楊 釩 於時(shí)才 黃建龍

（①蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050;②蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模式中，CAD系統(tǒng)注重產(chǎn)品的機(jī)械性能和幾何造型方法，而對表面粗糙度、公差等要求只作為標(biāo)注信息來處理，這就導(dǎo)致在進(jìn)行CAPP、CAM時(shí)，需要重新進(jìn)行零件信息（包括幾何特征）的輸入。這樣不僅大大降低了工作效率，而且不利于向CAD系統(tǒng)反饋可制造性評價(jià)，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的。

為了解決上述問題，國內(nèi)外研究者也做了大量的工作;黃燁［1］研究了CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法;劉宏軍等［2］研究了 CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)中圖形數(shù)據(jù)庫開發(fā)的若干問題，慈建平等［3］編制了基于特征建模及特征映射CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng);其他一些研究者也對此做了深入的探討［4-7］;但產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程與企業(yè)加工工藝及設(shè)備密切相關(guān)，就目前來說，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)能通用于各個(gè)企業(yè)的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)。因此，根據(jù)企業(yè)實(shí)際，從若干個(gè)典型零件入手，設(shè)計(jì)適用于本企業(yè)的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)也是現(xiàn)階段一條切實(shí)可行之路。為此，本文從實(shí)用的角度出發(fā)，以某企業(yè)電動機(jī)軸的生產(chǎn)過程為研究對象，開展基于特征建模的電動機(jī)軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的研究。

1 電動機(jī)軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)特征的表達(dá)方法

本系統(tǒng)使用目前被認(rèn)為最適合于CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的基于特征建模的產(chǎn)品表達(dá)方法，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造各階段的不同需求來描述產(chǎn)品，能夠完整地、全面地描述產(chǎn)品的信息，各應(yīng)用子系統(tǒng)可以直接從該零件模型中抽取所需的信息，使得零件在整個(gè)計(jì)算機(jī)集成制造中實(shí)現(xiàn)信息采集、傳遞和加工過程的暢通無阻。

不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的企業(yè)，其產(chǎn)品特征的抽象及分類方法各有不同。通過分析電動機(jī)軸類零件的設(shè)計(jì)及工藝信息，可將構(gòu)成電動機(jī)軸的特征分為4大類:（1）形狀特征:與描述零件幾何形狀、尺寸相關(guān)的信息集合，包括功能形狀、加工工藝形狀及裝配輔助形狀;（2）精度特征:描述零件幾何形狀、尺寸的許可變動量的信息集合，包括公差（尺寸公差和形位公差）和表面粗糙度;（3）技術(shù)特征:描述零件的性能和技術(shù)要求的信息集合;（4）管理特征:與零件管理有關(guān)的信息集合，包括標(biāo)題欄信息（如零件名、圖號、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期等）。其中，形狀特征是最基礎(chǔ)同時(shí)也是最重要的因素，是其它輔助特征的載體。針對電動機(jī)軸類零件的形狀特征如圖1所示。

為了在系統(tǒng)中準(zhǔn)確、簡潔地實(shí)現(xiàn)基于特征的電動機(jī)軸類零件的建模，本文將電動機(jī)軸類零件的特征模型用面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的類來描述。這是因?yàn)榛谔卣鹘５漠a(chǎn)品表達(dá)方法具有高度抽象的對象化屬性，表述了對象的群體特征，這一點(diǎn)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)中類的功能是相同的;用類來表達(dá)特征能很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抽象和代碼抽象［8］?；谶@種方式，電動機(jī)軸類零件的所有特征可封裝為形狀特征、精度特征、技術(shù)特征、管理特征等幾大類，每個(gè)大類各包含若干個(gè)子類。軸上的每一個(gè)軸段是一個(gè)類或多個(gè)類派生出的特殊類的實(shí)例;例如帶有鍵槽的軸段就是通過多重繼承方式由外圓柱面類和鍵槽類派生出來。經(jīng)過這樣封裝，就可以確定出特征的坐標(biāo)、尺寸、精度和拓?fù)潢P(guān)系等特征，建立滿足CAD/CAPP/CAM集成的信息模型，使系統(tǒng)具有了良好的可擴(kuò)充性和清晰的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2 電動機(jī)軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動機(jī)軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)基于Auto-CAD，使用objectARX二次開發(fā)工具編制而成。采用模塊化的結(jié)構(gòu)，主要由數(shù)據(jù)處理、CAD、CAPP、CAM等子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)中包含若干個(gè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的模塊。其中數(shù)據(jù)處理在整個(gè)系統(tǒng)中起著一個(gè)橋梁和紐帶的作用，自上接收CAD子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊中采集的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)格式保存在設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)庫中;向下將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)提供給CAD、CAPP、CAM子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙的自動繪制，加工工藝的自動編制以及數(shù)控加工代碼的自動生成等功能，為保證數(shù)據(jù)在各子系統(tǒng)中暢通無阻地傳輸起著至關(guān)重要的作用［9］。另一方面，CAD、CAPP、CAM 等子系統(tǒng)之間沒有直接的信息傳遞，所有數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)中心接受和發(fā)送，這樣的設(shè)定可確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可擴(kuò)充性等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

3 各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 CAD子系統(tǒng)部分

CAD子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件特征信息的采集、保存、編輯，完成零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝信息的收集并生成圖形文件。

3.1.1 設(shè)計(jì)、工藝信息的收集

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊中并不是將零件視為一個(gè)孤立的個(gè)體，而是將它作為整個(gè)產(chǎn)品中的一個(gè)組成部分。設(shè)計(jì)過程中根據(jù)與各軸段有密切關(guān)聯(lián)關(guān)系的其他零部件信息，自動計(jì)算出該軸段的結(jié)構(gòu)、粗糙度、尺寸公差及形位公差等相關(guān)參數(shù)，并將其作為設(shè)計(jì)信息的組成部分賦予該軸段。通過這種方式，系統(tǒng)就可以完整地獲取系統(tǒng)所需的所有數(shù)據(jù)，同時(shí)也提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)范性、減少人為錯誤的出現(xiàn)。

上述過程同樣利用類的方法來完成，將配合特征封裝后運(yùn)用類與類之間的關(guān)聯(lián)特性就能實(shí)現(xiàn)。例如與軸承配合的軸段的尺寸公差、形位公差等參數(shù)都由與之配合的軸承來確定。這時(shí)就可以利用預(yù)先定義好的軸承類與軸段類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系確定出相關(guān)參數(shù)。

3.1.2 圖形處理模塊

本系統(tǒng)在CAD階段基于上述特征模型，采用特征拼裝方式繪制出零件的形狀特征。

這種方法的繪圖基本單元是參數(shù)化的幾何形狀特征（如圓柱面、倒角、鍵槽等）以及輔助特征（如精度特征、管理特征等），而不是通常所用的點(diǎn)、線、面等要素。應(yīng)用這種方式繪圖時(shí)，不是一條線一條線的繪制，而是系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自動調(diào)用基本繪圖單元，依照拓?fù)潢P(guān)系一個(gè)特征一個(gè)特征地進(jìn)行繪制，拼裝出所需的對象并標(biāo)注尺寸、公差以及粗糙度等輔助特征。本過程不需人工干預(yù)，在完成設(shè)計(jì)、工藝信息的收集的同時(shí)也就自動生成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖。同樣各個(gè)繪圖單元也采用類庫封裝，利用類的繼承、關(guān)聯(lián)等屬性完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖的繪制。

3.2 CAPP子系統(tǒng)部分

零件的加工工藝路線規(guī)劃是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，而目前基于人工智能技術(shù)的CAPP系統(tǒng)還并不成熟，很難直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。因此，為簡潔、高效地完成零件加工工藝路線劃，本系統(tǒng)將其劃分為2個(gè)步驟:特征加工鏈規(guī)劃和零件工藝規(guī)劃。

3.2.1 特征加工鏈規(guī)劃

特征加工鏈規(guī)劃通過建立基于特征的零件工藝數(shù)據(jù)模型的方法實(shí)現(xiàn)。這里的特征是指按不同的加工方式來分類的單元特征，如外圓表面、鍵槽及倒角等。

一般來說，企業(yè)都有一套成熟的加工工藝。因此，上述每個(gè)加工特征都對應(yīng)著一組特征加工鏈，一個(gè)特征加工鏈由若干個(gè)加工工步按一定順序組成;每個(gè)特征加工鏈所包含的加工工步由特征類型、尺寸、精度及表面粗糙度等眾多數(shù)據(jù)綜合決定的，而所有這些數(shù)據(jù)都由CAD子系統(tǒng)收集，為了能使CAPP系統(tǒng)直接調(diào)用這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在對特征進(jìn)行封裝時(shí)充分考慮到CAD/CAPP集成的需求，將特征定義為組成零件最基本的單元，讓設(shè)計(jì)特征和加工特征具有對應(yīng)的關(guān)系，使得設(shè)計(jì)階段得到的數(shù)據(jù)可直接成為加工特征的屬性。根據(jù)這些屬性，依照一定的約束條件從預(yù)先建立的加工工藝數(shù)據(jù)庫中匹配出特征的加工鏈，即可建立起特征與加工方法、刀具及設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.2.2 零件工藝規(guī)劃

為了快速完成零件工藝規(guī)劃，本工作采用檢索典型工藝路線樣件的方法實(shí)現(xiàn)。

預(yù)先收集、整理企業(yè)內(nèi)部典型電動機(jī)軸類零件加工工藝，以此為依據(jù)建立典型電動機(jī)軸類零件加工工藝樣件文件。

樣件的制定不依賴于已有的大量零件圖及其工藝規(guī)程，而只要對企業(yè)現(xiàn)有的典型電動機(jī)軸類零件進(jìn)行分類，并就每一類制定一個(gè)或若干個(gè)樣件，編出其標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程。

具體零件的工序只需將零件的特征與典型工藝路線樣件進(jìn)行匹配，即可快速地得到具體零件的加工工藝路線。企業(yè)可以隨時(shí)將新制訂的樣件加入工藝樣件庫中，從而大大增加了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。

3.3 CAM子系統(tǒng)部分

CAM子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)零件加工工藝中可編程加工部分?jǐn)?shù)控加工代碼的編制，并模擬其實(shí)際加工過程等功能［10］。

本系統(tǒng)基于特征建模，零件從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃到自動編程都使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，保證了數(shù)據(jù)在各子系統(tǒng)中暢通無阻地傳輸，可以更好地實(shí)現(xiàn)從可編程子工藝路線到具體加工代碼間的轉(zhuǎn)換。

CAM子系統(tǒng)的自動數(shù)控編程包括車外圓、車螺紋、車端面、切槽和鉆孔等。每個(gè)特征加工方法在加工工藝都對應(yīng)著若干個(gè)加工工步，而在數(shù)控編程中每個(gè)特征的加工則對應(yīng)著具體的加工代碼算法，對這些工步進(jìn)行統(tǒng)一封裝，編程時(shí)直接調(diào)用CAPP階段生成的工藝數(shù)據(jù)，逐條轉(zhuǎn)換可編程零件子工藝路線、自動計(jì)算所需參數(shù)，生成刀具軌跡并最終編制加工代碼及數(shù)控加工仿真。

電動機(jī)軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)主界面如圖3所示。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行證明，本系統(tǒng)能滿足企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的要求，并且具有良好的擴(kuò)充性，為企業(yè)逐步擴(kuò)展CAD/CAPP/CAM集成的范圍打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

針對企業(yè)具體實(shí)際情況，建立準(zhǔn)確、實(shí)用的零件特征模型，充分收集整理企業(yè)已有的工藝知識，建立符合企業(yè)現(xiàn)有制造環(huán)境和制造技術(shù)水平的電動機(jī)軸典型零件工藝文件等必要的信息;利用AutoCAD強(qiáng)大的繪圖功能以及二次開發(fā)環(huán)境，編制符合設(shè)計(jì)人員、工藝人員日常工作習(xí)慣的電動機(jī)軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)，使CAPP階段可以直接接收設(shè)計(jì)人員在CAD階段提供的零件形狀特征、精度特征等，生成零件加工工藝，并在CAM階段根據(jù)上述信息自動編制相對應(yīng)的NC代碼，使電動機(jī)軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)成為真正貫穿設(shè)計(jì)、工藝、制造各個(gè)階段的實(shí)用工具。

［1］黃燁.CAD/CAPP/CAM/CAE系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法［J］.裝備制造技術(shù)，2009（12）:54-56.

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