（机械制造及其自动化专业论文）非回转体块状零件cadcappcam集成系统的研究.pdf

摘要 ( c a d c a p p c a m 集成，是实现企业c i m s 的一个重要方面二琢 文所研究的课题，是重庆市科委根据本市c i m s 的分系统t i s 的应用 和有关技术人员的培训中遇到的问题而提出的。 本文立足于c i m s 环境，结合国内企业c a d c a p p c a m 系统应 用现状，研究开发基于微机平台的非回转体块状零件 c a d c a p p c a m 集成系统。该系统具备计算机辅助绘制零件参数化 三视图、半创成式生成零件机械加工工艺规程、自动生成零件数控加 工程序的功能。系统以零件特征库为基础，利用特征拼装界匿，构造 零件信息模型，并以零件信息模型为中心，进行计算机辅助工艺规划 以及数控程序的编制，成功地实现了非回转体块状零件 c a d c a p p c a m 集成。 本文研究开发的系统，能够提高非回转体块状零件的设计质量和 加工效率，也为其他类型零件开发简单实用的c a d c a p p c a m 集成 系统提供了一种行之有效的方法。 重庆大学硕士论文 i i a b s t r a c t i ti sa n i m p o r t a n ta s p e c to f t h ea c t u a l i z i n go fc i m si ni n d u s t r yt h a tt o m a k et h ec a d c a p p c a mi n t e g r a t e d t h er e s e a r c hp r o j e c tt h i s p a p e r d i s c u s s i n g h a sc o m ef r o mt h es c i e n c ec o m m i t t e eo f c h o n g q i n g m u n i c i p a l i t y i th a sb e e nb r o u g h t f o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mc o m e u pf r o m t h ei m p l e m e n t i n go f t i s ，w i t c hi sas u bs y s t e mo fc i m s ，a n dt h e t r a i n i n go f t h e t i st e c h n i c i a n t h i sp a p e r ，e s t a b l i s h e di nt h ee n v i r o n m e m to f e l m s ，t a k i n gi n t o a c c o u n tt h a tt h e a c t u a l i t y o ft h e i m p l e m e n t i n go fc i m si n i n t e m a l i n d u s t r y ，d i s c u s s e st h ed e v e l o p i n go ft h ec a d c a p p c a mi n t e g r a t e d s y s t e mo ft h eu n t u r n e db l o c k - l i k ep a r tb a s e do nm i c r o c o m p u t e r ：t h e s y s t e mh a sf u n c t i o n so fc o m p u t e ra i d e dd r a w i n gt h ep a r a m e t r i ct h r e e v i e w d e s i g np a p e r o f t h e p a r t ，h a l f - g e n e r a t i n g t h ep a r t sp r o c e s s p l a n n i n g ， a n da u t o - g e n e r a t i n gh ep a r t sn u m e r i c a lc o n t r o lc o d e t h es y s t e mb a s e d o nt h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r ed a t a b a s eo ft h e p a r t ，u s i n gt h e f e a t u r e s a s s e m b l i n gi n t e r f a c e ，t oc o n s t r u c tt h ei n f o r m a t i o nm o d e lo f t h ep a r t a n d b a s e do nt h em o d e ，t h ep a r t sp r o c e s sp l a n n i n ga n dn u m e r i c a lc o n t r o l c o d ew a sm a d e t h es y s t e mh a sa c t u a l i z e dt h e i n t e g r a t i o n o fc a d c a p p c a mo ft h eu n t u r n e db l o c k - l i k ep a r ts u c c e s s f u l l y t ，h es y s t e m t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dc a ni m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t y a n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l y i na d d i t i o n ，i ti sa l s oa ne f f i c i e n t w a y t od e v e l o pc a d c a p p c a m i n t e g r a t e ds y s t e m s f o ro t h e r t y p ep a r t 重庆凡学坝i j 论文籀一幸 第一章概述 c a d c a p w c a m ( 国外一般称为c a d c a m ，其c a m 包括c a p p ) 技术是 6 0 年代兴起的一门新技术，它发展十分迅速，到8 0 年代初，在工业发达的国家 已经形成一个新的产业。c a d c a p p c a m 是实现产品设计和制造自动化的关键 技术，在产品开发中引入该技术进行产品概念设计、工程与结构分析、详细设 计以及数控编程，能大大提高产品质量，创造显著的效益【6 j 。 c a d c a p p c a m 技术的不断发展和广泛应用，不仅在于它具有提高产品的 设计质量、缩短产品的试制和生产周期等极具吸引力的优点，更重要的是，在计 算机网络与数据库系统的支持下，它与制造自动化系统、质量保证系统以及管理 信息系统有机组成计算机集成制造系统( c l m s ) ，将对社会劳动生产方式有根本性 的影响，对传统产业的改造，对新兴技术和产业的兴起与发展，对增强国际竞争 能力等方面都有巨大的推动作用。c a d c a p w c a m 技术的发展，促进我们对先 进制造技术和生产模式的探索，我们已经从传统的生产模式转向数控加工、柔性 制造乃至古 算机集成制造( c i m ) 的生产模式上【2 1 。 c a d c a p p c a m 技术是计算机集成制造系统：( c i m s ) 的基础技术，它的发展 和应用水平已成为衡量一个国家科学技术和工业现代化的重要标志之一。 1 1 c a d c a p p c a m 技术发展简史 1 9 6 3 年，美国麻省理工学院的i e s u t h e f l a n d 在他的博士论文中提出了 s k e t c h p a d 系统，该系统的理论和技术奠定了c a d c a p p c a m 技术的基础。 随着交互式图形生成技术的发展，c a d c a p w c a m 技术也得到了长足的进 步。 重庆入学硕l 论文第一章 6 0 年代中后期，美国的一些大公司十分重视c a d c a p p c a m 技术，投入 相当资会对c a d c a p p c a m 技术进行研究和丌发，研制出一些c a d 系统，如 i b m 的s m s 、s l t m s t 设计自动化系统，洛克希德的c a d a m ，通用汽车的c a d - - i ，c d c 公司开发了作为商品销售的d i g i g r a p h i cc a d 系统。此时的c a d 系统 基于大型计算机平台，规模庞大、价格昂贵，只有经济实力雄厚和技术力量强大 的大型企业和科研单位才能研究和应用这一技术。 进入7 0 年代中后期，计算机硬件的性价比不断提高，图形输入板、大容量 磁盘存储器和廉价的存储管显示器的相继出现，以及数据库管理系统软件的开 发，促使以小型机和超级小型机为主的c a d c a p p c a m 系统进入市场并成为主 流。出现了专门经营c a d c a p p c a m 软硬件的公司如c v ( c o m p u t e r v i s i o n ) 、 i n t e r g r a p h ，c a l m a ，a p p l i c o n 等。与大型计算机c a d c a p p c a m 系统相比，其 价格相对便宜，使用和维护也相对简单。因此，c a d c a p p c a m 技术有了进一 步的发展，应用范围相继扩大，主要集中在航空、电子和机械工业。同时对三维 造型技术开始进行研究。 7 0 年代末，3 2 位工作站和微机的出现对c a d c a p p c a m 技术的发展起了 极大的推动作用。工作站具有较高的响应速度，特另崎用于c a d c a p p c a m 系 统。而且，网络技术的支持使得资源可以共享，各台计算机能够发挥各自的特点。 因此，可以根据需要和经济条件以及c a d c a p p c a m 技术的发展逐步投资，逐 步发展和扩大c a d c a p p c a m 系统的功能和规模。 8 0 年代中后期，工作站平台的c a d c a p p c a m 发展很快，到目前已经成 为c a d c a p p ，c a m 系统应用的主流。这种系统的制造商只提供硬件和系统软 件，而具体的c a d c a p p ，c a m 应用软件由专门的公司研制和发售，现在活跃在 市场上的公司有s d r c 、s u n 、d e c 、p t c 等，其产品种类多，各具特色j 。 随着微机的性能价格比的不断提高以及网络技术的迅猛发展，许多公司已将 c a d ，c a p p c a m 系统移植到微机平台，可以预见，随着c a d c a p p c a m 领域 重庆人学硕士论文第一章 的不断扩大，高性能、低价格、易维护的微机平台c a d c a p p c a m 系统将成为 主流。 1 2c a d 、c a p p 、c a m 技术概要 1 - 2 1c a d 技术 c a d ( 计算机辅助设计，c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 主要指用计算机完成整个 产品设计的过程。在这个过程中，工程技术人员以计算机为工具，运用各自的专 业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档。图1 1 是c a d 系 统的功能模型 。 图l lc a d 的功能模型 c a d 包括的内容很多，如：概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿 真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。在工程设计中，一般包括两 种内容：带有创造性的设计( 方案的构思、工作原理的拟定等) 和非创造性的工 作，如绘图、设计计算等。创造性的设计需要发挥人的创造性思维能力，创造出 以前不存在的设计方案，这项工作一般由人来完成。非创造性的工作是些烦琐 重复性的计算分析和信息检索，完全可以借助计算机完成。一个好的c a d 系统 既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力，即找 到人和计算机的最佳结合点。 重庆人学硕士论文笫一章4 c a d 的功能可归纳为四大类：建立几何模型、工程分析、动态模拟、自动 绘图。因而，一个完整的c a d 系统，应由科学计算、图形系统和工程数据库组 成。科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化 设计等：图形系统包括几何( 特征) 造型，自动绘图( 二维工程图、三维实体图 等) 、动态仿真等：工程数据库对设计过程中需要使用和产生的数据、图形、文 档等进行存储和管理【2 1 。 1 2 2c a p p 技术 c a p p 是计算机辅助工艺过程设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 的英 文缩写，它指的是工艺人员利用计算机，完成零件的工艺规程设计。c a p p 接受 c a d 系统的零件信息，包括几何信息和工艺制造信息，运用工艺设计知识，设 计合理加工工艺，选择优化的加工工艺和加工设备。图1 2 是c a p p 系统功能模 刑【2 】 幽卜2c a p p 的功能模型 c a p p 系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定 和工时定额计算。其中，工序设计又可包含装夹设备选择或设计、加工余量分配、 切削用量选择以及机床、刀具和夹具的选择、必要的工序图生成等。 c a p p 就其工作原理可以分为五大类 32 1 ： 1 变异型c a p p 系统它是利用成组技术原理将零件按几何形状及工艺 重庆大学坝士论文 第一章 相似性分类、归族，每一组有一个典型样件，并为此样件设计出相应的典型工艺 文件，存入在工艺文件库中。当需设计一个零件工艺规程时，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 零件结构和工艺要求，对典型工艺进行修改，从而得到所需的工艺规程。 2 创成型c a p p 系统由系统中的工艺决策逻辑与算法对加工工艺进行 一系列的决策，从无到有自动的生成零件的工艺规程。创成型系统基本上排除了 人的干预，从而使工艺规程的编制不会因人而异，容易保证零件工艺规程的一致 性。由于零件结构的多样性，工艺决策随环境变化的多样性及复杂性等诸多因 素，真正的创成型c a p p 系统用于生产实际尚有一段艰苦的道路。 3 综合型c a p p 系统又称半创成型c a p p 系统，它将变异型与创成型 结合起来，利用变异型和创成型各自的优点，克服其缺点。我国开发的c a p p 系 统多为这类系统。 4 交互型c a p p 系统它以人机对话的方式完成工艺规程的设计，工艺 规程设计的质量对人的依赖性很大。 5 智能型c a p p 系统它是将人工智能技术应用在c a p p 系统中所形成 的c a p p 专家系统。然而，它与创成型c a p p 系统是有一定区别的，虽然二者都 可自动生成工艺规程。创成型c a p p 是以逻辑算法加决策表为其特征：而智能型 c a p p 系统则以推理加知识为其特征。 1 2 3c a m 技术 c a m ( 计算机辅助制造，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 ) 目前尚无统一的定 义，般来说，它是指计算机在产品制造方面有关应用的总称【”。 c a m 有广义和狭义之分。广义的c a m 一般是指利用计算机辅助从毛坯到 成品制造过程中的直接和间接的活动。包括工艺准备( 计算机辅助工艺设计、计 重庆人学硕士论文第一章 6 算机辅助工装设计与制造、n c 自动编程、工时定额和材料定额编制等) 、生产 作业计划、物料作业计划的运行控制( 加工、装配、检测、输送、存储等) 、生 产控制、质量控制等。 狭义的c a m 通常仅指数控程序的编制，可包括刀具路径的规划、刀位文件 的生成、刀具轨迹仿真以及n c 代码的生成【l 】图1 3 是狭义c a m 系统的功能 模型。 图卜3c a m 的功能模型 数控技术在制造业中的作用在于：大大提高生产率和自动化程度；提高产品 加工精度：节省大量加工设备；促进了产品结构的优化设计。为现代制造领域提 倡的多品种、少批量制造方式的实现提供了理论和技术基础。 1 3 c a d c a p p c a m 集成技术概要 1 3 1 c a d c a p p c a m 集成的基本概念 c a d c a p p c a m 集成，通常简称为3 c 集成。所谓3 c 集成，就是实现c a d 、 c a p p 和c a m 之间信息传递和转换的自动化，使产品设计和制造信息能够共 享，三个子系统有机结合在一起，对外表现为一个相对独立的系统。 传统的c a d 、c a p p 、c a m 相互独立发展，各系统产生的信息，需经人工 重庆大学琐l 论文 第一章 转换，这不但影响工程设计效率的进一步提高，而且，在人工转换过程中难免 发生错误，这绘生产带来极大的危害。为此，人们自7 0 年代起，就开始研究 c a d ，c a p p c a m 集成技术，目前。该技术在国内外均已取得了很大的进展，达 到了实用的水平。 c a d c a p p ，c a m 集成的目的在于：( 1 ) 实现完整的产品定义数据的数字 交换：( 2 ) 减少人工干预，减少人为错误；( 3 ) 避免重复性工作。( 4 ) 减少 对过程的测试和控制【6 1 。 1 3 2c i m s 环境中的c a d c a p p c a m c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机集成制造) 是一种组织、 管理与企业生产的新哲理，它借助计算机软硬件，综合运用现代管理技术、制造 技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全过程中有关人、技 术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，以实现产品高质 量、低成本、生产周期短，从而使企业赢得市场。 图1 4 是一个企业的c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 。计算 机集成制造系统) 略图。c i m s 是基于c i m 哲理而组成的系统。c i m s 的主要特 征是集成化，集成化反映了自动化的广度，把系统空间扩展到市场、设计、加工、 检验、销售及用户服务等全过程。 c a d c a p p c a m 是c i m s 的一个子系统。c a d c a p p c a m 属于c i m s 中的 t i s ( t e c h n i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，技术信息系统) 。从工程技术信息的角度看， c a d c a p p c a m 系统是c i m s 的基础与核心。它的发展决定了c i m s 在企业中 的实施情况。 重庆大学硕士论文 第一章 生产信息或经营管理信息技术信息亡= 二物流 图i - 4 计算机集成制造系统( c i m s ) 1 3 3 c a d c a p p c a m 集成的关键技术 在c i m s 环境下如何集成c a d c a p p c a m 是当前公认的重要课题。如前所 述，作为c i m s 核心技术的c a d c a p p c a m 系统，主要支持和实现c i m s 产品 重庆大学硕上论空第一韦 一9 的设计、分析、工艺规划、数控加工及质量检验等工程活动的自动化处理。 c a d c a p p ，c a m 的的集成，要求产品设计与制造紧密结合，其目标是产品设计、 工程分析、工程模拟直至产品制造过程中的数据具有一致性，且直接在计算机内 部或计算机问传递，从而跨越由图纸、语言、编码造成的信息传递的“鸿沟”， 减少信息传递的误差和延迟。因此，c a d ，c a p p c a m 集成的关键是解决好系统 中数据的交换和信息的共享。 但是，传统的c a d 、c a p p 、c a m 是相互独立发展起来的，它们之间是相 互分离的局面。其根本原因在于，它们所依赖的数据模型互不相容，现有的c a d 系统主要着眼于绘制图形，绝大部分c a d 系统采用面向数学和几何模型的线框 模型、表面模型及实体模型。通常c a d 系统只产生层次较低的几何信息，如点、 线、面、基本体素等。而c a p p 系统则需要较高层次的信息，主要包括几何形状 特征、尺寸、公差、材料特征、表面粗糙度、装配要求等。这些信息是c a p p 和 c a m 的基础。为了实现c a d c a p p c a m 的集成，行之有效的方法是系统建立 c a d c a p p c a m 范围内相对统一的、基于特征的产品定义模型，并以此模型为 基础，运用产品数据交换技术，实现c a d 、c a p p 、c a m 间的数据交换与共享。 特征模型不仅能支持设计与制造各阶段所需的产品定义信息，而且还提供符合人 们思维方式的高层次工程描述语言特征，并能表达工程师的设计与制造意 图。因此，特征技术已成为c a d c a p p c a m 集成的关键技术之j 。 目前已有的c a d c a p p c a m 系统集成，主要通过文件来实现c a d 、c a p p 与c a m 之间的数据交换，不同子系统的文件之间要通过数掘接口转换，传输效 率不高。为了提高数据交换的效率速度和系统的集成的化程度，保证各系统之间 数据一致性、可靠性和数据共享，采用工程数据库管理系统来管理集成数据，使 各子系统间直接进行信息交换，真正实现c a d 、c a p p 、c a m 之间信息交换与 共享。因此集成数据管理也是c a d c a p p c a m 集成的一项关键技术【6 j 。 1 4 非回转体块状零件的特点及其3 c 集成的意义 重庆大学硕士论文第一章1 0 1 4 1 非回转体块状零件的特点 非回转体块状零件，指整体形状无回转特征。尺寸不大，无内腔的块状零件。 这类零件多见于仪器仪表、液压、气动元件中。下图所示零件即是一个非回转体 块状零件的例子： 图2 - 1非回转体块状零件示例 非回转体块状零件的结构一般比回转体类零件复杂，型面参数繁多。因此， 非回转体块状零件不但工程图的绘制比回转类零件复杂，而且，它的待加工表面 一般较多，又可能分布在各个方位上，这就导致其工艺路线编制的复杂性和多样 性，如用普通机床加工，其烦琐的换装夹定位也相当麻烦。另外，这类零件又通 常是多品种小批量生产，工人很难在短期内适应这种复杂的加工，发现设计问题 导致的不可：自r - r - ，也难以及时修改。 1 4 2 非回转体块状零件3 c 集成的意义 重庆大学硕士论文第一章1 1 针对传统方法对非回转体块状零件的设计制造存在的问题，本文提出研究 非回转体块状零件c a d c a p p c a m 集成系统，它和传统设计制造不同之处在 于： 1 工程图的绘制和修改比传统的方法快捷方便。 2 工艺规程的制订具有致性，制订周期也大大缩短。 3 系统最后生成数控代码，用数控机床加工。 用非回转体块状零件3 c 系统设计出零件并生成其数控代码，控制数控机床 加工零件，大致有以下几个特点： 1 适应性强，为多品种小批量的生产和新产品的研制提供了有利条件 用数控机床加工形状复杂的零件或薪产品时，不必象通用机床那样需要很多 工装，仅需少量工夹具。一旦零件设计有问题，只需在c a d 系统修改相应部分， 然后重新生成加工工艺规程和数控程序可在短时间内把修改后的零件n i 出 来。因而生产准备周期短，灵活性强。 2 加工精度高，质量好 数控机床所需的加工条件( 如进给速度、主轴转速、容差指定、刀具选择等) 都是由数控程序预先规定好了，加工是自动完成的，所以人为造成的力f l - r 误差很 小。并且进给传动链的换向间隙与丝杠传动误差等均可由数控装置进行补偿。因 此，用数控机床加工能够达到较高的加工精度。 3 零件设计加工周期短，加工生产率高，经济效益好 系统实现3 c 集成后，在零件加工工艺规划阶段或数控代码的编制及零件加 工时所发现的问题，能及时切换到c a d 系统进行修改，大大减少了传统设计制 造由于各阶段分开而相互交接所浪费的时间。另外，数控机床也能减少零件加工 所需的机动时间与辅助时间，从而提高生产率。 重庆天学硕士论文 第一章 目前国内机械行业开发应用的非回转体类零件c a d c a p p c a m 软件较 少，个别商品化的非回转体类( 主要是箱体、钣金件) 零件c a d c a p p ，c 朋订软 件主要应用在模具行业中，其它多为回转体类零件的3 c 软件。 本课题非回转体块状零件c a d c a p p c a m 系统软件的开发成功，不但 对c i m s 培训工作具有促进作用，还将为我市的仪器仪表，气动、液压元件，轻 工机械及其他各种相关制造业的产品设计、制造自动化提供工具，推动这些产业 的科技进步和生产发展。 1 5 本课题介绍 课题来源：本课题来源于重庆市科委。项目名称为“c i m s 环境下的t i s 系 统培训软件的开发研究”。项目的主要研究内容为开发一套非回转体块状零件 c 胱a p p ，c a m 集成系统，用作国家8 6 3 c i m s 培训中心( 重庆) 的培训软 件，并研究3 c 系统的集成方法。 开发目的：目前，国际上流行的3 c 系统是基于工作站的，采用三维建模技 术，功能强大，但系统的软硬件成本高，国内大多数企业难以承受。而国内流行 的微机c a d 软件，价格低廉，但功能有限。现在，些著名软件开发商已将自 己的基于工作站的3 c 系统软件向微机平台移植，例如p t c 公司的p r o e n g i n e e r ， s d r c 的i - d e a sm a s t e rs e r i e s5 等，现在均有微机版本。预计今后几年内基于微 机的3 c 系统将迅速进入国际国内市场，并且成为主流。国家8 6 3 c i m s 培训中 心( 重庆) 作为国家8 6 3 c i m s 主题在全国设立的8 个国家级培训中心之一，为 了组织和实施对重庆市、四川省及话南地区的c i m s 人才培训，必须建设有相当 规模的，能适应要求的硬、软件实验环境，使培训对象能作到理论联系实际，学 会具体的c i m s 技术。在c i m s 的核心内容之一，即技术信息系统( t e c h n i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 方面，考虑到目前我市两个c i m s 应用工程所采用的是工作 重庆大学硕士论文第一章1 3 站版本的u g 2 和u c l i d 系统，不适合于作普及性的培训，所以急需在高档微机 上开发一套适合培训用的c a d c a p p c a m 集成软件。因此，我们开发的这一套 基于微机c a d c a p p c a m 系统，一是为了满足c i m s 培训的需要，二是赶上3 c 系统软件开发研究的主流，在微机平台的c a d c a p p c a m 系统软件开发上做一 些有益的尝试。 重庆大学硕士论文 第二章 第二章非回转体块状零件c a d c a p p c a m 系统 集成方法研究 2 1 产品建模技术的发展概况 实现c a d c a m c a p p 集成，关键是要解决好c a d 、c a p p 、c a m 之间的 数据交换和共享问题。而在c a d 阶段，产品的表达方式，则成为能否有效解决 该问题的决定因素。产品设计的过程也是信息处理的过程，设计过程中产品信息 的表达方式与当时的生产发展水平紧密相关。在6 0 年代末，随着c a d 和c a m 概念的逐步形成及计算机硬件和软件的飞速发展，产品的表达方式发生了显著的 变化，主要采用模型化计算机语言表达，相继出现了线框造型技术、曲面造型技 术、实体造型技术、参数化技术、以及目前最先进的变量化技术。 线框造型系统出现于6 0 年代，这种系统只能表达基本的几何信息。不能有 效表达几何数据间的拓扑关系，由于缺乏形体间的表面信息，c a p p 及c a m 难 以实现。 进入7 0 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造 中遇到了大量的自由曲面问题。这时法国人提出了贝赛尔算法，使人们用计算机 处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们， 能在二维绘图系统c a d a m 的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建 模方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。它首次实现以计算机完整描述产品 零件的主要信息，使得c a m 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统带来的 技术革新，使汽车和飞机的开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型的开发速 度大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的六年缩短为只需约三年，汽车工业 和航空工业开始大量采用c a d 技术。 有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达 重庆大学硕士论文第二章 形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等，对 c a e 十分不利。基于对c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件一i d e a s 。由于实 体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、 c a m 的模型表达，给设计带来很大的方便，它代表着c a d 未来的发展方向。但 是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改进和未 来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造 型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。因此实体遗型技 术没能迅速在整个行业全面推广开。在以后的十年里，随着硬件性能的提高；实 体造型技术又逐渐为众多的c a d 系统采用。 正当实体造型技术逐渐普及之时，c a d 技术的研究又有了重大进展。8 0 年 代中期，c v 公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型 更新颖、更优越的算法一参数化实体造型方法。它主要具有以下特点：基于特 征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。由于c v 公司因经营策略原 因否决了参数化技术方案，策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时集体离 开了c v 公司，另成立了一个参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，即 p t c 公司。他们研制出了著名的参数化软件_ p r o e n g i n e c r 。该系统具有统一 的数据库，并具有较强的参数化设计、组装管理、生成加工过程及刀具轨迹等功 能，系统也具有用户自定义形状特征的模块。 参数化技术的成功应用，使它在9 0 年代前后几乎成为c a d 业界标准，许多 软件厂商纷纷起步追赶。但是，重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大， 因为这样做意味着将软件全部重新改写，何况许多公司在参数化技术上并没有完 全解决好所有问题。s d r c 公司摸索了几年参数化技术，他们以参数化技术为蓝 本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术，这就是变量化技术。变 量化技术是在参数化的基础上又做了进一步的改进后提出的设计思想。变量化造 型技术的特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的 重庆大学硕士论文第二章 优点，但在约束定义方面做了根本性改变。变量化技术能在欠约束条件下求解， 可解决任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以作到尺寸驱动，亦可实现约束 驱动，及由工程关系来驱动几何形状的改变。变量化技术发展的一个里程碑是 v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ，超变量几何) 技术的提出和应用。s d r c 公司提出v g x 技术时喊的口号是“设计就是修改”。v g x 技术充分利用形状约 束和尺寸约束分开处理、无须全约束的灵活性，让设计者可以针对零件上的任意 特征直接以拖动方式非常直观地、实时地进行图示化编辑修改，在操作上特别简 单方便，最直接地体现出设计者的创作意图，给设计者带来空前的易用性。1 9 9 7 年，v g x 技术在s d r c 公司最新推出的i - d e a s m a s t e r s e r i e s5 中得到应用，它 的出现可能是产品建模技术领域最引人注目的一次革命。 2 2 特征与c a d c a p p c a m 集成系统 在c a d c a p p c a m 集成系统中，中间环节c a p p 所遇到的主要问题，一是 c a d 不能提供足够的信息。只依靠几何和拓扑信息来理解和处理加工对象的全 生成式c a p p ，至今仍停留在理论研究阶段，或者只能针对简单的n t 对象。二 是c a p p 针对性强，不仅与加工对象有关，而且与制造部门的资源状况、生产习 惯有关，开发通用c a p p 困难很大。 为了使c a p p 能从c a d 中得到足够的信息用于工艺决策，原有的几何信息 模型必须扩展到特征信息模型。 零件特征是设计和制造之间传递产品信息的媒介，特征可以携带大量的工程 信息，可以比较容易地将c a d 、c a p p 和c a m 各子系统有机地连接在一起。因 此。零件特征信息模型是c a d c a p p ，c a m 信息集成的基础。从c a p p 的角度来 看，工艺决策知识的结构化及工艺决策过程的模型化都需要运用特征信息。特征 成为工艺过程设计的核心实体。 重庆丈学硕士论文 第二章 2 2 1 特征的定义和分类 特征是8 0 年代中、后期为了表达产品的完整信息而提出的一个新概念。它 是一组与零件描述相关的信息集合。零件的特互描述的是其设计和制造等方面的 信息。用特征描述的产品信息模型具有形态、材料、功能、规则等内容。 特征一般可划分为如下几类： ( 1 ) 形状特征：描述具有一定工程意义妁动能几何形状信息。形状特征又 可分为主形状特征和辅助形状特征( 简称为主特征和辅特征) 。主特 、 征用于构造零件的主体形状结构，筠助特征用于对主特征的局部修饰 ( 如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等) ，它附加与主特征之上。 ( 2 ) 精度特征：用于描述零件的形状位置、尺寸和粗糙度等信息。 ( 3 ) 管理特征：用于描述零件的管理信息如标题栏里的零件名、图号、 批量、设计者、日期等。 ( 4 ) 技术特征：用于描述零件的性能、动能等。 ( 5 ) 材料特征：用于描述零件材料的组身和条件。如性能规范、热处理方 式、表面处理方式与条件等。 ( 6 ) 装配特征：用于表达零件在装配过毫a 需要使用的信息。 在上述特征中，形状特征和精度特征是与零哗建模直接相关的特征，而其它 特征如管理特征、材料特征、装配特征等虽然不直接参与零件的建模，但它们却 也是实现c a d c a p p c a m 集成必不可少的。 2 2 2 特征关系 在一个c a d c a p p c a m 系统中，对于通常约机械零件的常用特征，如孔、 重庆大学硕士论文第二童 1 8 轴、槽等，应当建立一个特征类库，其中包含有各种基本特征的多种描述。而特 征对象单个特征是特征类的实例，称为实例化特征。 各个特征之间、特征类和特征之间、以及特征类之间存在着各种各样的关 系，为了描述和特征建模的方便，我们把特征之阀的关系分为以下几类： ( 1 ) 邻接关系：邻接关系反映了主形状特征的空间相互位置关系。 ( 2 ) 所属关系：特征对象与它所属的特征类之间的关系。 ( 3 ) 引用关系：描述特征类之间作为关联属性而相互引用的关系。引用关 系主要存在与形状特征对精度特征、材料特征等的引用，此时形状特 钲是其它被引用的非形状特征的载体。 ( 4 ) 附属关系：当一个辅特征从属于一个主特征或另一个辅特征时，构成 附属关系。 2 2 3 形状特征的表示和约束 对形状特征的表示有三种意见，郎边界表示( b - r e p ) 、几何体素构造表示 ( c s g ) 和二者的混合表示。也有人主张用非几何方法表示，如属性、规则和图 形语法等。 特征约束是指对特征的形状尺寸和工程信息的限制，所以特征约束分为几何 约束积工程约束。几何约束包括尺寸约束和拓扑约柬。工程约束嬲比较广泛，毙 如力、温度、速度、费用等。对特征约束讨论最多的是尺寸约束和公差约束。尺 寸约束就是特征的几何参数。公差约束既属几何约束又属工程约束，一般把尺寸 公差放在几何参数中，把形状公差和位置公差放在工程信息之中。 2 3c a d c a p p 集成方案初探 重庆大学硕士论文第二章1 9 c a d c a p p 的集成是实现c a d c a p p c a m 一体化的关键。实现c a d c a p p 集成的基本方案有三种；采用已开发出的独立的c a d 、c a p p 系统，在c a d 、 c a p p 间设计一个数据转换接口：重新开发整个系统；在已有的c a d 、c a p p 系 统上进行二次开发，实现集成。 下面分析这三种方案： ( 1 ) 数据转换接口 由于采用的是独立发展起来的c a d 、c a p p 系统，各个系统采用的数据模型 各不相同，系统集成存在很多困难。传统c 如系统多采用面向数学和几何学的 线框模型、表面模型或实体模型。数学模型虽然可完整描述零件的几何信息，但 其描述的通常是层次较底的几何要素，如点、线、面、基本体素等，而且这些几 何要素间的关系仅限于为显示零件的几何形状所必须的几何关系。在这种c a d 系统中，没有在内部逻辑结构中充分表达各要素之间的关系，零件不是作为一个 有机整体被描述，象公差、精度、表面粗糙度等非几何信息，只能附加在零件图 纸上，零件的各个特征不能建立内在的逻辑联系。c a p p 需要的是更高层次的信 息，包括几何尺寸、形状特征、公差、材料特性等，以及上述特征之间在几何和 工程意义上的逻辑联系。因此，要用这类系统实现集成，必须经历三个步骤；第 一，从c a d 系统中获取大量的数据。第二，从得到的数据中抽取出c a p p 能识 别的基于特征的工艺信息。第三，将工艺信息自动输入c a p p 系统。第一步要求 系统设计者熟悉原c a d 系统的结构，能够运用c a d 系统提供的开发工具，操 作c a d 的图形数据库。第二步是一个特征识别过程，但要从只包含点、线、面 及其问的拓扑关系的大量数据中识别零件的工艺特征，还是一个世界难题，目前 只能在一些简单零件的识别上取得一些进展。第三步同样要求设计者了解c a p p 系统结构，操纵其数据输入接口。 从上述情况可知，第一种方案对设计者的要求较高，难以实现对复杂零件的 处理，因此对本项目来讲不是一个有效的方案。 重庆大学硕士论文第二章 ( 2 ) 重新开发系统 实现系统集成要解决的重要问题是数据的交流与共享，全新的系统可建立 c a d c a p p c a m 范围内相对统一的产品模型，并以此模型为基础，运用产品数 据交换技术，实现c a d 、c a p p 间的数据交换与共享。 重新开发整个系统，便于采用最先进的设计思想和手段，可以设计出较为理 想的系统。新一代的c a d c a p p 系统广泛应用特征造型和参数化造型技术建立 产品模型，在产品设计制造的全过程，并行工程的方法也越来越多地被探讨和试 用。目前，这些技术正在不断发展更新，日趋完善： 一 十年前，参数化的基于特征的实体建模技术首次得到应用，发展至今天，集 成化系统中的一个不可逆转的趋势是采用参数化三维实体造型，结合新近出现的 v g x 技术，参数化和变量化的三维实体造型技术给产品设计带来极大的方便。 并行工程是一种系统方法。它在设计产品地同时，同步地设计与产品生命周 期有关的过程，力求使产品开发者在设计阶段就考虑产品整个生命周期中从概念 形成到产品报废处理的所有因素。 8 0 年代中后期，面向对象程序设计逐渐成熟，目前已成为组织大型软件的 研制、维护、及管理的有效方法。面向对象程序设计具有数据类型的抽象化、信 息的隐藏化、以及继承和多态性，这些特点为参数化系统中约束模型的建立与管 理，以及约束求解与推理带来了崭新的思路。 重新开发整个系统，有最新的理论和硬软件环境支持，但软件实现技术难度 大，研究开发耗资巨大，对软件设计人员的水平要求高。因此，这种方案适合大 的软件公司以及大中型企业采用。 ( 3 ) 二次开发 在已有的系统上进行二次开发，包括利用现有的原本独立的c a d 、c a p p 系统，以及只用现有的c a d 系统，并另行开发c a p p 模块。二次开发也能在一 定程度上采用当前关于集成系统以及软件设计领域的新技术。 对于c a p p 系统，人们在考虑其通用性时，趋向于将系统工具化，使得对工 第二章- 2 1 艺设计的共性与个性分开处理，即力求使c a p p 系统各工艺设计模块( 例如推理 机等) 与系统所需的工艺数据、工艺知识完全独立。开发者只完成工艺设计中具 有共性的部分，包括：推理控制策略和一些公共算法及通用的、标准化的工艺数 据与工艺决策知识，而工艺决策的个性部分，包括与特定加工环境相关工艺数据 与工艺决策知识等，由用户根据实际需要来扩充，这样的系统本身具有一定的开 放性。 第三种方案，可在一定限度内采用现有的最新的理论，对软件设计人员水平 要求一般，耗资少。这种方案比较