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摘要 基于特征的轴类零件c a d c a p p 系统的研究 硕士研究生：胡立平 导师：汤文成教授 东南大学机械工程系 摘要 集成环境下的c a p p 系统应能直接从c a d 系统中获取零件的几何和制造信息， 以满足工艺设计的需求，并可自动高效地生成工艺规程。本文针对轴类零件 c a d c a p p 系统的集成以及c a p p 系统中工艺决策的方式进行了，研究。 本文以a u t o c a d 2 0 0 0 为图形支撑软件，开发了基于特征设计的回转体零件计 算机辅助工艺设计系统，实现了c a d 与c a p p 之间的信息集成。利用零件特征设 计，使c a d 阶段可以提供工艺设计所需的较为完整的几何与工艺信息。 系统利用逻辑决策的思想，以工艺数据库为基础，实现了轴类零件工艺规程 的自动生成。由于传统逻辑决策方式中工艺数据和决策规则一般被固化于程序 中，使建立的系统难于扩展和修改。而本文提出了基于数据库的工艺决策模型。 由于决策规则和工艺数据的分离，这种决策模型适应性强。以此为基础，实现了 工艺设计中的加工方法选择和加工顺序安排等关键性部分，生成完备的工艺过程 卡。 为适应新的工艺决策模型，选择了关系型数据库进行实现。对工艺数据库的 总体结构进行了设计，完成了工艺数据库的建立和管理等功能。另外，对工艺文 件的生成和管理单独进行了处理。 系统用户界面友好，操作方便，运行稳定，易于扩充。运行结果基本上实现 了设计目标。 【关键词】 c a d c a p p特征数据库工艺决策 a b s 概c t r e s e a r c ho ft h es h a f tp a r t sc a d c a p p s y s t e m b a s e d0 nf e a t u r e d e s i g n c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：h u l i p i n g a d v i s e r ：p r o f t a n gw e n c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ec a p p s y s t e mi ni n t e g r a t e de n v i r o n m e n ts h o u l dg e tt h ep a r t sg e o m e t r ya n d m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o nf r o mt h ec a ds y s t e md i r e c t l y , i no r d e rt om e e t t h en e e d s o f p r o c e s sp l a n n i n g i ts h o u l db ea l s og e n e r a t et h ep r o c e s ss h e e t sa u t o m a t i c a l l ya n d e f f e c t i v e l y t h e s h a f tp a r t s i n t e g r a t i o no fc a d c a p ps y s t e ma n dt h em e t h o do f t e c h n o l o g i c a ld e c i s i o nh a v eb e e nd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r s u p p o s e db ya u t o c a d 2 0 0 0 ，t h ef e a t u r ed e s i g nb a s e dr o t a t i o n a lp a r t s c a p p s y s t e mw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nb e t w e e nc a d a n d c a p pw a sr e a l i z e d b yp a a s f e a t u r ed e s i g n ，t h ec a d s t a g ec a l lp r o v i d ec o m p l e t e g e o m e t r y a n d p r o c e s si n f o r m a t i o nn e e d e db yp r o c e s sp l a n n i n g u s i n gt h ei d e ao fl o g i c a ld e c i s i o na n db a s e do np r o c e s sd a t a b a s e ，t h ep r o c e s s a u t o m a t i cc r e a t i o no ft h es h a f tp a r t sw a sr e a l i z e di nt h i ss y s t e m i nt r a d i t i o n a ll o g i c a l d e c i s i o n ，t h ep r o c e s sd a t aa n dd e c i s i o np r i n c i p l e sw e r es o l i d a t e di nt h ep r o g r a m i t m a k e st h es y s t e md i m c u l tt ob ee x p a n d e da n dm o d i f i e d t h et e c h n o l o g j i c a ld e c i s i o n b a s e do nd a t a b a s eh a sb e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sm o d e li sf l e x i b l eb e c a u s eo f t h ed i v i s i o no ft h ed e c i s i o np r i n c i p l ea n dt h et e c h n o l o g i c a ld a t a o nt h eb a s i so f t h i s d e c i s i o nm o d e l ，t h es e l e c t i o no fp r o c e s sm e t h o da n dt h ea r r a n g e m e n to fp r o c e s s s e q u e n c ew h i c h a r et h em a i ns e c t i o n so f p r o c e s sp l a n n i n gh a v eb e e ni m p l e m e n t e d t h ed e t a i l e dp r o c e s ss h e e t sh a v eb e e ng e n e r a t e d ，t o o t h er e l a t i o n a ld a t a b a s ew a ss e l e c t e dt oi m p l e m e n tt h en e w t e c h n o l o g i c a ld e c i s i o n m o d e l t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m sd a t a b a s eh a sb e e nd e s i g n e d ，t h ee s t a b l i s h m e n t a n dt h em a n a g e m e n to ft h es y s t e m sd a t a b a s eh a v ea l s ob e e nf u l f i l l e d i na d d i t i o n ， t h eg e n e r a t i o na n dt h em a n a g e m e n to f p r o c e s ss h e e t sh a v eb e e nh a n d l e ds e p a r a t e l y 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 se a s yt ob eh a n d l e d a n dh a ss t a b l e p e r f o r m a n c e i ti sa l s oe a s y t ob ee x p a n d e d 1 1 1 es y s t e mr u n n i n gr e s u l t ss h o w st h e d e s i g ni ss u c c e s s f u l k e y w o r d s 】 c a d c a p pf e a t u r ed a t a b a s e p r o c e s sd e c i s i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：童逝 日期： 7 f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研触始驷珞聊签名 加蚤咄 日期： 第一章绪论 第一章绪论 工艺规程设计是将零件加工原始信息转换为制造信息的过程。它是产品设计与车间实际 生产的纽带，是经验性很强且随环境变更而多变的决策过程。传统上工艺规程设计由有着丰 富生产经验的工艺师负责，随着机械制造生产技术的发展及多品种小批量生产的要求，特别 是c a d c a m 系统向集成化、智能化方向发展，传统的工艺规程设计，由于是人工编制的，存 在着强度大，效率低，设计周期长且标准化较差等缺点，已远不能适应当前机械制造行业发 展的要求。 随着计算机技术在制造业中的深入应用，通过计算机来辅助或自动地进行工艺规程设 计，以克服二i ：艺人员用手工设计工艺规程所存在的弊端已成为可能。因此，计算机辅助t 艺 规程设计( c a p p ，c o m p u t e ra i d e d p r o c e s s p l a n n i n g ) 也就应运而生”1 。 1 1 c a p p 发展概况及趋势 1 1 1c a p p 的概述 c a p p 这一概念最早由n i b e l 于1 9 6 5 年首先提出，经过三十多年的研究，无论在理论体 系还是在生产过程实际应用方面都取得了很大的进展，人们对c a p p 系统也有了更新、更全面 的认识。最初，c a p p 被狭义的认为是完成工艺规程的设计和输出工艺规程。随着c a d c a m 技 术的日趋成熟利机械制造业向着计算机集成制造系统( c i m s ) 发展，人们对c a p p 提出了新的 要求。 计算机集成制造系统是在信息技术、自动化技术与制造技术的基础上，通过计算机及箕 软件把制造过程中各种分散的自动化系统有机的集成起来，以形成适用于多品种、中小批量 生产并能实现总体高效益的智能制造系统。它已被认为是未来机械制造工业的生产模式。众 所周知。c i m s 的核心思想是通过信息集成、信息共享和信息协调来获得高效益、高效率和高 自动化，因此c a d c a p p c 栅的集成是实施c i h s 最重耍的环节之一。 在c i m s 环境下，理想的c a p p 系统应是这样的：( i ) 接受来自c a d 的产品几何、结构、 材料信息以及精度、租糙度等工艺信息，作为其输入，同时向c a d 系统反馈产品的结构工艺 性评价；( 2 ) 向c a m 提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及反映零件切 削过程的刀具轨迹文件，并接受c a m 反馈的工艺修改意见；( 3 ) 向m i s ( 管理信息系统) 提 供 ：艺路线、设备、工装、刀夹具状况、设备变更等信息；( 4 ) 向m a s ( 制造自动化系统) 提供各种工艺规程文件和夹具、刀具等信息。并接受由m a s 反馈的刀具使用报告和工艺修改 意见；( 5 ) 向c a q ( 质量保证系统) 提供工序、设备、工装等工艺信息，以生成质量控制计 划和质麓检测规程，同时接受c a q 反馈的控制数据，用以修改工艺规程。这也正反映了c i m s 思想中的信息集成的特点。图1 反映了c a p p 的信息流向。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 c a p p 的基本类型 图1c a p p 中的信息流向 目前研制的c a p p 系统根据其设计原理，可分为五大类 ( 1 ) 检索式：或称变异式、派生式。它以成组技术为基础，按几何形状及工艺相似性对 零件进行分类、归族，每一族有一个典型样件，并为此样件设计出相应的典型工艺文件，存 入工艺文仲库中。在零件工艺生成时根据零件信息，对零件进行分类编码，并按此编码经 计算机检索出相对应的零件组的典型工艺。再由人工编辑修改生成所需的工艺规程。这种系 统不包括工艺的决策，系统的工作质量取决于工艺师所制订的标准工艺规程。它避免了人的 重复劳动，在一定程度上能保持工艺的一致性。早期的大多c a p p 系统均为检索式，如：最早 的c a p p 系统，由挪威工业公司于1 9 6 9 年开发的a u t o p r o s 系统；在c a p p 发展史上具有里程 碑意义的，美国国际计算机辅助制造组织( c a m i ) 于1 9 7 6 年开发的c a p p 系统；国内第一个 c a p p 系统：同济大学于1 9 8 3 年开发的t o j i c a p ；东南大学1 9 8 5 年开发的n i t z l c a p 系统等。 这种系统的优点是针对性强结构简单，开发容易，成本低，实用性好。缺点是移植性差。 ( 2 ) 创成式：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，自动地生 成零件的工艺规程。创成式系统基本上排除了人的干预，能保证零件工艺规程的一致性，不 受零t i 二组的限制，易实现工艺规程的优化。但由于零件结构的多样性，工艺设计的经验性和 工艺决策随环境变化的多变性及复杂性，耍以比较简单方式全面地描述零件的几何、加工信 息并总结出与： 艺决策规则及设计逻辑相对应的知识表示，是非常困难的。这种系统较为庞 大、复杂、费用高、耗时长。由于这些原因。导致通用的纯创成式c a p p 系统由理论研究到生 产实际还有很火距离。 ( 3 ) 综合式：又称半创成式c a p p 。该系统在局部或典型形面的工艺设计上加入了自动决 策功能，可以对一些零件实现加工工艺自动生成。它将检索式与创成式结合起来，最大限度 地降低对操作人员的知识年经验的依赖，提高系统的运行效率克服创成式结构庞大的缺陷， 合理利刚制造环境的信息资源。目前，我国发展的c a p p 系统大多属于这类系统。如：北京航 空航天大学于1 9 8 8 年开发的e x c a p p 系统；南京航空航天大学1 9 9 0 年开发的n h c a p p 以及湖 南火学1 9 9 0 年开发的h u d a c a p p 一1 系统等。 ( 4 ) 交互式：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主要取决 了：设计者。它对一些结构复杂，： 艺繁琐特殊并且随工厂加工环境变化大的零件依然有着应 用价值。 2 固囤 第一章绪论 ( 5 ) 智能式：又称c a p p 专家系统。它将人工智能技术应用在c a p p 系统中，利用推理获 得工艺规程。它也能实现工艺自动生成，但与以逻辑算法加决策表为特征的创成式c a p p 系统 不同智能 i | c a p p 系统以推理加知识为其特征。专家系统通常由通用数据库、专门领域知识 库和推理机三部分组成。它可模仿工艺专家的逻辑思维方式，由推理机实现对非确定性的工 艺过程设计作山逻辑决策。由于工艺设计过程中，主要的任务不是计算，而是逻辑判断和决 策推理，因此c a p p 专家系统前景广阔。近年来智能型c a p p 系统的研究开发取得了极大的 进展。它符合c i m s 。f 信息集成的观点系统的整体效率得到提高。是c a p p 系统的发展方向 之一。 1 1 3c a p p 的发展趋势 虽然c a p p 在其方法研究和系统研制方面成果累累系统的功能日益丰富，系统的自动化 程度也不断提高。但由于工艺设计本身的特点是高度的综合性和很强的实用性，其中涉及大 量的经验性和不确定因素，因此在c a p p 系统的研究和开发领域还存在许多问题，主要有如下 几个方面：( 1 ) 实用性不强，应用范围比较单一：( 2 ) 基本的工程问题如零件几何、：】：艺信 息的完撼描述及输入，与c a d 系统的结合等未完全解决：( 3 ) 工艺决策逻辑的收集整理，模 型化及有关算法并不十分成熟：( 4 ) 二| 二艺数据库的建立及与c a p p 系统的通讯还不完善等- 根据c a p p 系统目前存在的问题及c l m s 的要求和发展，c a p p 向智能化、集成化和实用化 方向发展是明显的趋势。 当前c a p p 系统的研究重点在以下几个方面”： ( 1 ) 产品信息模型的生成与获取： ( 2 ) c a p p 体系结构研究； ( 3 )人工智能技术在c a p p 系统中的综合应用； ( 4 )并行工程下的c a p p 系统的开发： ( 5 )从结构较简单的回转体零件c a p p 系统向复杂的非回转零件发展 ( 6 )实用的c a p p 系统，包括工艺文件的分级优化； ( 7 )从孤立的c a p p 系统向c a d c a p p c a m 一体化方向发展。 1 2 论文研究的目的和意义 传统的由工艺人员手： 编制的工艺规程，由于受到c a d c a m 及c i m 的冲击已经跟不上 时代。c i m s 的核心思想是通过信息集成、信息共享和信息协调来获得商效益、高效率和高自 动化，因此，c a d c a p p c a m 的集成是实施c i m s 最熏要的环节。 根据c a p p 的发展趋势及其在c i i “s 中的作用，智能化、集成化应是其追求的主要目标。 在c a p p 的集成化过程中，首先要解决的问题是c a d 、c a p p 、c a m 间的信息共享问题。 从c a p p 系统本身米看，首先要解决的问题是零件的信息输入，因为只有在零件的结构 采1 工艺信息的基础上，才可进行 二艺决策。比较理想的信息输入方式应是从c a d 系统中直接 读取。日前国内常j = | 的c a d 系统大多为二维系统，包括a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 、中科院凯 来南大学硕士学位论文 恩软件公司的p i c a d 、华中理工太学韵开目c a d 等。这些系统其实体的描述和表达是建立在 几何和拓扑信息的基础上其设计生成的零件图形不包含工艺信息，无法满足c a d c a p p c a m 系统集成的需要。因此，如何利用现有二维绘图软件，如a u t o c a d 软件，实现零件设计和工 艺规程制订的有效集成，具有一定的研究和实用价值。 本文在a u t o c a d 2 0 0 0 的基础上，通过对轴类零件的研究，利用特征建模，实现了c a p p 系统从c a d 系统中直接获取工艺信息通过对工艺决策的研究，使零件设计和工艺规程制订 有效的统一起来。 1 3 本文主要工作 本文的j i ：作是以轴类零件为研究对象在w i n d o w s 9 8 操作系统下，开发了一套基于特征 设计的c a p p 系统。以a u t o c a d 2 0 0 0 为开发平台，实现了工艺决策系统与零件图形设计的信息 有效集成。对于轴类零件的工艺可以实现自动生成。具体来说，主要分为以一f ) l 部分： ( 1 ) 在深入研究c a p p 有关理论的基础上，运用软件工程的方法对系统的功能和目标 进行了定义。 ( 2 ) 完成了轴类零件基于特征的几何工艺信息建模，作为与a u t o c a d 2 0 0 0 的接口和 c a p p ：艺决策韵信息来源。较好地解决了c a d 系统与c a p p 系统的信怠共享问题。 ( 3 ) 提出基于数据库的工艺决策模型。以此模型为依据，设计并建立了关系型工艺数据 库，以实现对痒中 二艺数据及信息的管理 同时，工艺决策的形成也就主要集中在工艺数据 库中不同表之间的关系操作上。由于关系型数据库的理论比较成熟，其上各种关系操作都有 理论依据，这种决策方式可以满足工艺决策的需要。基于数据库的决策模型以各种工艺数据 为决策基础与现实中生产环境决定加- = i ：= 方法的实际情况正相符，因此这种以数据为驱动 的决策模獭有其先进性和实用性。 ( 4 ) 选择关系型数据库为实现形式，设计了适于工艺决策模型的工艺数据库的整体结构 并完成了对：【艺数据库的管理功能。 ( 5 ) 在： 艺文件的输出方面，增加了工艺文件管理的功能，可实现对工艺文件的编辑修 改，增强了：l 艺文件的实姐性。 1 4 本章小结 本章主要阐述了c a p p 系统在c i m s 中的主要地位，以及c a p p 的基本类型和发展趋鳃，介 缁了论文研究的目的和意义及其主要工作。 4 第二章基于特征的轴类零件c a d c a p p 系统总体设计 第二章基于特征的轴类零件c a d c a p p 系统总体设计 2 1 系统的需求分析 系统的设计目标是使轴类零件的图形设计与工艺决策能够实现有效集成，使零件的设计 和 j 艺规程的制订有效的统于共同的零件特征信息模型之上。它主要包括图形的特征设计、 基于数据库的j ：艺决策、工艺数据库处理以及工艺文件处理网部分t 由丁轴类零件本身的结构特点使基于特征的图形设计部分能得到很好的实现，零件的 设计过程即各种特征的组合过程，提高了设计效率并更加符合设计人员的思维习惯。同时， 由于特征本身包含有相关的： 艺信息，其设计输出结果可以供后续的c a p p 系统使用。 基于：1 ：艺数据库的： 艺决策模型，利用数据库中各表的关系操作，将零件的设计信息和 制造环境信息进行匹配来制订工艺规程。它的优点是当各种工艺信息( 例如加工设备和加工 方法笛) 变化时，只需将工艺数据库中的具体的工艺数据作相应的处理，从而使系统有很强 的适应性。：i ：艺决策过程中的各种结果及中间数据均以数据表的形式存放，对于商看及监督 系统运行十分方便。 2 2 系统的总体设计 为了实现c a d 与c a p p 系统的零件信息共享。即c a p p 系统直接利用c a d 中输出的信息， 应建立统一的零什信息模型。结合轴类零件的特点和： 艺设计对输入信息的要求，系统设计 了基于特征的零件信息模型。 在此基础上，以a u t o c a d 2 0 0 0 系统为支撑，对轴类零件采用特征设计的方法。工艺决策 直接利用a u t o c a d 2 0 0 0 系统的结果，综合制造资源状况进行决策。在工艺决策方式的设计上， 提出了以：c 艺数据库为基础的决策模式将所得到的决策结果用于工艺规程的生成。 根据对系统的功能分析，可以得到系统的总体结构如图2 i 所示n 圈2 1基于特征的轴类零件c a p p 系统总体结构 i d e f ( i c a id e f i n i t i o nm e t h o d ) 方法是在结构他分析方法( s a ) 的基础上发展起来 的一套系统分析和设计方法，其中i d e f o 用于描述系统各成分间的静态关系t 并建立系统的 功能模型。本系统a o 图如图2 2 ，它包括零件特征设计、工艺设计、工艺文件管理等部分。 东南大学硕士学位论文 a o 图建立好之后，还可以对其中每个功能模块逐层分解，建立m 1 图、h 2 1 图等，以达 到对系统功能的更加细致、完整的描述，直到描述足够清晰，无需再分解为i e 。 2 3 系统功能模块设计 图2 2c a d c a p p 系统的a o 图 据 系统分为四个主要的模块；零件特征设计模块、工艺数据库处理模块、工艺决策模块和 工艺文件处理模块。系统的模块结构如图2 3 所示。 系统的四个模块受同一主控模块控制，零件特征设计，模块在设计并生成零件图的同时， 产生供j ：艺决策模块使用的几何、工艺信息；这些信息并入工艺数据库中成为工艺决策的基 础；：i ：艺决策后的结果又可用于工艺文件处理模块。各主要模块的功能简述如下： 6 第二章基于特征的轴类零件c a d c a p p 系统总体设计 图2 3系统模块结构图 ( 1 ) 系统主控模块系统主控模块用于协调和控制以下四个模块的运行a 通过v b 6 0 生成的多文档接口应用，可以方便的在一个程序中实现不同的应用。其中零件特 征设计和工艺文件处理模块因分别需调用另外应用程序( h u t o c h d 和e x c e l ) ，故在一个文档 模板中实现j ：艺数据库处理和工艺决策模块在另一文档模板中实现。 ( 2 ) 零件特征设计模块根据轴类零件的特点，利用特征设计的方法，将零件看成是 7 东南大学硕士学位论文 不同特征之间的叠加。特征分为主特征和辅助特征两大类主特征带有顺序号以决定其在 零件中的位置。每个特征除了含有构成其图形表示的几何信息外，还包含相应的工艺方面的 信息。特征设计模块还拥有图形编辑，图形存储和信息输出等功能。 ( 3 ) ：| = ：艺数据库处理模块由于系统采用基于数据库的工艺决策模式，相应需进行工 艺数据庠的处理。该模块用于进行工艺数据库整体结构的设计，设计原则是有利于工艺决策 的进行；为了方便对工艺数据及信息的管理。实现了工艺数据库中各表的创建、删除及表中 数据增删等功能。 ( 4 ) 二艺决策模块本系统中的工艺决策针对不同情况，采用的决策形式也不一样。 在力求：l ：艺设计自动化的同时对设计过程中不适合或不能够自动决策的方面，如热处理工 序和辅助工序的安排等，用人机交互的方式进行决策；对于有比较成熟的工艺理论基础的 些决策过稃，决策以： 艺数据库中各有关表问的关系操作为基础，进行处理后的关系操作结 果供i ：艺文件的生成使用。由于系统使用了以各种工艺信息和生产环境信息为基础的决策模 型，并辅以灵活的决策形式，较好地解决了由于工艺决策中信息量大且关系复杂而不易真止 实现计算机辅助： ：艺设计的矛盾。 ( 5 ) 。i ：艺文件处理模块工艺文件直接用于指导实际生产，它的管理有着重要地位。 考虑到实际应用中经常需要对现有的工艺文件进行修改，该模块允许对生成的工艺卡片进行 增加、删除等编辑操纵。 系统的一【作流程图如图2 4 所示 2 4 系统软件选择及接口设计 i 、系统软件选择 系统使 v b 和c + + 作为开发语言，在w i n d o w s 9 8 操作系统下运行，以a u t o c a d 2 0 0 0 作为 图形支撑系统，工艺文件的输出及处理通过e x c e l 2 0 0 0 来实现。 2 、系统接口设计 系统采用符合w i n d o w s 9 8 的标准圈形用户接口，人机界面友善，操作简单方便。系统使 用m f c ( f i r c o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ，微软基本类库) 编程实现，符台习惯，易于扩展和维 护。采月= i 了基于w i n d o w s 9 8 程序设计的技术，如特征设计部分以动态连接库( d l l ) 的形式 与a u t o c a d 系统相连接；操纵e x c e l 时使用了对象连接和嵌入( o l e ) 技术；对工艺数据库的 访问和修改使用了开放数据库互连( o d b c ) 和数据访问对象( d a o ) 技术等。”。 第二章基于特征的轴类零件c a o c a p p 系统总体设计 2 5 本章小结 圈2 4 系统工作流程图 本章在系统需求分析和功能分析的基础上，确立了系统的总体结构，介绍了系统主控模 块，零件特征设计模块、工艺数据库处理模块、工艺决策模块和工艺文件处理模块的功能， 以及系统的：j ：作流程、系统软件选择及接i z l 设计。 9 东南大学硕士学位论文 第三章零件信息模型的建立 零件信息的输入与描述是实现c a p p 的前提条件和关键技术，准确、简明的信息描述是 c a p p 进行：r 艺决策分析的基础“。零件的信息包括几何信息和工艺信息两方面的内容。c a p p 系统对零件醋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及其位置公差与连接次序。 依据这两方面的信息内容c a p p 系统才能够确定零件加工表面的n 2 l 方法以及相应的加j ：顺 序。 理想的c a p p 系统的输入应宜接从c a d 系统中提取，即c a d 图形设计的同时，完成信息的 输入，而无需对c a p p 进行二次描述。但是，由于c a d 系统是从二维图形开始发展起来的，尽 管在特征造型方面有了长足的进步而适合于制造加工过程的c a d 模型还没有形成，这就需 要在现有二维c a d 系统上进行二次开发，建立自己的信息模型。 3 1 零件信息描述的几种形式 零竹信息描述就是要把零件的儿何形状和技术要求转化为让计算机目够识别的代码信 息。零f l ：信息描述的准确性和完整性，对c a p p 系统的设计方法有着直接的影响。目前，c a p p 系统中采用的零件描述方法主要有编码描述法、型面描述法、拓扑描述法、特征描述法以及 从c a d 系统直接获取法。 3 1 1 编码描述法 编码描述法又称代码描述法，是用顺序排列的字符对零件的信息进行标识描述。零件的 分类编码可借助于成组技术中的分类编码系统来得到。 传统的成组技术分类编码系统都属于刚性分类编码系统，即它们的码位跃度和每一码位 包含的信息容照都是固定的。它们不能完整、详尽地描述零件结构特征和加工特征，不能满 足生产系统中不同层次、不同方面的需求。而柔性编码系统是指码位长度和每一码位所含的 信息量都可以根据描述对象的复杂程度柔性变化没有周定的码位设置和码位含义。柔性编 码系统的编码由圃定码和柔性码两部分组成。固定码主要用于零件分类，检索和描述零件的 整体信息，基本上与传统编码相同；柔性码则详细地描述零件各部分结构特征和e 艺信息， 用丁= _ 加一、检测等环节。目前，柔性编码系统尚在研究中，还没有形成标准。此输入法一般 用于检索式c a p p 系统， 3 1 2 型面描述法 这种描述方法把零件看成是由若干种基本型面按一定规则组合而成，每一种型面都可以 用一组特征参数给予描述，型面的种类、特征参数以及型面之间的关系都可以用代码表示。 每一种型面也都对应糟一组加工方法，可根据加工精度和表面粗糙度要求来确定。首先确定 1 0 第三章零件信息模型的建立 达到型面技术要求的最终加工方法，有了最终的加工方法后，再确定前面的加工方法。例如， 轴类零件的型面可以分为以下两种：主要型面圆柱面，圆锥面等；辅助型面螺纹、 沟槽、倒角、键槽、顶尖孔等。 此方法可以比较完善。准确地描述零件的信息用它来描述回转体零件较为方便，但对 非回转体零件的描述则有一定的难点。基于特征的轴零件的信息模型的建立就参考了此种输 入法的思想。 3 1 3 拓扑描述法 拓扑学的观点认为，三维零件包括有限数量的元素，如点、线、面、体，这些元素可以 看成是一些单元，因此，一个零件可以用一组单元来表示。运用拓扑原理描述零件特征时， 首先要建立一组关联矩阵，来表示顶点与边、边与面、面与体之间的关系，以确定零件的基 本结构，然后规定单元值及边界，以确定零件实际形状要素的尺寸。 该方法的优点是可以详尽地描述零件的结构但对于c a p p 系统来说，用于工艺决策的信 息不需要如此详细，况且这种方法缺少c a p p 所需要的工艺信息，因此主要适用于c a d 系统。 3 1 4 特征设计的方法 根据零件特点，特征设计法以具有明显工程意义的实体来描述零件。特征是具有一定拓 扑关系的一组几何元素构成的形状实体，它对应零件上的一个或多个功能，可通过特定的加 工方式来生成。特征还可以进一步分为基本特征和组合特征。基本特征是在指定的加工条件 下。一次走刀所形成的j l 何实体；组合特征是在特定的加工条件下需要多次走刀或需要更 换刀具，多次走刀或使用复合刀具加：e 才能形成的几何实体。 此种方法不仅含有零件结构和几何信息，同时也包含零件制造信息，如尺寸精度、公差、 材料、表面粗糙等。这就使设计与制造相互之间易于实现信息的交换和共享。 3 1 5 从c a d 系统直接获取法 这种方法是利用中间接口，数据交换文件或其它的传输手段，将零件的设计信息直接从 c a d 系统的数据库中取出用于对零件进行工艺规程设计。采用此方法可以从省去工艺设计之 前对零仆信息进行二次描述，而且可以获得较完善的零件描述信息，实现c a d c a p p c a m 的集 成。 在现实的条什下，由于现有的c a d 系统主要是基于几何和拓扑信息来定义零件的，它所 存储的只是顶点、边、面的拓扑信息或单元体等一些低水平的信息，不能为c a p p 提供零件的 高层和制造信息，其输出的信息无法直接为c a p p 系统使用，或者是涉及到统一产品数据模型 的建立，任务复杂而艰巨，不能很好的满足目前c a d c a p p 系统集成的需要。而在特征设计中， 由于特征既平一定的几何形状相对应又反映了一定的制造信息，被广泛作为零件的信息描 东南大学硕士学位论文 述形式，是现实条p ：下实现c a d c a p p 信息集成的最佳途径“2 ”。本系统的零件信息输入，就 是采埘特征描述的方法。 3 。2 轴类零件的特征分类 一个具体零件可以看成是由若干个基本的几何要素组成。根据形面要素描述法，这些要 素又分为主要形面要素、次面形面要素和辅助形面要素。 同样州特征观点来看，任意的零件可以看成是由不同特征组合而成。一般来说，单独 的特征应是尽可能简单的形体如平面、圆柱、圆锥、螺纹、齿形面等，这样可以为以后特 征模型的建立带来方便。同时，特征又应尽可能具有一定代表性否则建立的模型将失去适 用性，建模也十分困难。 一般，特征可分为主特征( b a s ef e a t u r e ) 和辅助特征( c o n s t r u c t f e a t u r e ) 。主特征 包括外圆、外锥面、外螺纹、外花键、内孔、锥孔、内螺纹、内键槽等外部和内部特征，由 它们构造出零件的主要箍体形状。而辅助特征包括倒角、圆角、辅助孔、环槽、直槽等。这 样，可以完成对零件儿何信息的描述。 轴类零件的形状比较简单，组成轴类的基本形体大多具有较规则的几何形状，这样就使 得轴类零件的特征描述相对简单一些。对轴类零件的形状特征具体分类如图形3 。1 所示。 圆圆 柱锥 螺花 纹键 圆圆 柱锥 螺花 纹键 图3 1 轴类零件形状特征分类 第三章零件信息模型的建立 3 3 基于特征的零件信息描述模型 3 3 1 零件信息模型的总体结构 一个完糍的产品模型不仅是产品数据的集合，还应反映出各类数据的表达方式以及相 互间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的产品模型，才能有效地为各应用系统所接受 和处理，作为完箍表达产品信息的零件模型应包括表达各类特征，即形状特征模型、精度特 征模型 i t p - j l 何特征模型。 基。i 特征的零件信息模型的总体结构如图3 2 所示，它表示零件信息模型的分层结构， 即零件层、特征层和几何层等三个层次。零件层主要反映零件的总体信息，是关于零件子模 型的索引指针或地址，特征层包含特征各个模型的组成及其相互关系：几何层反映零件的点、 线、面的j l n t 拓扑信息。分析这个模型结构可以知道零件的几何拓扑信息是整个模型的 基础，同时也是零件圈绘制，有限元分析等应用系统关心的对象。而特征层则是零件模型的 核心，特征层中各种特征子模型之间的相互联系反映了特征间的语义关系，使特征成为构造 零件的基本单元，并具备高层次的工程含义，该模型可以方便地提供高层次的产品信息，从 而支持面向制造的应用系统( 如c a p p 、n c 编程等) 对产品数据的需求。 圈3 2 基于特征的零件信息模型的总体结构 零件层 特征层 几何层 在这个模型中，形状信息包含形位公差、表面粗糙度等的精度信息以及包含零, f q ：材料、 热处理、生产批爝等的t f - j l 何信息。分别由形状特征模型，精度特征模型和i b - j l 何特征模型 来表达形状特征避精度特征模嬲，t h ) l , 何特征模型与形状特征模型纽带。在1 l 电l - 言g 模型中 并不完全靠特征来进行零件的几何造型，实体造型依然需要，形状特征作为实体模型的输入， 就这个意义上讲形状特征模型也是一个特征实体模型。 3 3 2 形状特征模型 在形状特征模型中。定义一个形状特征，首先必须指定特征的类型、形状，然后给出特 征的属性参数：特征本身的几何参数、特征在零f b ：b 的位置及尺寸公差属性，此外还可获取 构成形状特征的几何雨i 拓扑信息。 东南大学硕士学位论文 1 、轴类零件的拓扑表示及数据结构 基于特征的轴类零件拓扑结构如图3 3 所示，其中零件的层次关系为：第一层为零件， 第二层为组成零件的主特征，第三层为辅助特征及主特征的属性，第四层为辅助特征的属性。 水平线表示特征间的关系，描述各种位置公差。 图3 3 轴类零件的拓扑结构 由幽3 3 可以看出，对于这样的非线性结构既可以采用链表也可以采用树来表达。若采 用链袭结构，可以很方便地表达主特征及其相互关系，但较难描述辅助特征及其与相应的主 特征的_ 笑系，故不予采用。若采用树结构，根据树的特点将很容易克服采用链表时的缺陷， 然而由丁 拓扑结构的复杂性，会引起树的度数和层数的改变，不利于数据物理存贮结构的设 计，因此采用= 叉树来描述轴类零件如图3 4 ： 图3 ，4 轴类零件的特征信息二叉树 朋二叉树米描述轴类零件，不仅便于插入，检索和删除等操作，而且能充分地表达轴类 零件的层次结构。二叉树的左指针指向该结点的辅助特征，右指针指向它的同层结点，即相 邻的主特征。图3 5 为一轴零件及其数据结构，此图清晰地表达了该轴的主、辅特征的关系。 4 第三章零件信息模型的建立 图3 5 一轴类零件及其二叉树结构表达实例 2 、特征结点的表达 在轴类零 l 二特征= 叉树结构中，每个结点除了包含特征代码，特征的儿何尺寸参数外 东南大学硕士学位论文 还包括特征的尺寸公差，也就是巍，尺寸公差和几何尺寸是一同表达的。另外每一特征结点 中都有指向c a d 数据库的指针以便能确定构成特征的几何实体的底层数据。 特征结点的结构如图3 6 ( a ) 所示，圈3 6 ( b ) 为其c 语言的实现。 s t r u c tf e a t u r e i n to r d e r ； i n tf e a t n u m ： c h a rd i r e c t i o n f l o a t f e a t d a t a ； 3 3 3 精度特征模型 ( a ) 产特征序号 + 产特征代码+ p插入方向 p特征参数t ， ( b ) 圈3 6 特征结点结构及其c 语言的实现 1 、模型的建立 精度特征是用于描述产品或零件的几何尺寸的误差信息。它可分为尺寸公差几何公差 和表面粗糙度，其中几何公差又可分为形状公差和位置公差。这些公差的表达是基于特征的， 它们可以分别表达在形状特征和构成形状特征的基本几何元素上。对于形状公差和表面粗糙 度，可以由设计者赢接定义在各特征体素( 形状特征) 上，而对于位置公差，我们则可以把 它记录在组成特征体紊的各基本几伺元素上。图3 7 为精度特征模型示意图e 图3 7 精度特征模型 6 第三章零件信息模型的建立 在此模型中，公差表达包括公差值，最大最小材料条件和特征实体，如被测要素是关联 要素还包括基准基准的确定需要三方面的信息：作为基准的特征实体，基准的数量及基准 的顺序。另外，由于尺寸已隐宙在几何模型中，故此模型中不具备存储尺寸的功能。 2 、公差结点的表达 精度特征模型中的各公差值是按对应的形状特征描述成与形状特征二叉树结构完全一 样的公差信息二二叉树。其结点结构如图3 8c a ) 所示，图3 8 ( b ) 为其c 语言的实现。 ( a ) 公差结点的结构 s t r u c tt o l e r i n t o r d e r ； i n t t o t a l n u m ； s t r u c te n r t 0 1 e m i t y 【】 s t r u c t fi n t l i l t f l o a t i n t i n t e n t t o l p特征序号 产公差总数 ， 公差数组 ( c ) 公差参数数组的结构 e n t n u m ； t o l n u m ： t o l v a l ： b a s e n u m ； e n t b n u m ； 产特征中的实体号 + p 公差代码 4 p公差值 + 基准特征号+ 产基准特征中的实体号 。 ( d ) 公差数组的c 语言实现 图3 8 精度特征信息结