元来表达和描述加工特征的定义，由此加工特征来描述 零件的建模过程，将产品特征和加工特征统一起来，形成了一套全新的特征 造型技术。这里的特征主要是指可直接加工的特征，在一个加工系统能完成 全部的加工，不需要牵扯到其他的加工系统，此技术不但实现了设计信息与 加工信息的结合，还能大大的缩短了设计的时间。 针对以上所要研究的内容，利用v b 软件设计开发了基于加工特征的某 电子设备机械结构零件建模的设计和加工软件系统。抽取了某一类结构体相 近的加工特征，并结合哈尔滨航空集团加工该产品的机床的实际加工制造资 源，将产品按本文对加工特征的定义来分类，建立了不同的加工行为模块， 并以此来构成和描述加工特征，在系统中随不同的电路板的要求来决定支撵 结构体尺寸及形状，能很快的达到设计与制造合并进行的目的，适应于零件 要求的加工时间短、数量小、质量高的指标。产品零件从毛坯开始按加工顺 序逐渐达到零件尺寸，加工该零件相对应的加工特征的代码也就能立即生成， 同时产生零件的模型，并能及时地进行刀具轨迹的校核，并结合机床的刀具、 转速、转向等加工因素，大大地提高了产品加工的效率。 该课题已经在加工制造中得到了实际的应用，设计与加工周期大大的缩 短，并且提供了支撑结构体的种类达到了六类。所设计并制造的相关零件已 经实际应用在某电子设备中。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章某电子产品的结构分析 2 1 电路板支撑结构体总述 对于电子设备来说，它的主要工作部分是电子信息部分，由焊有电子器 件的电路板组成，这是它的主体，但是对于电子设备来说，为了能起到所要 达到的要求，机械支撑结构部分又是不可缺少的。对于电子设备的特殊性来 说，必须采用特殊合金材料来加工支撑结构体，这一方面能减轻重量，另一 方面更是能起到电磁屏蔽作用。在本文设计的支撑结构体中采用了铝合金材 料( l y l 2 ) 。对于不同的电子器件，电路板要有与之相对应的电子支撑结构 体，本文选择支撑圆型电路板的结构体来为本课题的研究对象。该类结构体 为圆型，并在外围开有与外界通信的插头口支撑部分，并且还有将各个圆电 路板相互联接起来的外部联接口。该类结构体因为在功能上比较相近，在形 状上也是具有一定的相近特征。材料选用的是铝合金l y l 2 ，加工该类材质时 在切削速度和切削液上与普遥钢材料有些不同，但加工方式方法基本相同。 2 2 圆型箱体的结构分析 2 2 1 电路板结构体的形状要求 电路板的形状要求如图2 1 所示。 对于某电子设备的的电路板来说，主要设计要求有以下几个方面： ( 1 ) 、形状要求： 电路板在圆周上要开有与外界进行通讯的通讯开口，通讯开口一方面是 要安装通讯插头的固定支撑位置，另一方面又能起到布置与外界其他电子设 备进行通讯时所使用的线路的作用，因此在圆周上沿径向向内侧凹进一定的 尺寸，形成一个支撑台阶的形状。在圆周的外部还要有与其他电路板结构体 的能相互在轴向方向上连接在一起构成一个整体的的外部联接口，并且要求 采用在圆周上是三等分均布的要求。 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i f i f i ( 2 ) 、支撑要求； 在上面的要求中已经知道，电路板要求在圆周上的通信开口和连接开口 上要向径向方向的内部延伸出一段台阶，起到支撑电路板的作用和支撑通信 插头的作用。满足电子设备所要求的大加速度的工作条件。并且为能更好的 起到支撑的作用要求在结构体内部的中心有一个支撑圆柱的台阶，是用来防 止中心出现凹心现象，使电路板的受力接触面积分布更趋于合理。 ( 3 ) 、电磁屏蔽要求： 由于电子设备的电磁屏蔽特殊要求，将结构体尽量设计成一个封闭的结 构体，因此在圆周方向上尽量要有围墙，起到封闭电磁波的作用，并且能很 好的保护电路板在工作过程中不受到外来的伤害，在圆周方向上固定电路板， 使它不能在结构体内径向串动。 ( 4 ) 、安装要求： 为了方便电路板固定在机械结构体上，在结构体的外部连接口围墙的内 侧延伸出一段台阶，在台阶上有螺纹孔，用螺纹孔起到安装和固定电路板的 作用。 外部连接口开1 3 部分螺钉固定孔，被支撑部分 图2 1 电路板形状尺寸图 7 哈尔滨r r = 程大学硕十学位论文 支撑作用如图2 2 所示。 支 ( 爻 。 、 八、哕j这 i 图2 2 电路板受力接触区域 纵上所述，对于电路板来说，在圆周上采用插头空间的支撑部分和外部 联接口的支撑部分都是能对电路板在圆周上很好的定位限制，在内部留有支 撑的部分就能防止电路板在受到重力加速度的影响下出现内部凹心现象。电 路板安装在所设计的结构体，是安装在加工出来的台阶上，一方面起到支撑 作用，另一方面能使电路板离机械结构体的底面有一段的距离，能避免电路 板的焊线引脚与结构体相连，出现接地的情况造成电路板烧毁。 2 2 2 电路板支撑结构体的形状要求 对于某类电路板支撑结构体来说，它一方面能起到支撑的作用，另一方 面又能起到屏蔽电磁波的作用，因此它的结构主要包括外部联接口、内部孤 岛支撑结构、内部电路板支撑结构、外部封闭围墙结构。为了能更好地针对 本文中地加工特征的定义与设计，在这里既考虑零件的加工性能，又要考虑 特征的通用性和多样性，对电路板机械结构体的形状及加工要求有所考虑。 因为有外部围墙存在，因此该类结构体的加工是属于腔体型腔的加工。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 因某电子设备是应用于大加速度的情况下，所以要保证在此受力情况下的结 构支撑强度，在内部留出了支撑电路板的内部孤岛支撑结构。因与外界存在 通信结构，主要是应用航空专用插头等电子零件，一方面便于插头与外部的 联接通信，另一方面又要起到利用支撑插头的台阶来起到对电路板的支撑作 用，所以在内部围墙腔体中存在有为外部通信留出的开口，并且分布在圆周 方向上，与围墙内侧、内部支撑孤岛、支撑通信开口的内界构成了内部腔体 的主要部分。 首先，因为各个机械支撑箱体要互相联接在一起，所以要有外部的连接 机构，而对于不同的箱体来说，外连接部分是大致相同的。 为保证在加工零件时安装和定位的合理，一次加工的切削量不要很多， 并且在加工中能及时的测量加工的尺寸精度和表面加工质量，并保证零件的 加工能顺利连接，特将外部各个部分的连接部分分开为两部分，一部分是在 上部主要有外部结构体联接口上部内侧组成的内腔体，称为上内腔体。在外 部结构体连接口的下部内侧与插头支撑台阶的内侧、内部孤岛支撑组成了下 部腔体，称之为下内腔体，将内腔体分为上内腔体和下内腔体两个部分，可 以作为两个单独的加工行为单元来为以后的其它产品的建模做准备，即能结 合或分开单独使用，应用范围能更广一些。 对于上内腔体来说，主要是有围墙和外部联接口的内侧组成，加工铣削 的量比较大，为了即能满足设计的要求，又能合理地分配加工工序，便于产 品在加工的时候切削的平稳。 对于下内腔体来说，主要是有围墙内侧、支撑插头结构的内侧、内部支 撑孤岛和外部支撑结构的下内腔体下延部分组成，本加工部分所包含的产品 加工特征信息最多的一部分，也是加工中难度最大的一部分，因为有内部支 撑孤岛结构和外部接口等结构存在。 其次，对于外部围墙来说与插头支撑台阶的外部、外部联接零件连接 口的外侧部分组成了外腔体，按照电路板的外型来仿型加工。包含的加工信 息也是相对较多的一部分，但是对铣削来说加工量不是的很大。 最后，对于电路板的安装来说，为很好地将电路板安装在箱体结构上， 必须在内部外连接口内侧的支撑台阶上进行螺纹孔的加工，使电路板能安装 在箱体零件上，中间有孤岛支撑结构，外围在联接口的内侧有支撑台阶，支 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 撑台阶的特征在下内腔体的特征中已经加工完毕。支撑台阶是与外部联接口 的内侧安排为一体的。 因此根据以上的要求，将整个零件概括为上内腔体部分、下内腔体部分、 外腔体部分、螺孔部分等四个主要的加工要求。 2 3 本章小结 本章主要是针对所要设计的电子设备中电路板要求的支撑结构体，从整 体上对本课题所要涉及到的加工零件从设计和加工两个方面上进行上了分 析。在考虑形状、支撑、电磁屏蔽、安装等要求的情况下，分析了电路板支 撑结构体的形状和加工要求。根据加工的安装、定位和切削要求，将整个零 件的加工要求概括为了上内腔、下内腔体、外腔体、螺孔部分等四个方面。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学1 1 ：) = 论文 第3 章基于加工特征的零件建模研究 3 1 加工特征的定义 对于特征的定义依赖于其具体的应用环境，在本文中主要是应用在某大 型制造企业的某类特殊机床中。从企业实现零件生产出发，为实现设计与制 造的快速、及时、准确的要求，将设计与制造合并进行，对电路板支撑结构 体的相关加工特征进行了定义，在这里主要有几个概念要阐述清楚。其中包 括加工行为、加工行为单元，用这两个概念来定义和描述加工特征。 定义l ：加工行为 加工行为是指利用加工工具形成工件表面或实体形态的过程。根据所涉 及的机床和刀具，加工行为可以包括铣削平面、铣型腔、车削外圆、镗内圆、 钻扩铰孔、磨平面等加工动作，是工艺中的最基本工序，包括比较详细的加 工信息，包括切削用量、加工工具、加工机床、加工余量等信息。加工行为 是加工工艺过程中的最小要素。 定义2 ：加工行为单元 把能够独立形成零件表面或实体形态的一个或多个加工行为的组合称为 加工行为单元。在一个单元中可以含有一个加工行为，也可以含有不同的加 工行为，或者是相同的加工行为但不同数目。 推论l ：加工特征 能够形成零件特征的加工单元称为加工特征。利用前文定义的加工行为 单元来表达定义加工特征，在本文中的加工特征是指按加工工艺顺序定义的 加工行为单元。在加工单元中含有相同或不同数目的加工行为模块，由加工 行为模块组成了加工行为单元，在加工行为模块中包含有几何信息，又包含 有加工信息，是表达和描述加工特征的基本要素。 零件是由加工特征所组成的模型。在零件的设计阶段就通过加工特征的 有机组合完成零件的设计。一个零件的所有加工特征就是该零件所有的几何 信息、工艺信息和制造信息。 哈尔滨t 程大学硕十学 ) = 论文 f 3 2 基于加工特征的建模 在传统的制造方式下，从设计到加工是分开进行的，它们是各自独立的 行为。近年来发展起来的并行工程的思想，也只是采用工作团队( t e a m w o r k ) 的方式在产品设计阶段考虑后续加工可能，仍然需要根据设计思想安排加工 行为过程。本文中的加工特征优点在于在产品的设计阶段直接采用加工行为 及其组合来形成零件的特征形态，这就自然把设计过程和加工过程融合在一 起。 用不同的加工行为来表示不同的加工行为单元，用加工行为单元描述加 工特征建模。不同的加工行为单元通过选择模块，找出对直的加工行为，在 这里加工行为可以是一个，也可以是多个，也可以是一个加工行为的不停调 用来组成的。 3 3 加工特征建模的可行性 在特征建模中，一个特征是由一系列参数定义的几何体，而这些参数对 于设计与制造工程师来说，都具有特殊的含义。特征建模是一个过程，在这 个过程中，先将组成零件的基本特征参数化，然后用参数化的特征来对零件 进行具体描述。特征不但具有几何信息，还必须具有加工信息，具有可加工 性。因此在零件的所有特征都是经过加工行为的作用而形成的，采用加工行 为直接进行零件建模一定存在一种方法。具体说明如下。 对于设计的几何特征来说，有如图3 1 、3 2 、3 3 的关系。 司 f 设计 j 1 ，一j 图3 1 基本面设计 1 2 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 图3 ，2 孔类设计 图3 3 槽类设计 与以上的几何设计特征相对应的，每个特征都是可加工的并且有加工方 式相对应，如图3 4 、3 5 、3 6 所示。 图3 4 基本面加工方式 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图3 5 孔加工方式 图3 6 槽加工方式 在这里加工行为和零件的几何特征存在一种一一对应的关系： 面几何特征铣( 车) 面的加工行为 孔几何特征铣孔加工行为 槽几何特征铣槽加工行为 以上的对应关系就能很好的表示出几何设计特征和加工行为存在一种一 一对应的映射关系，因此在这里也就能用加工行为构成的加工行为单元来描 述加工特征，并进一步用加工特征来进行零件的建模研究。 3 4 加工特征建模系统的系统结构设计 3 4 1 加工行为的结构设计 根据前面的定义i ，加工行为也是一种单独的加工特征，可以表示为m a ， 1 4 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 那么可以将m a 表示为 m a = f ( p m ，蹦，m r ，c u t m ，t ) p r o ：加工零件的材料特性 m ：加工设备 f 加工刀具 m r ：加工余量 c u t m ：切削量 ( 3 1 ) 对于n t 特征建模的基本加工行为满足以下的特性： ( 1 ) 完整性：对于任何待加工零件，均可以根据一定的准则将加工内容 分解为合理的加工行为 ( 2 ) 单一性：为了便于计算机管理，要求加工行为在一定的条件下能归 入到某一特定的类中。 ( 3 ) 适应性：分解的；b l - r 行为要充分考虑现场的资源条件，以保证加工 行为的可加工性。 ( 4 ) 可评价性：对于某一加工特征来说，加工行为必须具有一定的判断 标准，常用加工时间和制造成本。 ( 5 ) 便于实现加工行为的自动识别和抽取。 ( 6 ) 便于加工特征构造。 ( 7 ) 便于被设计人员接受认可。 3 4 2 加工特征的结构设计 加工特征在本文中是由加工行为单元来描述的，加工行为单元是由加工 行为组成的，包含有数目不同的加工行为。车削加工行为单元就是车削加工 加工特征，是由车削加工加工行为组成的；铣削加工行为单元就是铣：b n - r n 工特征，是由铣削加工加工行为组成的。因此在这些加工特征中都包含有设 计信息和加工信息，包含有各个加工行为的一切信息。 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 加工特征用m f 表示，m f l a t h e 表示车加工加工特征，m f m i l l 表示铣加 工加工特征，l a t h e m a a s s e m b l y 表示车加工行为单元，m i l i m a a s s e m b l y 表示 铣加工行为单元，则 m f l a t h e = q a 咖e m a s s e n b l y l + l a t h e m a s s e n b l y 2 + ” m f n i l l = ( m i l t m a s s e n b l y l + m i l l m a s s e n b l y 2 + 、 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 因此加工特征具有以下特点 ( 1 ) 、加工特征是有一个或几个加工行为组成的。 ( 2 ) 、加工特征即能适用于零件信息的描述，也适应加工过程的描述， 从而构造统一的零件信息模型。 ( 3 ) 、加工特征的分类和其加工方法密切相关。 ( 4 ) 、描述特征的信息包括几何信息及其约束关系、制造精度信息、加 工方法信息和材料信息等。 3 4 3 加工行为的选择 零件的加工行为组成了加工行为单元，加工行为单元构成和描述了加工 特征，加工行为单元集合为： s = m f l ，m f 2 ，m f n ( 3 4 ) 对于加工行为的选择需要有约束，在满足最大约束的条件下就可以排出 合理的加工单元。约束的条件为： y = d ，1 ，y 2 ，y n ( 3 5 ) 加工行为的排序和挑选主要是逐个反复的将约束y i 作用于特征加工单 元集合中，当集合s 中的加工行为的排序满足约束条件集合时，加工行为组 1 6 哈尔滨r i = 程大学硕士学位论文 成的加工单元就能很好地满足加工特征的要求。 3 4 4 加工行为的排序原则 加工行为选择和排序的原则如下： 1 ) 先粗后精。租加工的加工行为必须是在精加工的加工行为之前。 2 ) 先主后次。主要加工表面如圆柱面放在开始阶段，次要表面如键槽、 轴肩等次要加工面放在后面。 3 ) 先基准后其他。在加工时要先考虑加工基准表面。 4 ) 如果加工中包括其他辅助加工行为要排在主加工行为后面。 3 4 5 加工特征的系统结构 基于加工特征的零件建模中，加工行为的提取和表达是关键。加工行为 具有加工工序的工艺信息和加工形状的尺寸。为了提高通用性可按先后顺序 分为不同的加工行为，按照加工行为单元的需要来选择相适应的加工行为模 块，加工特征可以含有数目不同的加工行为。加工行为单元按加工的方式不 同又可分为车、铣等加工行为单元。不同的加工行为单元就构成了对应描述 不同加工方式的加工特征，如车加工特征，铣削加工特征等，再由这些加工 特征来进行产品的建模，这就是本文研究的加工特征建模。 根据以上的分析，设计了基于加工特征的零件建模系统结构，如图3 7 所示。 图3 7 基于加工特征的零件建模系统结构图 1 7 哈尔滨工程犬学硕士学位论文 3 5 本章小结 本章从基于加工特征的设计需要出发，通过对加工特征建模的分析和零 件特征信息描述与提取的论述，提出了基于加工特征建模的系统设计要求， 设计出特征建模方案、零件特征信息描述与提取方案，最终完成了基于加工 特征的零件建模的总体设计。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第4 章应用程序的系统设计 4 1 程序概述 本文主要是对基于加工特征产品建模的研究。在前文中已经将电路板的 形状结构分析完毕，按照电路板的形状要求，将加工的顺序确定下来，加工 的顺序用四个加工特征来考虑产品的建模。四个加工特征分别是上内腔体加 工特征、下内腔体加工特征、外腔体加工特征和螺纹孔加工特征。其中的腔 体加工属于铣削加工单元，螺纹孔的加工特征属于钻孔加工特征。这四个特 征都是由不同的加工行为组成的。对于本课题，针对专门的加工行为来说， 设计了不同的模块，其中包括铣削起刀模块、铣削中间圆周模块，铣削终加 工模块、钻孔加工模块等多个模块。各个模块中包含有相对应的加工信息， 如加工余量、切削量、加工机床、加工刀具等加工要素。对于划分不同的加 工特征来说，有不同的加工模块和模块数目，每一个加工特征都有其专属模 块，而每个模块在本文中除了具有专有属性外，还在其它的设计中具有共同 性。以备在将来的设计中利用模块进行设计。 4 2 主要应用软件 4 2 1v b 软件介绍 v b 软件是微软公司系列化可视开发工具，是创建w i n d o w s 应用程序最 简便、最快捷的开发工具之一。主要包括工程界面的设计，工程的组成和应 用程序的设计。v b 语言简单易学，功能强大，尤其设计建立设计界面，直 观简洁，快速灵活0 0 l 。本文正是利用v b 软件的这一特点来进行加工特征各 个模块的程序接口界面的设计。 4 2 2p r o e 软件介绍 p r o e 三维实体建模设计系统是美国参数化技术公司的产品。主要是提 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 供单一数据库、参数化、基于特征的设计方法。具有操作直观性，并且能基 于特征进行参数化的设计【1 l 】。以上特点正符合本文的需要。在本文中主要是 应用了p r o e 中的高级程序工程将所生成的加工特征在p r o e 软件的界面中 完成，能直接检验所设计的产品是否符合需要。 4 3 菜单的设计 菜单在用户程序中占有相当重要的地位。一个高质量的菜单不仅能使系 统的画面美观、富有吸引力，更重要的是操作方便、避免一些误操作。 目前广泛流传的菜单形式有以下三种： ( 1 ) 、下拉式菜单系统：此系统是一种典型的窗口菜单，它自上而下的向 屏幕弹出一个个窗口菜单，供操作者选择或输入内容。下拉式菜单几乎为所 有商业化软件全部或部分采用。这种菜单的主要特点就是友好、直观、使用 者易于掌握。 ( 2 ) 、弹出式菜单：弹出式菜单是在图形方式下经常使用的窗口菜单系统， 以实现下一级菜单或一些信息。弹出式菜单直观、醒目，比如典型的窗口菜 单系统是m i c r o s o f t 公司提出的w i n d o w s ，其丰富、优美的各种弹出式窗口令 使用者纷纷仿效。 ( 3 ) 、图标式菜单：图标式菜单具有形象、简洁、活泼、直观的特点，在 许多绘图软件中就大量采用了这种菜单形式。图标式菜单只适用于那些显示 设备支持高级用户接口的用户。 比较以上三种菜单，本软件确定采用下拉式菜单系统，这是因为： ( 1 ) 、弹出式菜单的实现原理是对图形屏幕的存储与恢复。对内存的需 求较大，会造成本软件运行速度过慢。 ( 2 ) 、本软件不适用于图标式菜单，因为各种特征名用图标式菜单不易 表示，并且图标式菜单实现起来较困难。 ( 3 ) 、从与现场工作人员的应用方面来说，下拉式菜单便于使用者操作。 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 因此本文的菜单设计如图4 1 所示： 一级菜单二级菜单三级菜单 4 4 对话框的设计 图4 2 菜单设计 三层项一 三层项二 随着计算机应用技术的迅速发展，界面的设计也越来越完善，友好的界 面是一套成功软件的必要条件，能够使软件最大限度的发挥其功能。对话框 是一种边界固定的窗口，也是一种先进的、流行的人机交互界面，运用对话 框可以方便、直观地实现程序所需参数的传输，它支持以光缆扫描显示器和 鼠标为代表的输入设备，提供了图形与文本共存的可视化环境，使操作更为 简洁、方便，几乎所有的软件都要用对话框界面与用户进行交流。 根据加工特征的需要本文设计了对话框。如图4 2 所示。 2 l 哈尔滨一r 程大学硕十学位论文 匡三卜囝匪 4 5 程序调用 图4 2 对话框的设计 在程序的调用中，直接用软件编程生成可执行文件，用可执行文件来做 为与外部的接口，直接调用可执行文件，进入了基于加工特征的设计界面。 在程序的内部主要是通过下拉式菜单的调用和程序命令按钮的调用来执 行各个程序之间的调用和切换。 在本文所设计的软件系统中，加工行为模块是设计的核心，在本文根据 所设计产品的要求，首先设计出了八个加工行为模块，根据不同的加工特征 来选取不同的加工行为模块。 按照去除加工材料的先后顺序来说将零件的加工分解为四个加工特征， 在本类零件加工特征的设计中主要是应用了铣削加工，四个加工特征分别是 铣上内腔体加工特征、铣下内腔体加工特征、铣外腔体加工特征、钻螺纹孔 加工特征。因为这四个特征的加工形状是不同的，因此对于不同的加工特征 来说，它们内部的加工行为选择是不一样的。 4 5 1 上内腔体加工特征加工行为的选择 在上内腔体加工中的加工行为选择，在选择中主要是选择先粗后精的原 则，分解为起刀加工行为、中间加工行为、最终加工行为，其中前两个加工 行为是粗加工行为，后一个加工行为是精加工行为。 4 5 2 下内腔体加工特征加工行为的选择 在下内腔体加工中的加工行为选择中，主要也是选择先粗后精的原则， 分解为起刀加工行为，中间加工行为、最终加工行为，其中前两个加工行为 是粗加工行为，后一个加工行为是精加工行为。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 4 5 3 外腔体加工特征的加工行为的选择 外腔体加工主要就是按照电路板要求的形状来进行仿照外型的加工，因 此主要就是精加工阶段。只有一个外腔体的加工行为模块。 4 5 4 螺纹孔加工特征的加工行为的选择 螺纹孔的加工行为主要就是有专门的加工模块来进行的，是单独一个加 工行为模块。 具体的形式如图4 3 所示。 4 6 各个加工特征的详细设计 4 6 1 上内腔体加工特征的设计 上内腔体的加工特征在本文中的结构零件中主要如前文所分解的一样， 上内腔体的图形如图4 4 所示。 如图4 4 所示将上内腔体加工特征分解为了三个模块：铣削起刀模块1 、 铣削中间圆周模块l 、铣削终加工模块1 。对于上内腔体的不同尺寸，在程序 中加入判断语句，来决定调用模块时尺寸数据的输入。在这里上内腔体的特 征即可以作为一个单独的加工特征处理，加工出只有联接口的全封闭式零件 结构体，又可以在下文中提到的下内腔体相结合组成带有通讯接口的结构体。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图4 3 程序模块设计 厂 、 7、歹 图4 4 上内腔体加工特征 上内腔体加工特征的主要属性是由电路板的尺寸和形状决定的，主要如 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 1 1 图