（机械设计及理论专业论文）面向数控车削的cadcam集成应用研究.pdf

摘要 本文以数控车为应用背景，进行了c a d c a m 集成应用的研究，研究主要集中在三 个方面：c a d c a m 集成应用系统的构建，实现了面向数控车削c a d c a m 过程中的信 息集成和功能集成：回转体车削加工特征提取，加工特征信息是零件的设计信息到制造 工艺的桥梁；基于特征的数控车工艺规划，这部分包括了c a p p 以及c a p p 到c a m 功 能部分，是c a d c a m 集成的关键，通过其对应模块完成特征到数控加工的映射，达到 零件从设计到制造的一体化。c a d c a m 集成系统的实用化，商品化离不开良好架构的 软件应用框架，为此，课题中设计并实现了一个“软件总线一组件”型图形应用框架， 该框架是集成系统软件实现的基础。这部分工作独立于具体的数控车c a d c a m 集成应 用，其目的是为c a d c a m 应用系统提供一个可扩充的应用框架，方便的图形功能接口 以及一些可重用的功能组件。 本文首先叙述了课题中面向数控车应用的c a d c a m 集成系统的架构和实现。集成 系统的架构围绕着它的两个主要目标：信息集成和功能集成。系统中构造并管理了工件 信息和加工资源知识信息两类信息模型，前者主要包括零件几何信息、特征信息，工艺 信息等，后者则包括刀具信息库、材料信息库以及材料切削知识库等。系统的功能涉及 图形操作、特征提取、工艺规划等。系统在程序实现上采用了组件和分层设计思想，使 系统具有良好的应用结构和可扩充性。 特征提取被作为解决c a d 到c a p p 集成的一个关键途径，很多前人在如何构建工件 特征方面进行了大量的研究工作。特征是一个很广泛的概念，本文定义了回转体工件的 加工特征在系统中的信息模型，提出了一个基于回转体轮廓的适用于回转体外轮廓加工 特征的自动特征提取算法。基于这些的研究，系统实现了特征提取功能模块。 基于特征的j 工艺规划包括三个部分，基于特征的自动工序规划，工艺编辑和基于工 艺信息的走刀路径规划。工序是工艺中的“骨架”，本文以特征提取信息为基础，提出了 对于这些特征的数控车削自动工序规划方法，该方法自动构建了零件的缺省工艺。工艺 编辑是主要是通过交互的方式，从知识库中选择或是直接填写相干工艺参数。走刀路径 是最终数控机床切削形式的直接反映，走刀路径信息是进行加工仿真和最终的n c 代码 映射的基础，因此，基于工艺信息的数控加工走刀轨迹规划实现了从c a p p 到最终c a m 的集成。 文章的最后介绍系统中的底层图形应用框架的架构，实现以及其运行机制。 关键字：c a d c a m ，数控车，特征提取，数控工艺规划，图形应用框架 a b s tr a c t t h isp a p e rm a k e sr e s e a r c h e sont h em e t h o d so fc a d c a ms y s t e mi n t e g r a t i o n ， o r i e n t i n gt h eb a c k g r o u n do fn cl a t h ea p p l i c a t i o nt h e r ea r et h r e em a i np a r t si nt h e r e s e a r c hw o r k o n ei sc a d c a mi n t e g r a t e da p p l i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hp r o v i d e s t h ep 1 a t f o r mf o ri n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n df u n c t i o ni n t e g r a t i o nd u r i n gt h e p r o c e s so fc a d c a m 0 n ei sm a c h i n i n gf e a t u r ee x t r a c t i n go fr e v o l u t i o np a r t s m a c h i n i n gf e a t u r ei n f o r m a t i o ni st h eb r i d g eb e t w e e nt h ed e s i g ni n f o r m a t i o no f p a r t sa n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n o t h e ri sn cl a t h ep r o c e s sp l a n n i n gb a s e d0 1 1 f e a t u r e s t h i sp a r t w h i c hi st h ek e yo fc a d c a mi n t e g r a t i o n n o to n l yi n c l u d e s t h er e s e a r c ho fc a p pb u ta l s od e a l sw i t ht h ei n t e g r a t i o no fc a p pa n dc a m t h r o u g h t h e c o r r e s p o n d i n gm o d u l e s ，t h em a p p i n g f r o mf e a t u r e st o n u n l b e r c o n t r o l l e dm a c h i n i n gi sr e a l i z e ds ot h eu n i f i c a t i o no fp a r td e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gi sa c h i e v e d t h eu t i l i t ya n dc o m m e r c i a lv a l u eo fc a d c a m i n t e g r a t e ds y s t e md e p e n dong o o ds o f t w a r ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r k s o a “b u s - c o m p o n e n t ”t y p eg r a p h i c sa p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ( g a f ) i sd e s i g n e da n d r e a l i z e di nt h iss u b j e c t w h i c hi st h eb a s eo fi m p l e m e n t i n ga ni n t e g r a t e ds y s t e m t h ed e s i g no fg a fi ss e p a r a t e df r o mt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no fc a d c a m a n d t h ew o r kong a fi st op r o v i d ea ne x t e n d a b l ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r k c o n v e n i e n t g r a p h i c sp r o g r a m m i n gi n t e r f a c ea n ds o m er e u s a b l ef u n c t i o nc o m p o n e n t s t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ea r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n t i n gm e t h o d so fc a d c a m i n t e g r a t e ds y s t e mo r i e n t e dn cl a t h ea p p l i c a t i o nf i r s t l y t h em a i no b j e c t so f d e s i g n i n g o f i n t e g r a t e ds y s t e m a r ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n df u n c t i o n i n t e g r a t i o ni nc a d c a m t h e r ea r et w om a i nt y p e so fi n f o r m a t i o nn e e dt ob e m a n a g e do n ei sw o r k p i e c ei n f o r m a t i o nt h eo t h e ri sm a c h i n i n gk n o w l e d g eb a s e t h ef i r s tm a i n l yi n c h d e sp a r t sg e o m e t r i c a li n f o r m a t i o n ，f e a t u r ei n f o r m a t i o n ， p r o c e s si n f o r m a t i o na n ds oo n t h es e c o n di n c l u d e st 0 0 1si n f o r m a t i o nb a s e ， m a t e r i a li n f o r m a t i o nb a s e m a t e r i a lc u t t i n gk n o w l e d g eb a s ea n de t c t h ef u n c t i o n s o ft h es y s t e md e a l sw i t hg r a p h i c so p e r a t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i n g ，p r o c e s sp l a n n i n g a n ds oo n t h es y s t e mi si m p l e m e n t e do nt h et h e o r yo fc o m p o n e n t sa n dh i e r a r c h y ， w h i c ha s s u r e st h es y s t e mw i t hg o o da p p l i c a t i o ns t r u c t u r ea n de x t e n s i b i l i t y f e a t u r ee x t r a c t i n gi st a k e na st h ek e ym e t h o dt os o l v et h ei n t e g r a t i o no fc a d a n dc a p p m a n yr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eont h ea s p e c to fm o d e l i n gp a r tf e a t u r e f e a t u r eisaw i d ec o n c e p t t h i sp a p e rd e f i n e si nf o r m a t i o nm o d e lo fm a c h i n i n g f e a t u r eso fr e v o l u t i o np a r t si nt h es y s t e m ，p u t sf o r w a r daf e a t u r ee x t r a c t i n g a l g o r i t h mb a s e do nc o n t o u ro fr e v o l u t i o np a r t s ，w h i c hi sa d a p tf o ro u t s i d eo u t l i n e o fr e s o l u t i o np a r t s b a s e do nt h eu p p e rr e s e a r c h e s ，am o d u l eo ff e a t u r ee x t r a c t i n g i sr e a l i z e di nt h es y s t e m n cp r o c e s sp l a n n i n gb a s e do nf e a t u r e scanb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，w h i c h a r ea u t o m a t i c s e q u e n t i a lo p e r a t i o np l a n n i n g b a s e do n f e a t u r e s ，m a c h i n i n g p a r a m e t e r sc o m p i l a t i o na n dn ct o o l p a t hp l a n n i n g s e q u e n c eo fo p e r a t i o nist h e “s k e l e t o n ”o fp r o c e s s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ea u t o m a t i cs e q u e n t i a lo p e r a t i o n p l a n n i n gm e t h o db a s e do nt h ef e a t u r ee x t r a c t i n gi n f o r m a t i o n t h i sm e t h o ds e t st h e d e f a u l tp r o c e s so fp a r t sa u t o m a t i c a l l y c o m p i l a t i o no fm a c h i n i n gp a r a m e t e r s s e l e c t sf r o mk n o w l e d g eb a s eo rf i l l so u tr e l a t e dp a r a m e t e r sd i r e c t l yt h r o u g h i n t e r a c t i v em a n n e r t h et o o l p a t hr e f l e c t sd i r e c t l yt h ef i n a ln cc u t t i n gm a n n e r s ， a n db o t hp r o c e s ss i m u l a t i o na n dn cc o d et r a n s l a t i o nd e p e n do nt h ei n f o r m a t i o no f t o o l p a t h t h e r e f o r e ，t h en cm a c h i n i n gt o o l - p a t hb a s e do np r o c e s si n f o r m a t i o n f i n a l l yr e a l i z e st h ei n t e g r a t i o no fc a p pa n dc a m a tt h et a i lo ft h i s p a p e r ，i n f r a s t r u c t u r e ，r e a l i z a t i o n m e t h o d sa n dr u n n i n g m e c h a n i s mo ft h eg r a p h i c sa p p l i c a t i o nf r a m e w o r ki si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：c a d t c a m ，n cl a t h e ，f e a t u r ee x t r a c t i n g ，n cp r o c e s sp l a n n i n g ， g r a p h i c sa p p l i c a t i o nf r a m e w o r k 面向数控车削的c a d c a m 集成应用研究 第一章绪论 c a d c a m 集成应用系统是c a d ，c a p p 和c a m 等技术发展到一定程度的必然产物， 是在新的生产组织和概念指导下的一种新型的生产模式，它通过计算机辅助下的产品设 计、工艺规划以及数控加工等功能的集成，实现从设计到制造过程中的信息共享，缩短 了产品设计制造周期，提高了对市场需求的反映速度，反映了现代设计制造的发展趋势。 c a d c a m 集成系统的应用能够极大地提高企业的生产效率和行业竞争能力，对新型产 业的发展，劳动生产率的提高，国内外竞争能力都会起到巨大的推动作用。因此 c a d c a m 的集成是目前科研领域研究的热点，也是商用领域开发的热点。c a d c a m 技 术及应用水平作为衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化水平的重要指标之一 峨 随着市场竞争日益激烈，以及现代化生产设备的投入，单一功能的c a d 、c a m 系统 的应用，已经不能满足企业的需要。例如，国内的很多机械制造企业，由于缺乏有效的 c a p p 系统，导致设计和制造脱节，更谈不上有效的进行生产管理。同时随着数控加工 设备日益增加，却只能采用手工方式进行数控编程，通常一个零件在机床上的加工时间 和它的数控工艺以及代码编写时间比率达到l ：3 0 。只有把c a d 和c a m 互相结合成一个 集成系统，实现c a d 和c a m 之间的信息共享，才能减少费用，提高效率，实现以较少的 投入获得更大的效益。因此，c a d c a m 集成技术研究有着重大的应用价值，c a d c a m 集成系统也有着广阔的应用市场。 1 1 c a d c a m 集成系统发展概况 i 1 1c a d c a m 软件系统发展历史 c a d c a m 技术应用到机械工程的设计、分析、制造中，迄今已有近三十年的历史 了，到今天已经成为一个专门的工业行业。c a d c a m 软件发展大抵经历了三代【2 j ： 第一代：2 0 世纪6 0 年代中期，以图形学发展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。代表有通用电气公司的c a d 一1 系统，还有自动数控编 程方面的a p t 系列。 第二代：c a d c a m 软件系统开发于2 0 世纪7 0 年代，这一代的系统可以进行二、 三维绘图和数据加工，能进行线框、曲面、实体建模以及有限元分析等功能。第二代最 大的特点是出现了c a e 技术，并能进行集成。系统实现一般采取混合语言编码。 第三代：针对第二代软件系统存在的问题于实际8 0 年代中后期开发的。这一代系统 使用单一数据库和统一数据结构，系统能有效地进行集成，各分系统间全关联并支持并 行工程，提供了产品数据管理功能，同时还具有获取信息完整，使用方便等优点。系统 实现通常采用c 或+ + 语言编码。 目前正在开发出第四代机械c a d c a m 集成系统，在第三代基础上，将在软件结构、 面向数控车削的c a d c a m 集成应用研究 建模器、面向目标开发工具、数据模型、智能设计、统一产品数据管理、质量控制和多 媒体技术应用等方面实现新的突破，真正实现并行的从构思到产品完成的环境，提供更 完善、更高效的设计、分析、管理、控制、制造等方面的环境和工具。同时大型c a d c a m 集成系统逐渐在从大型、工作站向p c 平台过渡，使应用的用户数量、范围得到了极大 的提高即】。 1 1 2c a d c a m 软件系统现状 c a d 、c a p p 、c a m 系统在过去几十年中得到了迅速发展，并达到了一定的技术水 平。在国内，目前c a d c a m 技术已广泛应用于汽车、航空航天、机械、电子和建筑学 领域，尤其是采用c a d 系统进行绘图或者零件几何建模方面的应用已经非常普及，对 促进生产率提高取至了积极的作用。 目前国内外市场上已经涌现出很到多成熟的商业应用系统，有些系统无论是在其应 用水平还是取得的商业效益方面都取得了巨大的成功。按照这些系统功能覆盖范围和集 成复杂程度大抵可以将其分为两类：大型综合应用系统和中小型专用系统口j ，也可称之 为水平型和垂直型j 。 主要的大型系统有：c a d d s 5 ( c o m p u t e rv i s i o n ) ，c a t l a ( d a s s a u l ts y s t e m e s ) ， u n i g r a p h i c s ( u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s ) ， e u c l i d ( m a t r ad a t a v i s i o n ) ， p r o e n g i n e e r ( p t c ) ， i - d e a s ( s d r c ) 等系统，还有些相对偏小的“中“型系统也可以归为此类，如c i m a t r o n i t ( c i m a t r o n ) ，v i s i c a m 等。这些系统有自己完备的c a d ，c a m 或者c a e 功能模块， 它们多采用实体造型技术，各个模块集成在系统应用环境中，因此也不存在需要把c a d 几何数据提取转化到其他c a m 、c a e 模块中的问题。它们大多都是从七、八年代发展 而来，起初是建立在u n i x 平台上，运行软硬件费用非常高，不过进入九十年代以后， 几乎所有系统都开始向基于w i n d o w sn t 的p c 平台进行移植，设备及运行费用有所下 降，其影响范围不再限于大型企业集团，逐渐推广到各中小制造企业中，像p r o e ，u g 等系统已经在我国有很多应用实例。 中小型c a d c a m 集成系统包含数量非常多，它们可以继续分为大致以下三个层次： ( 1 ) 综合型，这一类相对功能全面，如：s u r f c a m ( s u r f w a r e ) ，s m a r t c a m ( c a m a x ) ， m a s t e r c a m ( c n cs o f t w a r e ) ，a l p h a c a m ( l i c o ms y s t e m s ) 等。国内目前有c a x a 制造 工程师系y u ( 二l h 航海尔) 。 f 2 ) 专用型，如专用于铣削加工的p o w e r m i l l ( d e l c a m ) 和w o r k n c ( s e s c o i ) ， 专用于电路板生产的e c a m 3 5 0 ( a d v a n c e d c a m t e c h n o l o g i e s ) 等。 f 3 ) 基于二次丌发集成系统。比较有名的如t t y p e r m i l l ( o p e nm i n d ) ，该系统构 建在a u t o c a d 和m d t ( a u t o d e s k ) 平台基础之上。 对于上砸介绍的这类系统，在c a d 造型方面，比较大型系统而苦，缺乏实体造型 功能，只能操作、构建零件的线框模型和二维工程图，因此对于它们不能处理c a d 建 模领域，往往需要从些特殊的c a d 系统中进行转换，如s o l i d e d g e ，c a d k e y 等。但这 类专有中小型系统往往能为用户提供某一方面比较先进的功能，如其中s u r f c a m 提供 了最先进的曲面加工处理：m a s t e r c a m 包括了2 5 轴的铣削、车削、线切割等各种数控 处理模块，成为目前市场上最流行的c a m 应用软件；还有操作非常简便的g i b b s c a m 1 i i 向数控车削的c a d c a m 集成心用研究 系统，基于特征的f e a t u r e c a m 系统等等，这些系统小而精悍的特征为它们赢得了广阔 的市场。它们最主要的缺陷是进行集成应用时，各个系统和模块间的数据交换、信息集 成困难。 1 1 3 目前c a d c a m 系统存在的问题 c a d 、c a p p 和c a m 系统在近年来发展速度很快，尤其是进入九十年代以后，随 着p c 功能同益强大，c a d c a m 系统的应用也得到了快速的推广。但目前c a d c a m 集成系统依然存在一些问题，主要有队f 几点： 第一，由于c a d ，c a m 是从生产过程的不同侧面分别研究发展起来的，不能用一 个完整的产品模型来支持各工程应用活动。在设计、制造、检验、装配等各个环节中， 使用者需要重复地输入和识别一些信息，定义一些新的模型，以满足各工程应用系统的 需要，从而导致产品在设计、制造等过程中信息处理的中断，人为干预量大，数据重复 处理的后果。目前很多研究 6 ，8 】开始致力于采用s t e p 标准解决统一的产品模型数据定 义问题及解决数据传递交换问题，并且已经出现了很多成果。 第二，集成层次较低。目前大部分商用系统的c a d 到c a m 集成仅仅是在几何定义 的基础上转化为数控代码，不能集成c a p p 等功能。从早在2 0 世纪6 0 年代有关专家就 已提出c a p p 概念，国内外学者在c a p p 方面作了大量的研究工作，有的已初步进入实 用化阶段| 9j 。c a p p 应该是c a d 、c a m 集成的桥梁，同时也能进一步为企业管理提供依 据。但主要由于信息模型不一致，作为c a d 、c a p p 、c a m 集成化的c a p p 仍是一个重 要的研究课题，至今尚无成熟的c a d 、c a p p 、c a m 一体化软件，因而使得c a d 、c a p p 、 c a m 效率得不到充分发挥。除c a d c a p p c a m 功能外，完整c a d c a m 集成系统中 应该迸一步包括方案设计、可制造性评估以及运动动力仿真等模块。 第三，系统的自动化、智能化程度不高，工程数据库模型过于简单。系统还不能自 动实现从零件模型到工艺分析以及最后自动数控加工过程中的自动化，操作过程中，依 然需要大量的手动交互，并对用户知识水平有一定要求。工程数据库模型过于简单，不 具备自我扩充学习能力，不能智能地提供设计加工参数决策功能。 第四，不能广泛满足各类企业对c a d c a m 集成系统的需求。主要表现在： f 1 ) 需求和价格存在矛盾。尤其对于国内企业，随着国内经济的高速发展，越来越 多的企业迫切需要用先进的制造技术- - c a d c a p p c a m 来提高其在国际、国内的市场 竞争能力，由于目前的大型c a d c a m 集成系统运行成本昂贵，国内中小型企、业难以承 受其高昂的软硬件费用，而国内开发的微机c a d 系统不能完成从“设计一工艺一制造” 的整个过程的计算机辅助作业，开发某一类型产品的c a d c a p p c a m 集成系统，为中 小型企业提供价廉物美的c a d c a p p c a m 系统大有可为。 ( 2 ) 需求和功能存在矛盾。随着现代制造业的不断发展，出现了很多新的产品和新 的加工工艺方法，目前成熟的c a d c a m 系统由于其设计结构问题，不能快速响应这些 变化，提供相关功能，因此，一些专用的c a d c a m 系统有很大需求。另外大多数通用 流行的商用系统都是国外公司的产品，它们有时无法满足很多国内实际的需求特点。 综上所述，c a d 、c a p p 、c a m 的集成虽然在近，l 年得到了较大的发展，但在实际 应用中还不够十分完善，这些存在的问题正是将来c a d c a m 集成系统研究的方向和趋 面向数控车削的c a d c a m 集成心用研究 势。c a d c a m 集成研究在我国此方面起步比较晚，无论是在理论上还是在具体的实际 应用中与国外都有一段差距，但这些也表明我国在此方面有很大的发展空间，特别是国 家近几年来对现代化生产方式的高度重视，投入巨大的人力和物力进行企业的改造，现 代生产模式的研究，因此致力于此方面的研究与开发必将会为我国的现代化建设作出巨 大的贡献。 i 2 本文课题背景 本课题基于大连机床厂和大连服装机械总厂中的实际应用需求，以回转件的数控车 削加工作为c a d c a m 集成研究的背景。 目前已经存在众多商业c a d c a m 应用系统，但如前所述，这些系统尚存在很多问 题，不能完全满足各种需求。一些大而全的应用系统尽管在产品设计、几何造型等方面 功能强大，但对于国内很多制造企业，这些系统存在价格昂贵，功能复杂，难以和企业 整体信息化进行集成等缺陷。因此针对特定需求，研究中小型专用集成系统在国内有很 大的应用前景。另一方面，c a d c a m 集成还存在很多问题，如自动化、智能化集成等， 这些问题大多处于研究阶段，同样非常具有理论研究价值。 本课题的研究有两个主要目标：一方面要为一个实际的应用系统打下基础，具有一 定实用性和可扩展性；另一方要对c a d c a m 自动化的集成方法进行探索性研究，能体 现目前该领域的研究趋向。 1 实用性和可扩展性。根据课题的实际要求，课题的一个重要任务是为实现一个实 用的c a d c a m 集成应用系统打下基础，系统的定位是面向国内中小企业中数控加工的 c a d c a m 应用。实用性和可扩性是一个小型专有系统的灵魂。 2 自动化集成方法的研究。目前的商用的c a d c a m 集成处在一个从图形信息直 接到数控编程的较低的集成层次上，其中交互太多。如何实现自动化c a d c a m 集成是 目前尚处于研究阶段，特征建模方法被认为是解决自动化c a d c a m 集成的一个关键， 同时c a p p 功能不能有效和其他系统进行集成也是一个瓶颈【9 1 ，谋题中通过对回转体特 征识别的特征提取方法和基于特征的数控工艺规划方法进行自动化c a d c a m 集成的研 究。 1 3 本文技术路线和文献综述 本课题在进行c a d c a m 集成研究和系统设计时，有两点考虑，一方面要吸取当前 典型的c a d c a m 应用系统特点( 参看文献 1 0 ，1 5 1 ) ，提高系统实用性，另一方面要有 自身特点，在c a d c a m 自动化集成应用研究上体现一定的先进性。为此，本文提出了 包括以下三个层次的技术路线： l ，构建c a d c a m 集成应用环境 c a d c a m 集成系统应具有两个集成特征【16 j ： ( 1 ) 功能集成，各功能模块集成在一个结构良好的环境中，这个环境同时为信息的 集成提供条件： f 2 ) 信息集成，在整个从设计到制造的过程中，信息应该共享，设计人员能了解到 面向数控车削的c a d c a m 集成应用硎究 制造资源和加工能力，而工艺设计过程中也应能获取零件特征信息。 课题中的c a d c a m 集成应用系统的实现也主要从这两个方面进行考虑，一方面整 个系统构筑于一个统一的、自主的底层应用框架之上，功能统一规划，另外一方面，对 c a d c a m 中信息进行全程建模和统一管理，但同时让各个信息模块保持信息独立性， 它们之间只通过功能接口保持信息共享。 集成环境中包括c a d 图形操作模块，特征提取功能模块，数控工艺规划模块三个 大的功能模块，完成从零件几何轮廓构建到最终的数控轨迹生成的c a d ，c a m 全流程。 系统中的图形功能基于a c i s 图形平台实现，主要提供几何信息管理和图形显示。由于 图形技术和几何建模方面研究起步较早，在很多的c a d 系统中已经有了成熟的应用， 因此，很多后来的中小型的c a d c a m 软件往往采用这种成熟的c a d 系统进行二次开 发，这种情况在国内尤为普遍。这种设计思想可以减少系统的实现难度，加快系统产品 化进程，但同时存在着实施成本高，对平台依赖性过高，扩展、发展困难，缺乏核心信 息模型等缺点，这些缺点限制了这类系统的发展空间。本课题中的图形功能建立在成熟 的图形建模内核的基础之上，一方面可以充分利用成熟先进的c a d 技术成果，另一方 面可以构建自主的核心应用框架。目前很多著名的c a d c a m 软件都是采用这种思路， 如a u t o c a d ，c a d k e y 等底层的图形内核采用a c i s ，u g 等则采用了p a r a s o l i d 。 一个成功的系统除了完备和强大功能以外，先进的软件设计架构同样非常重要，它 决定了系统的稳定性，可扩展性和适应能力，这些特性对于中小型系统尤其重要。尽管 比较大型综合系统而言，小系统缺乏整体功能竞争能力，但如果有一个良好的应用框架 结构，可以快速响应市场需求变化，加入或改进某部分相关模块，同样可以使“小”系 统具有很强竞争能力。另外一个好的框架如果能有效把各个厂商提供的功能模块进行有 效的集成，就能快速的推出一个集成应用系统，s o l i d w o r k s 就是这方面的典范j 。在应 用软件的体系结构研究过程中，曾先后出现了以数据为中心的系统模型、以执行为中心 的系统模型、面向对象的系统模型等多种体系结构，它们代表了软件技术发展的不同阶 段。随着面向对象技术的不断发展，以面向对象为核心思想的组件技术和中间件技术逐 渐成熟，就产生了基于“软件总线一组件”的系统体系结构【i5 】 1 “，本课题研究中采用了 这种软件架构进行系统的软件实现。具体实现时，本文独立于c a d c a m 实际应用，设 计并实现了一个基于a c i s3 d 建模平台 1 7 , 1 9 的图形应用框架，实现了这种“总线一组件” 式结构，同时也提供了大量的可重用组件。 2 基于零件几何模型信息的自动加工特征提取 c a d c a m 集成的第一步是进行c a d 和c a p p 集成。目前零件设计结果通常使用 底层的几何c a d 表达，而上层的工艺规划需要制造特征信息，如外圆车削面、通孔， 槽等，这些信息不能直接c a d 信息模型中获取，因此只有通过零件的特征建模才能实 现c a d 到c a p p 的自动集成 2 ，特征提取被认为是目前最适合工艺规划的自动化的方 法。和零件相关的信息抽象都可以称之为特征 “l ，如材料特征，精度特征等等，在本文 中的特征概念被定义为零件的加工特征。 建立零件的制造特征模型主要有基于制造特征的设计和自动特征识别两种方法“i j ： ( 1 1 基于制造特征的设计是一种由设计者通过调用制造特征库中的预定义特征，经 增加、删除、修改等操作建立零件特征模型的造型方法。这种设计方法存在两个缺点： 首先，由于设计系统必须具有钳+ 对特定应用领域的特征库，因此特征库中特征的数量和 面向数拎车 ! i i 的c a d c a m 集成应用研究 类型对设计的自由度有一定的限制。其次，由于基于特征设计建立的零件特征模型对应 用领域有较强的依赖性，使得不同领域之间数据的交换和共享造成困难。由于存在以 问题，这种基于应用领域的零件设计方法没有得到发展。 ( 2 ) 特征识别是从产品的实体模型出发自动识别出其中具有一定工程意义的几何死 状即特征，进而生成产品的特征模型。这种方法更高的效率和智能化，当然实现难度萑 比较大。目前大部分特征建模都是采用这用方法。 关于回转体工件的特征识别前人已经做过很多工作，rg a v a n k a r 将各种特征识别力 法分成了三类 “1 ：基于规则和推理的识别方法，基于模式匹配的识别方法和采用图论能 识别方法。很多特征识别方法也采用这三种方法的综合。r l i ( 1 9 8 8 ) 采用图论和模式匹 配的方法构造了一个回转体工件特征识别系统，匹配元素是工件几何轮廓【2 。系统将特 征分为零件总体特征，表面精度特征、加工特征和几何特征等，特征信息采用一个二绐 表形式( p d d s ) 进行统一存储。由于采用模式匹配的方式进行特征识别，可以方便的扩充 识别模板，从而能识别比较复杂的特征，但缺点是复杂的特征定义很难和实际加工方法 关联起来。sh i n d u j a ( 1 9 8 9 ) 在其o pp l a n ( 一个面向数控车的自动化加工规划系统) 系统实现中提出了一一种基于图论以及知识推理的方法进行特征识别 2 。系统的特征识是 结果较好能和其工艺规划方法关联起来，但是它的特征分类过粗，对于一些复杂组成的 特征识别存在问题。k i m 和c h o ( 1 9 9 4 ) 开发了一个回转体零件c a d c a m 集成系统【2 “， 该系统中工件几何信息通过a u t o c a d 的d x f 格式表达，然后通过t u r b o c 实现规则推 理，具体实现了对回环体零件主要加工特征的识别。系统将加工特征分为主加工特征如： 圆柱面、圆锥面，端面等和倒角、螺纹等辅助特征，然后通过规则推理进行自动识别， 其他一些技术特征信息，如粗糙度等采用手工交互的方式录入。我国学者曾定文等在对 回转体特征分类识别方法也作出一定研究工作( 1 9 9 4 ) 口“。 由于回转体工件的对称性，其车加工特征通过二维轮廓表达工件几何模型就获取足 够的信息，上面研究大部分也是基于轮廓进行特征识别的。本文在他们的研究基础上， 提出了使用图论和知识推理向结合的方法进行回转体加工特征的识别和提取，特征信息 模型兼顾j j h i 特征分类和几何组成信息的描述，为了和工艺进行进一步集成，系统中可 以对特征部分属性进行手动调整。 3 基于特征的数控工艺规划 c a p p 提供了c a d 到c a m 的一个至关重要的连接，它是c a d c a m 集成的桥梁。 当前已经有很多c a p p 系统出现，f a r u kc a y 和c o n s t a n t i nc h a s s a p i s ( 1 9 9 7 ) 对c a p p 的应 用现状以及c a p p 和c a d ，c a m 等系统进行集成的情况进行了全面的总结p j ，可以看 出，c a p p 是实现c a d c a m 集成的关键，但也是瓶颈。c a p p 同c a d ，c a m 进行集 成需要有效的接口，其中加工特征提取被认为是解决c a p p 和c a d 接口问题的关键所 在，本文中的工艺规划正是基于文中特征识别信息来进行，特征提取为自动化工艺规划 奠定了基础。对于数控工艺而言，主要包括三个层次的内容：工序规划，工艺参数的确 定，走刀路径规划。 工序是工艺规划的核心内容，相当于工艺的“骨架”。通过零件特征信息进行自动化 工序决策，通常有两种方法，决策村【” 和规则驱动方法胆“2 7 j ，前者是基于事实经验的积 累，而后者是基于知识的推断。决策树方法进行工序决策，可以很好的完成单个特征的 加工规划，满足特征加工技术要求，缺乏总体考虑，容易把当前零件的特征组合特点割 匠向数控j 二削的c a d c a m 集成应用研究 裂开了。本文中的数控工序规划方法是基于特征，采用基于数控车加工规则，通过知识 推理的方法进行自动化工序决策，有效的完成了零件特征信息到工艺信息的集成。 刀具和加工参数的选取一般是工艺规划过程中项费力的工作，需要大量的查表， 更重要的是需要工艺规划人员的实际经验。很多学者致力在工艺舰划过程中的使用号家 系统和零件加： 特征信息结合的方法来进行自动化的刀具选择以及加工参数确定的研究 e “j 。这些专家系统的运行前提是大量的专家知识的积祟，知识的来源主要有两种：机 加工手册和工艺专家经验。但这些手册知识以及专家经验知识结构复杂、知识繁杂，难 于组织和检索。本文基于关系型数据库建立了一些加工知识库的信息管理模型，通过这 些知识库有助于刀具和工艺参数的选取，由于实际条件限制，这部分功能实现有限。 对于数控工艺而言，其最终目标是数控指令，因此c a p p n c 的集成对于数控工艺 而言必不可少。本文基于特征和数控工艺信息模型，完成数控进行走刀轨迹规划，实现 了n c 编程中最关心的走刀轨迹控制部分，初步实现了c a p p 到n c 的集成。 由于本文试图直接从零件图形轮廓基础之上进行特征提取和工序编排，图形的构造 过程可能出现各种不符合工艺规范结构，导致各种异常，这些问题属于“零件工艺评价” 内容，文中将不予考虑，文中在特征提取与工艺决策过程是，均假设零件结构均符合设 计和工艺要求。 1 4 本文主要工作 本文以回转体数控车加工为研究背景，对c a d c a m 一体化的全过程进行了系统的 研究和探索，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) c a d c a m 集成应用环境的构建。c a d c a m 集成可以看成两个方面的集成：功 能的集成和信息的集成。功能的集成主要是指将c a d c a m 中涉及功能，如c a d 几何 建模，c a p p 工艺规划以及c a m 中的加工轨迹等功能集成在一个应用环境中；信息集 成完成了集成系统中信息模型的构建，然后通过功能接口把各块信息捏合为一个整体。 ( 2 ) 回转体零件车削加工特征的提取。基于对回转体特征的分析，首先建立其特征 信息模型，然后通过识别算法基于工件轮廓进行自动特征识别，最后通过部分交互式调 整，完成外轮廓车削加工特征的提取。 ( 3 ) 基于特征的数控工艺规划。包括三个方面的内容，基于提取的特征信息自动进 行加工工序规划；基于知识资源库的交互式工艺参数确定，参数包括：刀具选择，切削 参数以及其他工艺参数；基于工艺信息进行数控走刀路径规划。 ( 4 ) 基于a c i s 的图形应用框架的架构和实现。该图形应用框架