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硕士论文典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 摘要 焊接领域的c a d c a p p c a m 系统集成化研究是焊接学科研究的一个重要方向。而基 于焊接特征的焊接工件造型和产品数据管理技术是实现焊接产品c a d c a p p c a m 系统集 成的重要理论和技术基础。本文针对这一研究领域，作了以下工作： 对焊接产品设计、存储和机器人加工过程进行分析，归纳出了焊接特征的内涵。具 体包含了焊接零件特征、接头特征、坡口特征、焊缝特征以及焊接工艺特征等。 在v b 开发环境下，使用s o l i de d g e 造型软件进行二次开发。研究基于特征的焊接 件造型方法与特征存储、识别方法。具体包含：建立平板零件、折板零件、工字梁、锥 形圆弧板零件、直管、圆弧形弯管、椎形圆弧弯管、圆形封头、圆锥形封头、相贯管( 子 母管) 等十种典型焊接件的基于特征的造型模型；建立基于特征的坡口造型模型，建立 基于特征的焊接接头装配模型。 为了支持焊接特征的存储、识别，基于s q ls e r v e2 0 0 5 数据库管理系统，在v b 环 境下开发焊接产品数据库系统，建立焊接产品数据管理系统的雏形，实现对特征信息的 管理，并为焊接c a d c a p p c a m 系统的集成提供数据库支持。 关键词：焊接特征，焊接数据库，s o l i de d g e ，二次开发 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fw e l d i n g r o b o ta p p l i c a t i o n , t h ec a d c a p p c a mu s e di n w e l d i n gd e s i g ni sa l li d e a lw a y t or e a l i z et h ew e l d i n ga u t o m a t i z a t i o n a n du s i n gt h ew e l d i n g f ea 1 胁et od e s i g nw e l d i n gp a r ta n dm a n a g ew e l d i n gp r o d u c t i o ni sa l li m p o r t a n tw a y t or e a l i z e t h ew e l d i n gi n t e g r a t i n g i nt h i sf i l e ，t h er e s e a r c hw o r ki sf o l l o w i n g ： f o ru s i n gt h ew e l d i n gf e a t u r et od e s i g nw e l d i n gp r o d u c t ，a n a l y z et h ep r o g r e s so f t h e d e s i g na n ds t o r a g eo fw e l d i n gp r o d u c ta n d t h er o b o tp r o c e s s i n g ，e x p l o r et h ed e f i n i t i o n so f w e l d i n gf e a t u r e s t h e s ef e a t u r e sa r et h ew e l d i n gp a r sf e a t u r e ，t h ew e l d i n gg r o o v e f e a t u r e ，t h e w e l d i n gj o i n tf e a t u r e ，a n ds oo n u s ev bt od ot h es o l i de d g es e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ，a n de s t a b l i s hw e l d i n gp a r tm o l d i n g s y s t e ma c c o r d i n gt ow e l d i n gf e a t u r e s t h e s ep a r t sa r ef l a t s ，a r cf l a t s ，t h es t r a i g h tp i p e s ，t h ea r c p i p e s ，t h ei n t e r s e c t i n gp i p e s ，a n ds oo n e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e l so ft h ew e l d i n gg r o o v ea c c o r d i n g t ot h ew e l d i n g g r o o v ef e a t u r e e s t a b l i s ht h em a t h 锄a t i c sm o d e l so ft h ea s s e m b l i n go fw e l d i n gp a r t sa c c o r d i n g t ot h e w e l d i n gj o i n tf e a t u r ei nac a ds y s t e m c o m p u t et h ep o s i t i o n so f a 1 1t h ep a r t so faw e l d i n g d r o d u c ti nt h es a i n er e f e r e n c ef r a m et oc o n t r o lt h ea s s e m b l i n g a n d t h ed e s i g nf l a ti ss o l i d e d g e d os o m ee x p l o r a t i v er e s e a r c ho ft h ew e l d i n gp r o d u c td a t am a n a g e m e n t ( w p d m ) ，a n d e s t a b “s ht h ed a t a b a s eo fw e l d i n gs t a n d a r dp a r t s ，w e l d i n gp r o d u c t s ，w e l d i n gg r o o v e s ，w e l d i n g j o i n t sa n dw e l d i n gf e a t u r e s d e s i g nt h ew e l d i n gp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：w e l d i n gf e a t u r e ，w e l d i n gd a t a b a s e ，s o l i de d g e ，s e c o n d a r y 。d e v e l o p m e n t 错误! 仅主文档。 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：垒! 塑丝枷年6 月徊日 j 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：二望埤孑年移月；矿日 硕1 二论文 典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 1 绪论 1 1c a d c a p p c a m 系统 1 1 1c a d c a p p c a m 系统及其集成化 计算机出现与发展，实现了将人类从繁重的脑力劳动中解放出来的愿望。早在3 0 4 0 年前，计算机就已作为重要的工具，辅助人们承担一些单调、重复的工作。在此基础上 逐渐出现了计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工艺规程设计( c a p p ) 和计算机辅助制 造( c a m ) 。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指工程技术人员在人和计算机组成 的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、分析、绘图等工作，并达到提高产品 设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。一般认为c a d 系统的功能包括： 草图设计、零件设计、装配设计、复杂曲面设计、工程图样绘制、工程分析、真实感及 渲染、数据交换接口等。 计算机辅助工艺规程设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 是指在人和计算 机组成的系统中，根据产品设计阶段给出的信息，人机交互地或自动地确定产品加工方 法和工艺过程。一般认为c a p p 的功能包括：毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定、 工序设计、刀央具设计等。其中工序设计又包括机床和刀具选择、切削用量选择、加工 余量分配以及工时定额计算等。 计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 有广义和狭义的定义。广义的 c a m 一般是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造的整个过程的活动，包括工艺 过程设计、工装设计、自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。狭义的c a m 通常指n c 编程，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及代码生成等。 7 0 年代以来，计算机的应用几乎深入到生产过程的所有领域，并形成了许多计算机 辅助的分散系统：p p s ( 计算机辅助生产计划与控制) 、c a d 、c a e ( 计算机辅助工程分析) 、 c a p p 、c a m 、c a q ( 计算机辅助质量管理) 、c a f d ( 计算机辅助夹具设计) 等。这些系统 虽然分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方面都起到了重 要的作用。但是，采用这些各自独立的分散系统不能实现系统之间的信息自动传递和交 换。c a d 系统设计的结果不能直接为c a p p 系统所接受，进行工艺过程设计时还需人工将 1 1 绪论 硕1 ：论文 c a d 输出的图样文档等信息转换成c a p p 系统接受的输入数据，这不但影响了效率的提 高，而且在人工转换过程中难免出错。因此c a d c a p p c a m 集成系统应运而生，并很快 发展与繁荣起来。目前，这一技术应运在许多行业已达到实用化水平。 1 1 2c a d c a p p c a m 系统在焊接中的应用 由于焊接产品的设计首先是产品的c a d 设计，所以c a d 系统被广泛的应用在焊接领 域。焊接产品的c a d 设计正是焊接领域与机械制造领域的交叉点之一，二者非常相似。 目前特征技术在这一方面的应用是一个新的研究方向。 焊接工艺设计是繁琐而复杂的，因此焊接c a p p 系统得到了较广泛的应用。焊接c a p p 系统基本上有三种形式【1 2 】：派生式系统、创成式系统、半创成式系统。 焊接工艺是一项难以精确量化的热加工技术，依靠积累的经验和知识，配以必要的 理论来解决工艺问题。所以焊接c a p p 系统多含有专家推理程序，主要用来处理现实世 界中提出的由专家分析和判断的复杂问题，故近年来，专家推理程序的应用是这一领的 新方向。焊接工艺专家系统( w p s ) 的基础是存储各种类型信息的知识库，它的核心是 推理方法，而基础是焊接工艺数据斟3 】 4 】。 吴晓光等【5 】研究了通用性板材的c a p p 的开发环境，系统推理模块包含工序选择推 理、工序设计推理、选择设备及工装及辅助设计推理三个步骤。另一种推理方法【6 j 根据 保存在文档类数据中特征代码，推出零件各个特征表面的工序。这些工序以数字来表示， 并保存在一个整型二维数组中。然后进行排序、删除重复工序，最后构成加工工序链。 最近南京理工大学王克鸿教授等【7 针对重型车辆丌发了焊接工艺计算机辅助设计系统， 实现了焊接接头信息输入，焊接工艺自动设计，自动生成，工艺卡输出和工艺管理等功 能。解决了焊接产品信息的结构化和半结构化的表达和管理，实现了推理过程的多参数、 多规则约束的自动工艺求解，达到了焊接工艺产品的批处理输出；同时具有焊接工艺文 件的双推理输出，拓宽了该系统的应用范围。 上述c a p p 系统在不同程度上实现了专家式的推理与工艺自动推出，但它们都要以 焊接数据库为基础，需要识别焊接件的几何结构与形状，但目前的c a p p 系统无法直接 识别c a d 系统中几何模型的结构与特征。 c a m 系统在焊接中的应用很广泛，最主要的应用就是焊接机器人技术，而焊接机器 人技术的应用是焊接自动化水平的集中体现。目日订机器人编程方式主要是示教再现的编 硕二l 论文 典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 程方式，基于c a d c a m 的离线编程技术是发展的趋势。与手把手教的示教编程相比，离 线编程具有突出的优点： ( 1 ) 减少机器人不工作时间，当对下个任务进行编程时，机器人仍可在生产线 上工作，尤其是对于生产相互关联的多台机器人生产线，离线编程的优势更加明显。 ( 2 ) 编程者远离危险的工作环境； ( 3 ) 便于和c a d c a m 系统集成，做到c a d c a m r o b o t i c s 一体化； ( 4 ) 可以利用计算机高级编程语言和图形方式对复杂任务进行编程，实现复杂运 动轨迹规划以及进行路径和工艺参数的优化； ( 5 ) 便于修改机器人程序。 基于以上的优点，焊接机器人的离线编程技术是一个相当有发展前景的研究方向【8 1 。 离线编程过程离不开对工件的几何结构的访问，因此c a m 系统需要识别c a d 系统中 有关焊接的几何特征，目前这种识别技术还有待深入的研究。 总之，若使c a d 系统中的焊接工件几何模型能够为后续的c a p p 、c a m 系统所识 别、利用，那么将极大的促进在焊接领域的c a d c a p p c a m 的集成化发展。 1 2c a d c a m 建模技术及产品数据模型 1 2 1c a d c a m 建模技术及产品数据模型 计算机建模技术是c a d c a m 系统的核心技术，也是计算机能够辅助人类从事设计、 制造活动的根本原因。使用c a d c a m 系统，设计思想和工程信息以具有一定结构的数字 化模型方式存储在计算机中，并经过适当的转化可提供给生产过程的各个环节，从而构 成统一的产品数据模型。数字化模型由数据、结构、算法三部分构成，用来描述、存储、 表达现实世界中的物体。所谓建模技术，就是研究产品数据模型在计算机内部的建立方 法、过程及采用的数据结构和算法。 由于对客观事物的描述方法、存储内容、存储结构的不同而有不同的建模方法和产 品数据模型。目前主要的建模方法有几何建模和特征建模两种。 1 绪论硕一| 论文 1 2 1 1 几何建模 就机械产品的c a d c a m 系统而言，最终产品的描述信息包括形状信息、物理信息、 功能信息及工艺信息等，其中形状信息是最基本的。因此自7 0 年代以来，几何建模发 展很快，目前市场上的c a d c a m 系统大多采用几何建模方法。 在c a d c a m 系统中，几何建模是自动设计和图形处理的基础。所谓几何建模方法， 即物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理上的。对几何建模系统来说，只 用几何信息描述物体并不完整，可能会出现物体表示上的二义性，所以还必须给出拓扑 信息，这样才能保证描述物体的完整性和数学的严密性【9 j 。 1 2 1 2 特征建模 几何建模推动了c a d c a m 技术的发展，但随着信息技术和计算机应用的发展，对 c a d c a m 系统提出了越来越高的要求，尤其是计算机集成制造( c i m ) 技术的出现，要求 将产品的需求分析、设计开发、制造生产、质量检查、售后服务等产品整个生命周期的 各个环节的信息有效的集成起来。现有的c a d c a m 系统得几何模型没有明显的功能、结 构和工程含义，所以若从这些信息中提取、识别工程信息是相当困难的，为此推动了特 征建模技术的发展。 特征的概念最早出现在1 9 7 8 年美国的一篇学士论文“c a d 中基于特征的零件表述” 中，到8 0 年代有关特征建模技术得到广泛关注。特征式一种集成对象，是包含丰富的 语义，因此，它在更高层次上表达产品功能和形状信息。对于不同的设计阶段和应用领 域有不同的特征定义，大多数专家都认为零部件可以用形状特征、装配特征、精度特征、 材料特征、性能分析特征、补充特征来描述。一般将形状特征和装配特征称作造型特征， 而其他特征成为面向过程的特征。特征体现了新的设计方法学，是新一代的c a d c a m 建 模技术。 从c a d 的零件设计和装配方面考虑，s h a h 教授 1 0 】认为，特征是部件或装配几何表 示的工程含义，特征兼有形状和功能两种功能。从设计、制造一体化观点出发，其定义 为：具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体，它对应零件的一个或多个功能， 并能被一定的加工方式所形成【l ho 在此基础上，又进一步拓宽特征含义：一组具有确定 约束关系的几何实体，它同时包含某种特定的语义信息1 2 】。 不同行业对特征的定义有相当大的差异，目前在焊接领域，还没有相关文献明确沦 4 硕十论文典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 述焊接特征的具体定义及含义。 特征包含丰富的工程语义，所以基于特征的设计是实现设计与制造集成的一种行之 有效的方法。为此，国外有人提出系统采用识别与设计结合的方法，c a d 系统应向用 户同时提供几何造型和特征两种手段，当用几何造型手段构造产品的局部细节时让系统 自动把它转化成相应形素【】3 】。还有人提出了直接采用特征建立产品模型，而不是事后再 识别的想法，这就是基于特征的设计思想，即特征建模 1 4 】。 最初的特征建模从原有的三维实体建模系统出发，增加一些特征的描述信息，建立 特征库，将几何信息与非几何信息描述在一个统一的模型中。机械领域首先在这一方面 有所研究和应用，在零件的三维建模上应用了特征建模思想。刘宏安掣1 5 】【1 6 1 以零件的形 状特征为主体，通过研究设计形状特征与制造形状特征的关系，总结了一些面向制造的三 维建模规则，运用这些规则建立的模型使零件的形状信息和设计要求的加工特征信息有 机地结合起来，便于实现数据交换和共享。 另外，参数化和变量化技术在特征建模中的应用是非常重要的一点。变量化设计是 指设计对象的修改需要更大的自由度，通过解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。 变量化设计可用于公差分析，运动机构协调，设计优化，初步方案设定，装配建模。变 量化设计和特征设计的结合，极大的推动了设计过程的自动化，减少了设计周期【7 1 。 利用c a d c a p p p d m 集成技术，企业将实现真正的全数字化设计，而利用c a m 技 术，将实现数字化制造，是从企业生产的各个侧面来提高效率，推进自动化。但是基于 集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段【l8 1 。 1 2 2c a d c a m 特征建模技术在焊接领域的应用 焊接工件是一种机械产品，其设计和制造有以下特点：1 ) 焊接工艺比机械加工复 杂，规则少，变化大；2 ) 焊接自动化生产多采用机器人和变位机等自动化机械：3 ) 焊 接工件多为型材和板材组装；4 ) 焊接工件装配连接中焊缝位置多样。 因此，由于焊接的几何造型相对简单而工艺复杂的情况，为了实现产品数字化设计 与管理，以及后续的机器人自动化操作，注重几何造型的几何建模远远达不到要求。所 以特征建模是解决机器人焊接c a d 与c a p p 、c a m 系统集成的重要技术基础。焊接工件特 征建模与其他机械产品有着相似性，但也有其独特的特点，因此研究焊接工件特征建模 共性基础技术成为迫切要解决的问题。 l 绪论硕十论文 目前特征建模技术应用在焊接领域的研究成果发表还很少，也没有个完整的系统 出现。 文献【1 9 】认为焊接工件特征建模要满足五点要求：完整表达焊接意图，支持标准，与 几何实体相对应，提供j 下确性检验，显示焊接符号。他认为从实体模型中识别焊接特征 极为困难，只能在建造实体模型时定义焊接特征，即采用特征设计方法。他提出了一个 焊接属性图的结构来表达和存储特征，并还在此基础上实现了二个弧焊机器人离线编程 系统。文献【2 0 1 设计了一个为弧焊机器人离线编程而设计的特征建模器，它主要面向薄板 焊接的情形。这个系统假定板厚一致，这样把焊板简化为没有厚度的板进行设计，即假 定其为曲面，从而简化了识别几何模型的算法和数据结构。他把焊接结构当作一种装配， 借用了装配关系的概念，其模型是一个二叉树，节点为接头，一边为焊板，另一边为子 装配。 但同机械领域一样，焊接特征建模也要面向零件的建模，每个零件通过特征进行单 独定义，不同零件间的特征缺乏相互联系，不能方便、快捷的表示和建立零件间的特征 映射关系模型。如一个接头说包含的两个零件上的坡口，当一个零件的坡口形状发生改 变，另一个零件是否能依据设计规则进行相应联动。因此，零件问的这些关联特征的建 模使对于产品设计和建模效率、产品模型维护是非常重要的 2 1 】 2 2 1 。 由于焊接工艺的复杂性，因而其特征是极多的，任何一个系统都没有完全穷尽的特 征模型库，因此，用户自定义特征建模是系统特征库的有力补充。自定义特征建模实 际上是对造型系统中已有的形状特征和造型方式的封装。通过封装，屏蔽了对设计人员 而言没有工程意义的繁琐的几何造型操作，而将具有工程意义的参考几何元素约束和 尺寸以接口的形式暴露给设计人员。 1 3 产品数据管理( p d m ) 1 3 1 产品数据管理简介及其现状 产品数据管理( p r o d u c td a t em a n a g e m e n t ) 是一项新的管理思想和技术，出现在 上世纪8 0 年代，目自订已进入标准化阶段。而我国从9 0 年代初丌始p d m 研究，还处于初 级阶段。 p d m 是对工程数据管理、文档管理、产品信息管理、技术数据管理、图像管理、产 6 硕士论文 典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 品定义信息管理技术的总成。成熟的p d m 系统可以使所有参与创建、交流、维护设计意 图的人们，在产品的市场需求、研究开发、产品设计、工程制造、销售、服务、维护等 各个领域，都能安全、高效、有序地共享产品的各种数据。所以p d m 技术的发展将为 c a d c a p p c a m 的集成提供强大的支持。 一般说来，p d m 系统大多具有以下主要功能 2 4 】： 1 ) 电子仓库功能。这是p d m 的基础和最基本的功能。仓库中存储了各类数据，为 用户和系统之间的数据传递提供了一种安全的手段，并允许用户迅速地访问企业产品信 息，而不考虑用户和数据的物理位置。 2 ) 工作流程管理功能。用来定义和控制人们创建和修改数据的方法，为产品开发 过程的自动管理提供了必要的支持。 3 ) 配置管理功能。以电子仓库为基础，把产品的所有工程数据和文档联系起来， 实现产品数据的组织、控制和管理，并在一定规则约束下向用户提供产品结构的描述。 4 ) 电子协作功能。主要实现人与p d m 数据之间高速、实时地交互功能，包括在设 计审计时的在线操作、电子会议等。 由上所述，p d m 涉及的内容极其广泛，目6 f 各行业、生产的各阶段的数据管理都有 不少文献资料。程立斌等【2 5 】认为，在p d m 信息化管理平台上的工艺标准化工作十分重要， 并阐述了现代大中型制造型企业在产品数据库管理系统下的工艺标准化和现代化管理 的方法。付启敏等 2 6 】介绍了客户信息模型和产品服务信息模型，并提出了一种实现两者 集成的关键技术。方泳泽等【2 刀则对机械工程图进行了分析，讨论了产品结构树的建立算 法和运用。 1 3 2 产品数据管理在焊接领域的应用 相对于机械制造以产品的几何特征为出发点，焊接生产更注重工艺的编制与管理。 而工艺的规划所要考虑的因素是非常多的，系统所要存储和管理的信息纷乱而复杂，这 些都增加了焊接产品的p d m 系统设计与维护的难度。张崇轲等【2 8 】引入角色管理机制，使 系统不仅很好地实现了对静态的焊接结构件和焊装工艺数据的管理，并将版本管理和独 特的动态流程管理机制有机地结合起来，地实现了对动态流程的支持。 然而目前有关于焊接产品的p d m 的文献资料有限，功能比较完整的焊接p d m 系统还 没有相关文献报导。 l 绪论硕i ：论文 1 4 课题的研究意义和研究内容 1 4 1 课题研究意义及来源 机器人技术、计算机辅助设计、计算机辅助工程等在焊接工程中的应运越来越广泛， 越来越深入化。研究如何将焊接这门古老而又生机勃勃的学科与这些新兴学科融合起 来，是目前焊接科学研究的一个方向。典型焊接件的特征造型及焊接数据管理研究 正属于计算机技术与焊接技术交叉领域，课题来源于江苏省自然科学基金项目，基金号 为b l q 0 0 6 5 7 0 。 虽然目前单独的c a d 、c a p p 、c a m 系统已得到了非常大的发展，但设计人员只能分 开的使用这些系统，因为这些系统不能相互识别，无法进行并行操作。系统之间的信息 过渡，要么通过设计人员从新输入信息，要么通过数据接口进行数据转换，这加大了工 作量，而且还会经常出现错误。并且在各自系统中所作的修改，不能及时地传达到别的 系统，给协同工作带来了麻烦。 针对这种各系统自成一体，无法相互融合的问题，首先要解决的是使各系统能够相 互识别各自的数据的问题，采用特征建模技术是一条途径。本文将从焊接产品设计的源 头，既产品的几何模型设计开始，在c a d 系统中建立基于特征的焊接工件造型系统， 为后续的c a p p 、c a m 系统提供访问特征的接口，以此来识别工件的几何模型。这不但 可以大大简化用户的操作和管理，而且为计算机辅助焊接工艺规划( w - c a p p ) 、计算机 辅助机器人制造( r c a m ) 信息共享、焊接产品数据管理( w 二p d m ) 奠定了技术基础。 c a d c a p p c a m 系统集成化还需要有焊接数据库的支持，建立具有统一的数据模型和 标准的数据格式的焊接产品数据库，是解决c a d 、c a p p 、c a m “信息孤岛”的问题 的核心技术之一。c a d 、c a p p 、c a m 系统通过识别这些标准格式文件，能够达到相互兼容 的目的。 除此之外，还需建立合理而有效地焊接产品数据管理系统，实现对静态的焊接结构 件的造型数据、装焊工艺数据的方便、快捷、高效的管理。 1 4 2 主要研究内容 如图1 4 2 1 所示，基于标准数据库的c a d c a p p c a m 集成化系统的数据集成方式， 本文的研究内容f 是其中c a d 系统和焊接数据库设计部分。主要是建立标准格式焊接数 8 硕士论文 典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 据库，在c a d 系统中使用改进的几何建模模型( 特征建模) 进行焊接产品造型，并以标 准格式存入数据库，使后续的c a p p c a m 系统可以识别这些标准格式的数据，从而达到 使c a d c a p p c a m 集成的目的。 图1 4 2 1c a d c a p p c a m 在焊接数据厍基础上的集成 具体研究内容为： ( 1 ) 对于焊接特征的内涵、分类及特征造型方法等问题开展深入、细致的研究。着 重研究与焊接有关的特征定义、特征内涵，并研究如何对焊接特征合理地划分和组织。 ( 2 ) 建立基于特征的典型零件几何形状模型，这些零件包括：平板零件、折板零件、 工字梁、锥形圆弧板零件、直管、圆弧形弯管、椎形圆弧弯管、圆形封头、圆锥形封头、 相贯管( 子母管) 等。 ( 3 ) 研究坡口特征、基于特征的坡口造型方法以及坡口特征存储方式，在数据库中 建立坡口特征库。 ( 4 ) 研究基于特征的焊接接头装配的定义和实现途径，以及接头特征的存储方式。 ( 5 ) 接产品c a d c a p p c a m p d m 集成化设计涉及大量的相应的数据信息，研究对 这些信息建立数据库的方法与途径，尤其是数据结构的设计。 ( 6 ) 焊接产品特征化造型与焊接产品数据管理系统软件设计。该软件包含焊接产品 特征造型系统与焊接信息管理系统两部分，并通过焊接产品数据库建立两者之间的连 接，该软件将使焊接产品的造型设计与管理更加方便和快捷。 9 2 焊接产品的几何特征与焊接特征硕十论文 2 焊接产品的几何特征与焊接特征 现有的商品化的c a d 系统都是以几何和拓扑的形式定义和存储产品的信息，基于 数学和几何学理论的线框模型，曲面模型和实体模型，只产生较低层次的几何信息，如 点、线、面基本体素等。对于c a p p 及后续系统来说，这一低层次的信息无法被其自动 理解。需从产品中提炼出具有一定工程意义的几何形状，即特征。 在基于特征的设计系统中，特征是一种集成对象，是包含丰富的语义，因此，它在 更高层次上表达产品功能和形状信息。特征识别作为c a d 与c a p p 间的智能接口，特 征识别技术对实现c a d c a p p 的集成具有非常重要的意义。 特征是依赖于具体应用的，不应该是抽象的。随着技术的发展，特征的概念越来越 面向实际，对于不同的研究对象、设计阶段和应用领域，特征有不同的含义。但普遍认 为一个产品的描述特征【2 9 】主要有形状特征、材料特征、功能特征、补充特征等。这些特 征体所包含的信息有：确定的几何形状信息，各种公差信息，材料信息，制造过程信息 等，易于被从事不同方面设计的设计人员所理解，可以为设计和制造过程的各个环节提 供充分的工程、工艺信息。是实现c a d c a p p c a m 集成化的关键技术。 2 1 焊接产品焊接特征的提炼 对于一个产品的描述，其基础是产品的造型特征，其他的特征或从造型特征上引申 而来，或以它为基础，或与之密不可分。在传统的机械设计中，由于机械产品的形状纷 繁复杂，甚至对于总体的机械设计，机械产品的形状可以晚达到了“任意”的程度。因 此，机械设计领域的特征造型系统的设计，往往根据具体的应用情况而定，想要囊括整 个领域是很困难的。 焊接加工过程与机械加工过程有很大的差异，机械加工领域的造型系统不能直接拿 来用于焊接加工。需要对采用焊接加工的零件的焊接信息进行特征描述，并研究用于焊 接领域的特征造型系统。这f 是本文的主要研究内容。为了与其它特征有所区分，本论 文中，将采用焊接加工而成的产品称为焊接产品，将要焊接的零件称为焊接零件，焊接 产品的有关焊接领域设计及加工的特征称为焊接特征。 为了提炼焊接产品的特征，需要对焊接加工的相关特点进行归纳与总结。焊接j n q - 过程具有鲜明的特点： ( 1 ) 焊接零件大部分是板型件。或者在焊接过程之中，绝大部分情况下，零件可 以作为板型件处理，而忽略与焊接熔池不接触的其它面和边的形状特征。这一特点是机 1 0 l 论i 典型焊接件特i f 墙1 1 i 接p 品数据管埘咒 械加工所不具备的，而它恰恰是描述焊接产品与焊接过程的重要焊接特征扳厚特 征。板型件的扳厚特征，可以在焊接产品殴计的第一阶段零件几何模型设计阶段， 就保存下来，而在以后的焊接工艺设计( c a p p 系统) 中，通过特征识别技术，从焊接 数据库中调用，这样可以达到信息的迅速、非丢失地传递。而且利用这一特点，将建立 焊接零件的实体造型系统，这部分将在第二章典型焊接零件基于特征的几何形状 模型部分加以洋述。 ( 2 ) 焊接产品的各个独立的零件，主要通过焊接接头的连接柬达到装配的目的。 而焊接接头具有鲜明的几何形状特点，即在一个接头叶1 ，两个零件相对的某一面及它们 之州的一块特定j 醪状的空问，将是焊接过程中熔池部位。若只看接头的熔池音【；位，整个 熔池是关于它的中心而镜而对称的，接头的两个零件与熔池相接触的的位置也与中心 面对称，如图2ll 所示。正是由于返一特点，接头的装配便可以特征化，从而焊接产 品的装配可以利用接头特征的输入米控制。这一部分将在后面的焊接，“品基于特征的装 配部分加以洋述。而在后续的焊接工艺殴训中，c a p p 系统也能进行焊接产品接头的特 征识别与提取。 定义1 接头特征：描述两个焊接零件的相对位置，有接头类型、接头熔池面、接头 起点、焊接方阿、接头间隙等参数。 季悼与焙抱相 幽2 1 1接头儿模e 4 特点 ( 3 ) 坡门的形状具有鲜明的几何特点。在焊缝的不司位置的横截i n j 上，坡口的轮 廓是不变的。般在通用的c a d 软f 5 上( 如s o l i de d g e ) ，进行坡口的几何造型时，总 是依附于零件的一条边，采用除料命令。而除料的形状可以实现特征化描述，这一特征 f 足焊接件产品的坡门特征。木论文将在后而章节对城门的特祉化造型加以洋述。 2 焊接产品的几何特征与焊接特征 硕士论文 定义2 坡口特征：描述坡口的几何形状， 型坡口的坡口轮廓参数有坡口角度和坡口深度， 度外，还有根部半径参数。 具体参数与坡口的类型相关。如“v 而“u 型坡口除了坡口角度和坡口深 ( 4 ) 焊缝的几何特征是接头特征与坡口特征的延伸特征。焊缝的几何形状实际上 是坡口部分和接头部分共同组成的( 依据不同的材料、不同类型的接头、不同焊接方法、 不同焊接工艺，这一空间形状、大小有所不同) 。而且焊接件的接头特征还将决定焊缝 的位姿形态。所谓焊缝位姿就焊接机器人焊接时焊枪的姿念。而焊缝几何特征在焊接数 据库中的存储，将为焊接机器人路径规划提供形状信息的支持。它也是焊接产品c a d 系统与c a m 系统集成的一条纽带。 定义3 焊缝特征：表述焊缝的几何形状( 从接头特征与坡口特征上继承而来) ，以 及焊缝的焊接工艺特征，有焊接方法、保护气、焊接设备、焊缝性能要求、焊接工艺参 数等。 上述四点都是焊接产品的特征，当然，焊接作为一种热加工工程，还有很多鲜明的 工艺特点，即焊接产品的工艺特征。另外，作为决定焊接产品工艺设计的重要因素，材 料特征与焊接件性能特征也是极其重要的。 2 2 焊接工件特征的分类与总结 从2 1 节的叙述中可见，对于一个焊接产品的描述，其特征是纷繁复杂的，有必要 对这些焊接特征进行分类与总结。这一项工作是建立焊接数据库的基础，焊接特征的分 类层次结构，j 下是焊接数据库的数据结构所描述的对象。 、 图2 2 1 ：焊接特征层次 由于特征是与实际工程和应用所密切联系的，所以针对焊接工程的不同性质和特 性，焊接特征的分类方式也有所不同。其中，对于焊接产品的造型特征分类是比较复杂 的。在本论文中，为了便于同s o l i de d g e 二次丌发过程相结合，将按照焊接产品的内在 关系和结构，将造型特征分为零件特征( 主要是板型件的几何模型特征和材料特征) 、 坡口特征、接头特征。这一分类也与传统的焊接设计的三大部分板设计、接头设计、 1 2 硕十论文 典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 坡口设计相符合。 焊接特征分类层次如图2 2 1 所示。焊接特征分类的具体内容如图2 2 2 所示。 图2 2 2焊接特征的分类 2 焊接产品的几何特征与焊接特征硕一i j 论文 2 3 本章小结 1 论述了焊接特征的概念。 2 定义了接头特征、坡口特征、焊缝特征。 3 将复杂繁多的焊接特征进行层次结构的设定，为焊接产品数据库的数据结构模型 建立奠定了基础。 4 将焊接特征详细的进行了分类。 硕士论文典型焊接件特征造型与焊接产品数据管理研究 3 典型焊接零件基于特征的造型 3 1 焊接零件特征造型系统的s o l i de d g e 二次开发方法 3 1 1s o f i de d g e 软件特点 s o l i de d g e 是由美国u g s 公司开发的基于w i n d o w s 环境的中端c a d 软件包，它 具有强大的二维和三维绘图功能，界面友好，广泛应用于机械设计行业。 s o l i de d g e 具有以下主要特性： ( 1 ) 具有强大的实体建模功能和直观的w i n d o w s 用户界面； ( 2 ) 三维实体建模系统采用参数化特征造型技术，具有草图设计、零部件设计、 板金设计、装配设计、运动仿真、从三维立体模型转化n - 维工程图等功能。 ( 3 ) 具有强大的特征管理器，提供的特征设计树同具体的实体建模是实时的动态 联接； ( 4 ) 支持i n t e r n e t 技术，实现数据共享； ( 5 ) 双向并联的尺寸驱动机制； ( 6 ) 采用标准的w i n d o w so l e 自动化和组件对象模型( c o m ) 技术，s o l i de d g e 提供的应用程序接1 ：3 ( a p i ) 可使用户和软件开发者能够以v b ，v c + + 或其他标准程序 语言对s o l i de d g e 进行二次开发。 在s o l i de d g e 平台上，用v b 开发三维特征建模软件有两种方案： ( 1 ) 参数化设计尺寸驱动思想。设计核心思想是用v b 程序操纵实体模型的 变量表数据库。 ( 2 ) 用v b 程序调用s o l i de d g e 的a c t i v e x 几何建模接口。v b 程序用草图、特 征这些三维实体设计对象，实现标准模架的设计。 本课题主要应用a c t i v e x 几何建模接口技术来完成焊接特征建模系统的设计。 3 1 2 参数化造型方法 参数化几何建模方法使用约束来定义和修改几何模型。约束包括几何约束和尺寸约 束。将尺寸约束用变量来表示，以控制变量大小来驱动实体模型的尺寸。这种二次开发 方法简便、易理解、编程量小。目前s o l i de d g e 二次开发的几何造型技术多是这种方法。 如文献【3 0 1 就是利用这种方法来建立了一个三维冲模模架库。南京理工大学的王克鸿小 组，针对车辆的焊接，也采用这种方法建立了车辆通用件参数化造型模块【3 l 】。 3 # 型* 罄零件堪j 二特”的造型 m | 论 参数化造型方法，通常按照f 步骤构造一个儿何体： ( 1 ) 以草 习( s k e t c h ) 方式在s o l i de d g e 的交互式设计环境下，输入一个大致近似的 二维几何轮廓。 ( 2 ) 施加尺寸约束。如图3 l2 1 所小。 ( 3 ) 将草图通过托伸创建实体，拉仲部骤所j j 的厚度值或旋转j 度也可成为尺寸 约束的参数。 滋 谬罗淫徽 学i3l2l参数化j 盘轮廓编辑步螺 ( 4 ) 编qv b 稃 二访参数表柬拧制参数d ：j ! | 1 1 0 入。参数表如国3 222 所j 单元娄型 - i 一剑帮盯 娄型i 显露1 g 弥 i m l o 式 i 显露名称l d l mrv 9 2 23 80 8m d l mrv 9 嚣5 70 0 m d i m r 挤”一t 有m f ? 49 2 m v a tf p l v s l c a l 。t c p e l h e ：；0 0 0 千克伍w j g 度 v _ p h y 优口f r c p c k _ 目精度 一r 二二_ ： 倒3 12 2 参数丧 尺d 驰动程j 1 ：咒键代码为： f o r i = lt o o b j p r o f i l e d i m e n s i o n s c o u n t f o r 狮环，a r - j 纯卉拽艺y , jv 9 2 0v j r - j i f o b j p r o f i l e d i m e n s i o n sh e m ( i ) d i s p l a y n a m c = v 9 2 0f h c n o b j p r o f i l e d i m e n s i o n s 1 c m d ) c o n s t r a i n t = t m e 殴定! h “汁山二j 驱动 0 | 论文 典型焊接件特征造型。0 焊接产品数据管理研究 输入参数值，驱动实际儿何模型的尺寸文受 o b j p r o f i l ed i m e n s i o n si l e m ( i ) v a l u e 。01 e n d i f n e x t i 虽然尺i j + 驱动能够能简便的开发程序，但它适合产品的几何约束不改变，而仅仅是 尺寸改变的几何模型。一旦几何约束多变，这种方法将失效。在3 2 节通用焊接零件特 征造型中的子母管的造型中，将会论述这种方法如何的失效；而在3 3 节坡口特征建模 中，将会论述这种方法同时具有简便性和局限性。 3 1 3 使用s o l i de d g ea c t i v e x 几何建模接口的造型方法 在进行s o l i d e d g e 一次开发时，s o l i d e d g e 作为服务器，为其他应用程序提供接口 访问它的几何结构和拓扑结构，使用这些接口的应用程序被称为客户。 s o l i d e d g e 提供了数以千计的函数，具有丰富的面向对象的建模功能。它们包括2 0 0 多个对象、4 0 0 多个方法、6 0 0 多个参数、7 0 式多个事件、1 0 0 多个接口。这些使用户 可以方便的拓展s o l i de d g e 的功能。 s o l i d e d g e 的对象具有严谨的层次结构，零件对象的层次如图31 31 所示，图中的 第三层列举了本课题的s o l i de d g e 二次丌所用的丰要几何建模对象。装配对象的层次如 图31 3 2 所示。 墨墨墨四墨曩墨 四墨墨露墨置