（机械制造及其自动化专业论文）大型结构焊件分布式capp系统的研究.pdf

中文摘要 随着现代化大型结构焊件生产的发展，很多企业在产品设计方面采用c a d 技术，在加工方面采用各类先进的数控设备，而作为连接大型结构焊件设计和加 工的焊接工艺设计再采用传统的设计方法己远不能满足企业对大型结构件焊接 自动化技术的需求，采用计算机辅助的方法来提高大型结构件焊接工艺设计水平 己成为一种必然的趋势。本文针对大型结构焊件的制造特点，设计开发了一套基 于特征技术的适用于大型结构焊件生产的分布式c a p p 系统。本文主要包括以下 内容： 1 通过对传统结构焊件设计制造流程的研究，提出了基于特征建模的 c a d c a p p c a m 信息集成原理，并针对该原理做了相应关键技术原理的研究 工作，包括特征的定义、箱体类零件特征信息描述、特征映射、s o l i d w o r k s 二 次开发原理等。 2 采用了基于特征和基于操作相互协调的工艺路线编排思想，通过对大型结构焊 件设计、制造特点的分析，建立了工艺规程设计模型，为系统功能的实现提供 了一套系统且行之有效的理论基础和实施方案。 3 对c a p p 系统中几个关键技术进行了深入的研究，实现了特征信息的自动提取 和工艺信息的手动输入、板材的手工排料、焊接装配的自动排序与手工排序等 功能。 4 以v i s u a l b a s i c 6 0 和s o l i d w o r k s 为开发手段，完成了大型结构焊件分布式c a p p 系统中c a d 数据输出接口、排料工艺规划、焊接装配顺序规划、机加工工艺 规划、数控加工仿真及代码输出五大部分的设计工作。 关键词：分布式c a p p 特征建模集成大型结构焊件 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i z a t i o np r o d u c t i o no fl a r g e - s c a l es 仃u c t u i ew e l d i n g p i e c e s ，m a n ye n t e r p r i s e sa d o p tc a dt e c h n o l o g yi np r o d u c td e s i g n ，u s ea d v a n c e d c n ce q u i p m e n ti np r o c e s s i n g t h ew e l d i n gt e c h n o l o g yf o rl a r g es t r u c t u r ew e l d m e n t l i n k i n ga n dp r o c e s s i n gw h i c ha d o p t e dt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sw i l ln o ts a t i s f y e n t e r p r i s e sd e m a n df o ri t s ot h eu s eo fc o m p u t e r - a i d e dm e t h o d st oi m p r o v et h e d e s i g ns t a n d a r d so fl a r g e s c a l es t r u c t u r ew e l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni u e v i t a b l e t r e n d t h ep a p e ri sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e s c a l es 缸1 l c t i l r em a n u f a c t u r i n g w e l d i n g ，d e s i g n e da n dd e v e l o p e daf e a t u r e - b a s e dt e c h n o l o g yd i s t r i b u t e dc a p p s y s t e mt h a ta r ea p p l i c a b l et ot h el a r g e - s c a l es t r u c t u r ew e l d i n gp i e c e s t h ep a p e r i n c l u d e d ： 1 t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft r a d i t i o n a ls 1 t u c n l r ew e l d m e n td e s i g n m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dc a d c a p p c a mi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n p r i n c i p l eb a s e do nt h ef e a t u r em o d e l i n g ，a n dm a k er e s e a r c ha g a i n s tt h et e n e t so f t h ec o r r e s p o n d i n g p r i n c i p l e s o ft h e k e yt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gd e f i n i t i o n ， i n f o r m a t i o nd e s c r i b eo fn o n r o t a t i o n a l p a r t s ，f e a t u r em a p p i n g ，s e c o n d a r y d e v e l o p m e n tp r i n c i p l e so fs o l i d w o r k s ，a n ds oo n 2 t h ep a p e ra d o p t ss c h e d u l i n gt h i n k i n gb a s e do nt h ef e a t u r e sa n do p e r a t i o na n d m u t u a lc o o r d i n a t i o np r o c e s sl i n e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h el a r g es 仃1 l c t u r a l w e l d m e n td e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，b u i l tu pt h ee n g i n e e r i n g p r o c e d u r et e c h n o l o g i c a lm o d e ls oa st op r o v i d e sas e r i e so fs y s t e m a t i ca n d e f f e c t i v et h e o r e t i c a lp r i n c i p l ea n dl a y - o u tp l a nt or e a l i z es y s t e mf u n c t i o n 3 t h ep a p e rc a r r i e so u ti n d e p t hr e s e a r c hi n t os e v e r a lk e yt e c h n o l o g yo fc a p p s y s t e m ，r e a l i z e sa u t o m a t i c a l l ye x t r a c to ft h ef e a t i l r c i n f o r m a t i o na n dp r o c e s s i n f o r m a t i o nm a n u a l l yi n p u t ，t h em a n u a ls h e e tm e t a ln e s t i n g ，a u t o m a t i cw e l d i n g a s s e m b l ym a n u a ls o r t i n ga n dr a n k i n gf u n c t i o n s 4 t h ep a p e ra d o p t sv i s u a lb a s i c6 0a n ds o l i d w o r k s 髂d e v e l o p m e n tt o o l s ， c o m p l e t e dt h ec a dd a t ao u t p u ti n t e r f a c e ，n e s t i n gp r o c e s sp l a n n i n g ，w e l d i n g a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g ，m a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n g ，s i m u l a t i o na n dn c c o d eo u t p u ti nt h ed i s t r i b u t e dc a p p s y s t e mo fm a j o rs t r u c t u r a lw e l d i n gp i e c e s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dc a p ps y s t e m ，f e a t u r em o d e l ，i n t e g r a t i o n ，l a r g e s t r u c t u r ew e l d m e n t 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储签名：矸是签字日期细。7 年月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：。p 怨 签字日期：沙0 7 年月厂日 导师签名： 掀拿 签字日期：工归7 年莎月7 日 j 第一章绪论 第一章绪论 制造业是国民经济的支柱产业，制造技术直接创造着社会财富。世界制造业 的实践证明，工业化国家的真正财富中有6 0 8 0 是制造企业创造的【1 1 。2 1 世 纪是全球化、信息化和技术创新的时代，每个企业都面临着持续多变和不可完全 预测的全球化市场竞争，竞争的核心是以知识为基础的新产品竞争。如何提高企 业的竞争力是摆在每个制造企业面前的严竣问题。近3 0 年来，飞速发展的信息 技术对制造业所起的作用越来越大。 1 1 先进制造技术概论 先进制造技术a m t ( a d 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 ) 概念是美国在2 0 世 纪8 0 年代提出的。它是以提高制造企业综合效益为目的，以人为主体，以计算 机技术为支柱，综合利用信息、材料、能源、环保等高新技术以及现代系统管理 技术，对传统制造过程中与产品在整个寿命周期中的使用、维护、回收利用等有 关环节进行研究并改造的所有适用技术的总称。随着计算机技术、自动控制技术、 信息处理技术和系统工程学的飞速发展及其在制造业的广泛应用，机械制造业正 发生革命性的变革。 同传统的制造技术相比，先进制造技术具有的最显著的特点是： ( 1 ) 制造工程是一个系统工程； ( 2 ) 设计与加工一体化： ( 3 ) 产品生命周期的全过程； ( 4 ) 技术、管理、人和环境相结合。 先进制造技术的发展方向有以下几个方面： ( 1 ) 集成化：现在更强调技术、人、资源和管理的集成。在开发制造系统时 强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成、 资源集成、过程集成、技术集成及人员集成； ( 2 ) 智能化：应用人工智能技术实现产品生命周期各个环节的智能化，实现 生产过程各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合及人在其中 智能的充分发挥： ( 3 ) 网络：包括硬件和软件的实现、各种通信协议及制造自动化协议、信息 第一章绪论 通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础； ( 4 ) 分布式并行处理智能协同求解：获得系统的全局最优解； ( 5 ) 多学科多功能综合产品设计，其研究重点是：并行工程及 c a d c a p p c a m c a e 一体化设计等技术； ( 6 ) 综合可视化； ( 7 ) 人机一环境系统技术。 这些主要关键技术体现了2 l 世纪先进制造技术要求，也表达了先进制造技 术发展的方向【2 捌。 1 2c a d c a m 集成系统 1 2 1c a d c a m 集成系统概述 c a d 妃a m 技术是一项综合性的高新技术同时也是先进制造技术中的重点 研究问题。c a d ，c a m 系统的集成是指把c a d ，c a e ，c a p p 和c a m ( 包括n c 编程和p p c 生产计划与控制) 等各种功能通过软件有机的结合起来，用统一的执 行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内信息流的 畅通并协调各个系统有效的运行。它的显著特点是把设计与制造过程同生产管理 集成起来，通过生产数据的采集形成一个闭环系统。c a d ，c 声晰集成是制造业迈 向c i m s 的基础，该技术的应用与发展，正在引起机械制造业产生巨大的变革， 对产业结构、生产方式、管理模式、产品设计与制造过程、人才知识结构都将产 生巨大的影响 4 1 。 c a d c a m 系统的发展经历了三代： ( 1 ) 第一代c a d c a m 软件的开发始于上世纪6 0 年代中期，是以交互式 图形生成技术为基础而建立的应用技术系统，主要解决二维绘图和简单的数控加 工。例如美国工b m 公司研制的s m ss l t m s t 设计自动化系统、美国通用汽车 公司为设计汽车车身和外形而开发的c a d 1 系统等。 ( 2 ) 第二代c a d c a m 系统软件的开发是在上世纪7 0 年代，这一时期 c a d c a m 技术日趋成熟，以小型和超级小型计算机为主机的c a d c a m 系统进 入市场并形成主流；一批专门经营c a d c a m 系统硬件和软件的公司相继出现。 这一代c a d c a m 的特点是可实现二、三维绘图和数控加工；线框、曲面和实 体建模，有限元分析等。而主要缺点是难以实现系统的真正集成、获取信息受限 制、缺乏数据管理功能，对于三维几何造型技术也处初级阶段。 ( 3 ) 第三代c a d c a m 系统软件的开发是在7 0 年代的中后期，工作站的 2 第一章绪论 出现再次推动了c a d c a m 技术的发展，工作站是以个人计算环境和分布式网 络环境为前提的高性能计算机，以工作站为基础的c a d c a m 系统具有较高的 响应速度，其功能已经超过了小型机的c a d c a m 系统。这一代系统的主要特 点是使用单一数据库和统一的数据结构，使系统实现集成和各分系统间的全关 联，提供了产品数据管理功能，使用比较方便，并采用c 或c + + 、语言编码。 但在数据交换技术、工程数据管理系统、产品建模技术和实用智能化的c a p p 技 术方面还刚刚起步。 1 2 2c a d c a m 系统组成 c a d c 舢系统基本上是由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统包括 计算机和外部设备；软件系统包括系统软件、应用软件和专业软件。其基本结构 如图1 1 所示。 图1 1 c a d c a m 系统基本结构图 1 2 3c a d 、c a p p 、c a m 之间的集成 c a d 、c a p p 和c a m 之间的集成可以分为以下两个部分： ( 1 ) c a d 和c a p p 之间的集成 在计算机辅助设计时，其输出主要是零件的几何信息，缺少工艺信息，这是 由于设计和工艺的分工，设计人员不熟悉工艺而造成的，从而使得在进行计算机 辅助工艺设计时，由于缺少工艺信息而不能进行。另一方面，由于计算机辅助设 计和计算机辅助工艺过程设计的方法分别由各自的人员所开发，从而使得计算机 辅助设计的输出信息，其数据内涵和格式不能被计算机辅助工艺过程设计所接 3 第一章绪论 收。以上两点造成了计算机辅助设计和工艺过程设计之间集成的困难，至今未能 很好的解决，成为关键技术问题。 ( 2 ) c a p p 和c a m 之间的集成 由于计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造都是制造工艺方面问题，信 息上易于集成；同时两者大多由工艺技术人员开发，数据内涵和格式易于统一， 因此两者之间的集成易于解决【5 6 1 。 1 3c a p p 系统概述 1 3 1c a p p 系统简介 工艺设计是机械制造生产过程技术准备工作的一个重要内容，是产品设计与 车间的实际生产的纽带，是经验性很强且随环境变化而变化的多变的决策过程。 当前机械产品市场是多品种小批量起主导作用，传统的工艺设计方法远不能适应 当前机械制造行业发展的要求，计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 也就应运而生 r 7 8 】。在c a d c a m 集成系统中，c a p p 模块将产品设计的信息转变为制造加工 和生产管理信息，它从c a d 系统中获取零件的几何拓补信息、工艺信息，并从 工程数据库中获取企业的生产条件、资源情况以及企业工人技术水平等信息进行 设计，形成工艺流程卡、工序卡等。 8 0 年代以来，随着机械制造业向c i m s 或d v t d ( 智f l 皂带, j 造系统) 发展， c a d c a m 集成化的要求越来越强烈，c a p p 需要从c a d 系统中获取零件的几 何信息、工艺信息等，以代替人机交互的输入零件信息，c a p p 的输出是c a m 所需的各种信息。 用c a p p 代替传统的工艺设计对于制造业具有重要意义，其主要表现如下： ( 1 ) 可以将工艺设计人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中解放出来， 提高产品在市场上的竞争力； ( 2 ) 可以大大地缩短工艺设计周期，保证工艺设计质量，提高产品在市场 上的竞争能力； ( 3 ) 能集成有经验的工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性，特别 是在当前国内外机械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况下，更具有 特殊意义； ( 4 ) 可以提高企业工艺设计的标准化，有利于工艺设计的最优化工作； ( 5 ) 为实现计算机集成制造系统( c h v t s ) 仓, j 造必要的技术基础。 正因为c a p p 在机械制造也有如此重要的意义，从上世纪6 0 年代开始进行 4 第一章绪论 研究。3 0 多年来己取得了重大的发展，在理论体系以及生产过程实际应用方面 都取得了重大的成果。但是，直到目前为止真正能完全普及以及实用的c a p p 系 统很少。美国机械工程师协会( s m e ) 曾统计，虽然自8 0 年代后期到9 0 年代，美 国的制造业有9 0 需要使用c a p p ，但是直到今天，仍只有5 的企业使用c a p p ， 而且很少成功，尤其是当今c a d c a m 向集成化、智能化方面发展，追求并行 工程模式，这样都对c a p p 技术提出新的要求，也赋予它新的含义【9 】o 1 3 2c a p p 系统的构成 c a p p 系统的构成，视其工作原理、产品对象规模大小的不同而有较大的差 异。图1 2 的系统构成是根据c a d c a p p c a m 集成的要求而拟定的，其基本模 块如下： 图1 - 2 c a p p 系统构成 ( 1 ) 控制模块。其主要任务是协调各模块的运行，是人机交互窗口，实现 人机之间的信息交流，控制零件信息获取方式。 第一章绪论 ( 2 ) 零件信息输入模块。当零件信息不能从c a d 系统直接获取时，用此模 块实现零件信息的输入。 ( 3 ) 工艺过程设计模块。进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供 加工及生产管理部门使用。? ；。 ( 4 ) 工序决策模块。其主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算， 生成工序图。 ( 5 ) 工步决策模块。对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成n c 加工控制指令所需的刀位文件。 ( 6 ) n c 加工指令生成模块。依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用 n c 代码库中适应于具体机床的n c 指令系统代码，产生n c 加工控制指令。 ( 7 ) 输出模块。可输出工艺流程卡，工序、工步卡，工序图及其它文档， 输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件 进行修改得到所需的工艺文件。 ( 8 ) 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【6 1 。 1 3 3c a p p 系统分类 c a p p 系统按照工作原理的不同，大体上分为以下几类：派生式、半生成式 和生成式 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 ( 1 ) 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 系统也称变异式c a p p 系统，在该系统中，零件被组成零件族， 每个零件族有特定的编码，事先编制出一个标准工艺过程，大多数系统是采用成 组技术( g t ) 为基础的编码系统，标准工艺过程则存储在计算机内，每一零件族根 据键入特定的编码就能够很方便地产生工艺过程文件。它是利用成组技术原理将 零件按儿何形状以及工艺相似性进行分类、归族，每一族有一个典型的样件，然 后集中专家、工艺人员的集体智慧和生产经验，为此样件设计出相应的典型工艺 文件，存入到工艺文件库中。当需要设计一个零件的工艺规程时，输入零件信息， 对零件进行分类编码，按此编码由计算机检索出相应的零件族的典型工艺，并根 据零件结构及工艺要求，对典型工艺进行修改，从而得到所需的工艺规程。 ( 2 ) 生成式c a p p 系统 生成式c a p p 系统也称创成式c a p p 系统，是c a p p 系统发展过程中的一个 显著跃进。这种系统能合成各种工艺过程信息，以便自动生成新零件的工艺过程。 生成式c a p p 系统不以对典型工艺规程的检索和修改为基础，而是由系统中工艺 决策逻辑与算法对加工工艺进行一系列的决策，自动生成零件的工艺规程。这种 6 第一章绪论 方法由计算机模仿工艺人员的逻辑思维能力，自动地进行各种决策以及对工艺过 程进行优化，基本排除了人的干预，从而使工艺规程编制不会因人而异，保证工 艺规程的一致性。但由于零件结构的多样性，并且在计算机内完全准确地描述的 难度较大，以及工艺决策随环境变化的多变性和复杂性等诸多因素，所以要实现 完全生成式的c a p p 系统还很困难。 ( 3 ) 半生成式c a p p 系统 半生成式c a p p 是c a p p 系统发展的第二代。这样的系统是结合生成的特征 从变异式系统发展而来的。在基本变异系统内识别出零件族后，这些系统提供用 户有几种选择，一种选择是使每一个零件族将标准工艺过程作适当地修改：第二 种选择是为一种特定零件把不完整的工艺文件完整化；第三种选择用存储在计算 机内各种标准工艺规程所描述的内容从头开始完整地建立一个新的工艺过程设 计。半生成式c a p p 系统又称为综合式c a p p 系统，它将派生式和生成式相互结 合，综合采用这两种方法的优点。例如，可以选择几个存储在计算机上的工艺规 程的片段，同时又具有一定的工艺决策逻辑，考虑一部分加工表面理论上必然的 加工顺序，然后把他们结合起来，形成一个工艺规程【1 3 】。 1 3 4c a p p 系统的工作过程 c a p p 系统一般包括零件描述、工艺路线生成、工序设计和工艺文件输出四 大模块，其工作过程如图1 3 所示。 c a d 描i 数l 屏 述i 据l 暮 规l 转l 控 则i 换l 制 零件图r j l - j - 嗣c a d 零件描述 库l r 广，田粗： 典i刨j 型l成l 工i 或规i 艺i则i j l 王一 工艺路线生成 修 改 tl 王l 成i 工i 装l 堕l 查 艺i 篓l 萎l 量i 蓁l 工艺装备 据l 型l 型l 据t 声牯晷 工序设计陬 l 切削用 修 改 输出 零件 工艺 图1 3 c a p p 工作过程 第一章绪论 1 3 5c a p p 系统的工作原理 ( 1 ) 派生式c a p p 系统的工作原理 派生式c a p p 系统以零件特征编码技术为基础，按零件工艺过程相似性将零 件分类成组，综合每组零件的形面特征，形成复合零件。按照复合零件编制反映 本企业最优工艺方案的标准工艺规程，以文件的形式存入计算机中。在编制新零 件工艺规程时，输入零件的成组编码，识别所在的加工族，调出该族的标准工艺 规程，经过编辑、修改后产生一个新的工艺规程。系统工作流程如图1 - 4 所示。 图l - 4 系统工作流程 ( 2 ) 生成式c a p p 系统的基本原理 生成式c a p p 系统的基本原理与派生式系统不同，它不是利用对相似零件族 的标准工艺规程的修订，而是依靠程序系统中反映的各种决策逻辑( 过程) 以及各 种有关的制造工程数据信息生成。生成式系统所需的数据信息主要有各种加工方 法的加工能力、各种机床的适用范围等等一系列的基本工艺知识，这些知识一般 采用数据形式提供。工艺设计过程中各功能模块使用的各种决策逻辑( 过程或算 8 第一章绪论 法) 编入程序体巾，以供主控程序( 推理机制) 调用。图1 5 为生成式c a p p 系统的 流程图。 生成式系统不需预先存入典型工艺规程，而是根据输入的零件信息，通过计 算机的逻辑推理、公式和算法等，做出工艺决策以自动地“生成”一个新的优化 的工艺规程。可见其自动化程度更高。虽然生成式c a p p 系统是较为理想的系统 模型，但由于制造过程是不同于那些连续式生产过程，其产品品种的多样性、制 造过程的离散型、生产环境的复杂性、时间发生的随机性、系统状态的模糊性等 因素，使其工艺过程的设计成为相当复杂的决策过程，因此要开发有一定适应面 的生成式c a p p 系统还是有相当难度的。 图1 5c a p p 中复杂过程和集成结构 1 4 本课题研究的目的和研究内容 大型结构焊件应用涉及国民经济的各个领域，结构的设计与制造时间制约 着整个产品的生产周期。由于主机结构随用途不同而变化形式复杂多样，且要满 足一定的强度、刚度要求，主机的设计可在新型设计思想( 即参数化、变量化和 模块化) 的指导下进行快速产品开发，通过快速设计筋板布局，形成典型的大型 焊接结构。大型焊接结构产品制造过程复杂，涉及部门非常多，加工种类变化多 样，而且各相关部门和加工车间分别分布在企业内或其它企业的不同地点，为适 应激烈的全球竞争需要和用户化、个性化产品市场需求，企业迫切要求集成各个 制造和规划环节，使不同工作节点可以在统一( 或虚拟统一) 的数据环境下并行 协同进行，而事实上，企业现有的运作模式仍然停留于手工作业方式进行，效率 9 第一章绪论 低、出错率高、交货期和质量不能满足用户要求。分析现有状况，大型结构焊件 的制造及工艺主要涉及以下环节： 1 ) 总体工艺规划 进行工艺性审查，即通过对设计图上的筋板排布、结构形状、尺寸公差、 材料及热处理方法等方面的信息，对产品的工艺性( 可加工性) 进行分析和审查， 向设计部门返回修改意见，同时确定部件( 零件或产品) 的总体工艺路线( 宏工 艺规划) ，估算各个加工过程所需的工时和用料i 进而估算出产品加工成本。一 般大型结构焊件的加工过程必须经过板材切割、调平、焊接、热处理、机加工或 数控加工等工序。 2 ) 板材排料规划 包括几何形状复杂的二维板材排列，计算材料利用率，精确计算出产品所 需原材料，向采购部门提供采购清单，并按照排料的结果，生成数控切割代码。 由于手工排料随意性大，材料利用率不高，工作效率低，利用计算机合理有效快 速排料的研究一直受到许多领域学者的关注，但目前的研究仅在矩形排料研究方 面发展较好。 3 ) 焊接装配顺序规划 根据设计信息安排焊接的顺序。 4 ) 机加工或数控加工工艺规划 安排后续机加工工序、工步，及所用机床、刀具、夹具、辅具等详细指导。 可以看出，在整个工艺规划过程中，各个过程分别在不同的节点分布进行， 而且彼此相互之间存在复杂的信息或工作交互过程，如图l 一5 所示。手工作业方 式甚至包括传统的c a p p 都不能满足现代制造的需要，从而严重影响大型结构焊 件产品的市场响应速度，影响产品制造质量，本课题将针对上述问题提出相应的 解决方案，其意义在于：一方面以快速响应市场为我国的机械制造业在激烈的市 场竞争中赢得客户，并使其自身走出困境：另一方面对c a p p 研究的新动向有重 要的指导意义；同时它对促进我国制造产业的自动化发展，具有重要的经济和社 会效益。 1 5 本章小结 本章简要叙述了目前我国制造技术的概况、结构及其特点，介绍了 c a d c a m 系统集成的现状和组成以及目前国内外c a p p 软件的概念、结构、工 作原理以及发展状况、优点和存在问题，最后弓 出课题的研究目的及工作内容。 1 0 笫二章基于特征建模的大型结构焊件的c a d c a p p c a m 集成技术及原理 第二章基于特征建模的c a d c a p p c a m 集成技术及原理 通过分析大型结构焊件设计制造流程，针对其加工过程分散、涉及部门复 杂、设计制造周期长、信息共享程度低、工艺效率低等现状，本章从产品制造的 全过程出发，研究基于特征建模的c a d c a p p c a m 信息集成技术原理及方法， 以及产品特征建模的若干关键技术。其中，特征建模的关键技术包含：特征定义 及其形式化描述模型、面向产品生命周期的产品特征模型、以大型结构焊件为代 表的箱体类零件信息描述模型、基于s o l i d w o r k s 的三维c a d 二次开发技术、特 征从设计域到工艺域及加工域的映射策略、以及基于特征的可制造性模型六个方 面，在此基础上，举出应用实例，说明基于特征的大型结构焊件信息集成过程。 2 1 大型结构焊件制造流程 1 大型结构焊件制造流程 大型结构焊件产品设计完成后，需要经过总体工艺规划、下料工艺规划、焊 接工艺规划、机加工或数控加工工艺规划四个过程，如图2 1 ，其中数控工艺的 输出文件直接指导数控程序设计，经生产准备后，进行加工制造。 产品设计 产品设 丁总体工艺性审查丁可焊性反馈丁可加工性反， 计信息 1 总体工艺规划 i、 下料工艺规划 i 卜焊接工艺规划l卜 机加工或数控加 ( 总体工艺处) i ( 下料车间) ( 焊接车间) 、 工工艺规划 ( 数控加工车间) - _ _ 。_ _ 一- 。1 兰j 可加工性反馈 j 工艺路线 加工 吲生产准各吲数控程序设计l 图2 1 传统大型结构焊件设计制造流程 2 传统大型结构焊件设计儒0 造中存在的问题 传统 工艺 第二章基- 丁特征建模的大型结构焊件的c a d c a p p c a m 集成技术及原理 大型结构焊件的设计席0 造有过程分散、涉及部门复杂、各环节串行进行等 特点。传统的工作流程主要存在以下问题： 1 1 设计制造周期长 大型结构焊件设计制造中，全部分析、设计、绘图、工艺规划、数控编程 等工作均由手工完成，工作量大，周期长，一台大型结构焊件产品的机身工艺一 般需要1 0 1 2 人7 1 0 天的时间才能完成，无法适应激烈的竞争环境。 2 ) 信息共享程度低 由于结构焊件的制造和工艺设计涉及到c a d 、传统工艺规划、c a m 多个环 节，各环节异地分布、串行进行，原始设计数据经多种形式在各节点问传输和转 换，误差逐渐传播并放大。这样，不但消耗大量的工时，而且产品精度无法保证。 3 1 工艺效率低 工艺设计主要依靠设计者的经验，人工完成工艺规程的编制，其标准化、典 型化程度低；同时，串行流程的各个环节都可能向初始节点反馈可制造性意见， 其中一项修改有可能导致前功尽弃，明显降低了工作速度和效率。 传统的设计制造过程存在的问题严重影响了设计制造速度，为了赢得市场， 满足客户的需求，迫使企业必须改变其设计和生产方式，实现c a d c 时p c m 信息集成，进一步提高产品创新速度( i n v e n t i o n ) ，缩短产品开发周期( t i m e ) ， 降低设计和生产成本( c o s t ) ，提高产品质量( q u a l i t y ) ，加强售后服务( s e r v i c e ) ， 即围绕i t c q s 展开激烈竞争。 2 2 基于特征的c a d c a p p c a m 信息集成原理 信息集成是实现数据共享的主要解决方案，也是解决传统大型结构焊件制造 中存在问题的有效实现途径。信息集成有双重含义，首先在制造过程的任意阶段， 系统必须能够给每个子系统提供必要的信息。例如在设计阶段，制造资源和加工 能力应提供给设计者。其次，属于某一特定阶段的功能模块信息，能为其它功能 模块共享，如产品c a d 信息应该为c a p p 、c a m 的各个环节所分享。 特征技术作为当今产品设计制造信息集成的核心技术，自7 0 年代提出以来， 在理论与技术上有许多发展。基于特征建模的大型结构焊件c a d c a p p c a m 在 建立特征形式化模型、信息描述模型等基础上，构造特征类库，实现特征在设计 域、工艺域和加工域之间的映射，各域分别以不同的形式描述和共享产品信息， 如图2 2 所示。由于信息集成，各功能模块在统一的信息源上工作，从而降低了 出错率，提高了工艺效率，缩短了设计制造周期。 第_ 章基于特征建模的大型结构焊件的c a d c a p p c a m 集成技术及原理 图2 2 基于特征建模的c a d c a p p c a m 信息集成原理 2 3 特征建模及其关键技术 特征在不同的应用领域有不同的定义和解释，如“特征是联系设计信息和制 造活动的高层实体【5 】， “特征是在一次加工过程中要去除的材料几何体【1 4 】”等， 但综合各种概念化定义，可以看出：特征与几何描述相关；特征服务于多应 用领域间的信息集成；特征的形式和内涵与具体的工程应用有关；特征可以 识别、描述、映射或转换。 尽管许多学者对最终设计、制造、分析等特定领域中形状特征的实体模型、 语义模型的表示方法有了卓有成效的研究，但就作为针对产品生命周期的全局过 程而言，尚缺乏一致的、完整的产品模型理论和规范的实现方法。 2 3 1 产品特征定义 一般意义上，特征是一事物区别于他事物特别显著的象征。产品特征传统的 描述是从局部的、静态的观点出发，局限于几何的、物理的概念抽象，通常从概 念性和操作性两方面来定义【1 5 , 1 6 】。 概念性定义给出相关特征的一般性描述，它隐含地指出特征空间与应用空间 的映射关系。例如，“特征是某个机床和加工工具的组合”的概念性定义，指出 了特征空间中的一些几何元素是工件上可以用机床和加工工具组合的一种加工 第二章基于特征建模的大型结构焊件的c a d i c a p p i c a m 集成技术及原理 模式。操作性定义则给定特征相对精确的描述，。般情况下，它是通过选择某一 类特定的类型作为样板来描述特征群族，而后衍生其共有特性作为群族的边界约 束，形成特殊的特征类别。例如制造特征的定义隐含着特征的构成加工面数目及 其几何、拓扑关系，并且能由特定的加工模式而生成。但在具体应用时，概念性 定义过于粗略，操作性定义则依赖于应用。 1 特征的形式化定义 当前特征的研究要适应产品信息化设计制造及其集成的需要，应对特征进 行形式化描述和定义，这种定义是与人们对产品的几何知识、制造领域知识和制 造环境知识掌握和认识的程度密切相关的，因而产品特征可以描述为这三种知识 的函数： 石i i 妒( ，) ( 2 1 ) 式中，疗代表产品特征，认) 为定义函数，、分别为产品设计 工艺规划i t i l 造装配集成环境下的几何知识、领域知识和环境知识。几何知识是 关于产品设计或映射过程中几何生成、构造、抽象、表示和运算操作及其相互间 关系的知识；领域知识包括工程设计、制造、加工等经验和标准、产品类型及特 点、企业生产环境、设计习惯等方面的要求和知识；环境知识则是设计和制造过 程特定阶段中，需要对其中一些不确定因素作出判断并采取措施的知识，如当前 设定的设计或制造任务、当前状况和人的决定及选择等与环境变化有关的动态知 识。 根据几何知识，有基本特征( 如孔、直槽) 和复合特征 9 】；根据领域知 识，有设计特征、工艺特征、加工特征等；根据环境知识，有主特征和辅 助特征。 特征的形式化定义是产品本质深层次的认识，亦即人们在综合全面知识的基 础上对产品设计l t i i 造内在发展规律深刻认识的反映。 2 涵盖产品生命周期特征模型 面向制造的产品特征模型是用特征来描述产品的内在规律，包括设计、工艺、 加工、以及其相互间的关系。全局产品特征模型不应该局限于某个特定应用领域 的具体特征分类或表示，它涵盖了整个产品生命周期内的全局过程，是各个工程 应用特征语义的抽象与综合。 定义l ：完整的产品描述是各特定制造领域特征语义的综合。全局产品特征 模型满足以下关系： 一苎l 尸= ：( 厶u 厶u 厶u ) ( 2 2 ) i = 1 其中p 代表产品，力是设计特征，l 是工艺特征，厶是加工特征，u 表示 1 4 第二章基于特征建模的大型结构焊件的c a d c a p p c a m 集成技术及原理 各工程领域特征的语义综合，是指m 个特征的拓扑组合，如图2 - 3 。 图2 - 3 全局产品特征模型 定义2 ：设计特征是与产品功能、设计意图相关的信息载体，描述设计过程 中所采用的几何元素和属性元素，图2 4 是设计特征的数据模型。 总体特征il 几何特征 属性 零件名称 材料 外形尺寸 方法 添加 删除 修改 查询 属性 特征标识 特征类型 特征名称 位置矢量 方向矢量 方法 添加 删除 修改 查询 零件 丛 血 精度特征il 技术特征 属性 尺寸精度 形状公差 位置公差 粗糙度 基准 方法 添加 删除 修改 查询 属性 热处理 技术要求 方法 添加 删除 修改 查询 图2 - 4 产品设计特征模型的o b 图表达 定义3 ：工艺特征是与c a p p 活动相关的加工方法、几何形状及加工步骤， 是对设计特征的制造操作。 定义4 ：加工特征与加工设备( 机床) 、刀具、夹具、加工轨迹、余量、n c 编码等有关系的一系列描述信息，是工步的具体内容。 2 3 2 箱体类零件信息描述 以结构焊件为代表的箱体类零件包括若干个面，需要加工的特征附在各个面 上，称为方位面。方位面的描述及信息传递对c a p p 及c a m 产生很大影响。方 第二：章基于特征建模的大型结构焊件的c a d c a p p c a m 集成技术及原理 位面描述法可有以下的方、法i j ： 1 ) 面型描述：用表示这些面的有关尺寸如直径、周长、边长来描述； 2 ) 方向描述：用方位面方向数来描述方位面方向； 3 ) 位置描述：用方位面的基点位置来描述方位面位置。 对于箱体类零件，我们采用方向描述的方法。方向描述方法并不试图从整体 上描述零件，而是对零件进行分解，零件的每个方向是独立的，零件的特征按照 所在方向进行描述，这样可以保证获取零件的全部特征信息，同时也简化了不同 方向上待加工表面的位置关系，避免了数据结构的复杂与混乱。 在三维坐标系中，对于箱体类零件采用方位面来描述。 在提取零件特征时会自动生成特征的方向矢量( c o s g ，c o s b ，c o 吖) ，其中c o s c t 、 c o s p 、c o s 7 分别表示为某一特征所在方位面的法向矢量与x 轴，y 轴，z 轴的夹 角余弦。所以零件特征的方位面可用它的法向矢量与投影在坐标系的坐标平面的 方向余弦来表示，见表2 2 。 在具体描述每个形状特征时，可用编码来描述。此编码不同于一般的以g t ( 成组技术) 为基础的零件编码，它不参与检索加工工艺，它只是一个标志码， 用于零件特征识别。每个特征在零件坐标系中对应着唯一的一个标志码，将箱体 类零件的基本特性归类制定为1 0 位码，由方位码，类型码，工艺码三个码段组 成，其编码结构如图2 5 所示。特征编码规则制定如表2 1 所示。 表2 - 1 编码内容及码值 码值 0123456789 0 0 2 5 3 2 1 扣 0 耻 0 4 0 2 0 1 o 0 5 = 6 3 6 33 21 60 80 40 2o 15 o 0 5 i t l 2 n 5 i t 6 一i t 7 n 8 i t 9 i t l o i t l l - 加工精度码 1 0 8 0 2 粗铣一半精铣 i t 9 2 5 1 0 3粗铣一半精铣一精铣 i t 7 - - 。i t 8 o 6 3 2 5 生成工艺路线的基础是把每个设计特征依次映射到相应的工艺特征，工艺特 征的映射主要包括加工工步( o p e r a t i o n ) 的选择、毛坯的确定、每个工步的顺序 设计等。其中，工艺特征所包含的o p e r a t i o n 是由设计特征的尺寸、精度、表面 粗糙度以