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模具CAD系统中坐标尺寸自动标注系统研究摘要：模具图纸的尺寸标注是一项费时费力的工作，在标注中通常会出现尺寸线疏密不当，标注不直观，图面繁杂的缺陷。基于这些不足，本文对高效、智能化坐标尺寸自动标注系统进行了研究。着重介绍了该系统智能取点、尺寸线自动生成、防止尺寸线干涉等核心算法，在VC环境下利用ObjectARX进行二次开发的关键技术，以及采用数据链表动态的组织管理图形数据的设计方法。 关键词：坐标尺寸标注；链表；ObjectARX 0引言 近年来，我国在模具CAD/CAM方面的研究中取得了很大的进展，不少高校和科研单位都相继推出了一些模具CAD/CAM系统，但这些系统往往存在着各种不足，其中之一表现在工程图生成方面。因为模具设计最终提供的是完整的工程图纸，它包括正确的视图关系及完备的尺寸标注，技术要求及零件明细表。以一般的中等复杂的级进模系统为例，其图纸工作量往往在100张以上，需花费的工作时间一般在半个月以上。在现有的CAD/CAM中，设计者花在工程图纸部分的时间远大于模具结构设计的时间，其主要原因是在结构设计中，没有考虑图形标注所需的信息，出图部分很大程度上仍然是计算机上的手工劳动。目前国内外大多数企业仍然把二维工程图纸作为设计、施工、检验的主要依据。根据调研的结果，国内冲压模具使用的大多数是基于三视图的二维工程图的产品输入。因而体现CAD系统优劣的一个重要标志，就是其最终能否灵活、方便、省时地生成使用户满意的二维工程图纸。本文主要针对这些问题进行研究，开发出自动标注为主，人机交互为辅的高效、方便的工程图生成系统。本系统基于坐标尺寸标注的方法，在AutoCAD2000平台上开发出的面向实用化的自动标注模块。 1系统的组织与实现框图 尺寸标注一般采用传统的相对尺寸标注和坐标尺寸标注两种方法，图1和图2为传统的相对尺寸标注和坐标尺寸标注方法的比较。坐标尺寸标注是将图形中相对于给定参考定位点的所有结点的X、Y坐标值标注出来，用以反映图形中所有实体的几何尺寸大小的一种尺寸标注方法。当前模具行业已经普遍采用坐标尺寸标注的方法，而AutoCAD本身提供的坐标标注功能存在一定的不足，在标注时需手工逐一选择待标注的点，并人工确定尺寸线位置。本系统针对这些缺陷，一次性选取所有待标注的点，然后自动均匀排布所有标注线位置，实现高效、智能化标注。 图1相对尺寸标注图2坐标尺寸标注整个系统是在VC环境下采用面向对象的编程技术实现。其坐标尺寸自动生成框图如图3所示。图3坐标尺寸自动生成框图标注过程中，系统首先要做的就是先对当前图形进行处理，取得当前零件图中所需标注的实体。AutoCAD优异的开放性使得人们可以查询其内部图形数据库，从而得到组成零件图的所有实体的图形定义数据，这些数据指的是直线的两端点坐标，圆/圆弧的半径值，圆弧的初始、终结角度值，多义线(须进一步分成直线和圆弧两种实体数据)等，经过一定的计算取得零件图中所有要标注的结点集；对已取得的结点集进行过滤排序处理。前面所得到的结点集其内部是杂乱无章的，而且存在着大量坐标值相同的点，必须过滤结点集，去除那些冗余点，使得在零件图上的每个结点位置只标注一次。最后自动生成尺寸标注线。 2系统核心算法 2.1智能化选取点集(参看图3的各种基本实体) 坐标尺寸标注需要处理大量点的坐标，因此，应选择一种能快速得到所需标注的点集的算法。 (1)调用ARX函数acedSSGet()，提示用户选取需标注的实体对象，使系统返回所有需要标注的对象。根据用户的习惯，设置一个预处理的交互对话框，让其选择字高、颜色、标注方向、是否需要对圆和圆弧段进行自动标注等。 (2)定义一个最初的以链表的形式出现的实体数据点集(包含起始点，中心点)，对这些点的X和Y坐标进行排序，得到最初始的Xmax、Xmin、Ymax、Ymin，用以确定标注域的基本范围(根据整体的美观效果一般选择矩形区域)。 (3)调用函数acedSSLength()，获得实体的数目，根据AcRx类提供的函数cast()，把实体分解成圆、弧、线段和多义线四大类。基于规则的过滤掉螺纹线、倒圆角、倒角、切线。下面具体分析： 1)当函数AcDbArccast(pEnt)返回值不为NULL时，生成一个链表形式的圆弧实体数据点集。首先考虑螺纹线的情况，利用扩展数据函数Xdata()对螺纹线进行处理。确定圆弧实体的各种数据点，其方法与上述2中初始链表的定义相同。由于最初形成的标注域只是根据初始链表中的各个实体的属性点比较得到的，而针对圆弧处有其特殊性，除了端点外，圆弧上的有些点可能在已有的标注范围之外，因此就需要比较该圆弧段的矩形区域是否完全被包含在标注域之内，如果没有，则重新定义标注范围，替换掉现有的Xmax、Xmin、Ymax、Ymin。 2)当函数AcDbCirclecast(pEnt)返回值不为NULL时，生成圆的实体数据的点集。选取圆心作为标注点来实现对圆的标注，然后比较圆的矩形标注域和已有的标注域，更新标注的范围。 3)当函数AcDbLinecast(pEnt)返回值不为NULL时，生成一个直线数据的点集。 4)当函数AcDbollinecast(pEnt)返回值不为NULL时，生成多义线的点集。将多义线分成直线和圆弧，分别生成直线和圆弧的链表，逐一访问链表得到多义线的属性点，从而进行标注。由于圆弧段的影响，必须考虑可能出现出界的点，因此要利用多义线的边界点与现有标注域进行比较。直线段则不需要考虑“出界”的问题。这样，最后确定了标注所需的标注域大小。 2.2标注尺寸线的自动生成 当各种点集智能化选出后，就可以定位生成尺寸标注线。坐标尺寸标注所需的定义基准点可以是任意点，亦可以由用户自己定义。若这个点不在所生成的点集中，则将其加进点集中。标注线有三种标准(分为长、中、短)，给用户默认的是短的标注线(即从边界点引出的标注线的长度，这是一个定值)。在对话框中给用户定义出四个标注方向(分为上、下、左、右四个方向)，其分向算法为： (1)从智能化选取的点集中得到Xmax、Xmin、Ymax、Ymin。以此设想出一个矩形标注域(标注时不画出)，坐标标注线都从这个域引出。这个假想矩形对角线的交点，即为标注域的中心点(Xmid，Ymid)。 (2)考虑到用户的习惯，在点集的分类时，首先分成水平和垂直两个大类。如果用户选择标注只有两个方向，就直接标出，否则就转入(3)和(4)。 (3)将所得到的水平点集中的点与中心点X坐标比较。当XXmid时，标注的引线方向朝右，当X(4)同理，将垂直点集中各点与中心点的Y坐标比较，得出向上和向下的分向。 通过这个算法，我们将已有的各种点集进行最后的点集分类，水平方向分为向左和向右的点集；垂直方向分为向上和向下的点集。以水平点集标注线生成为例说明算法，其它相同。下面是其算法： (1)从线性点集中取点，动态分配一个空间，定义一个头指针指向第1个结点，使之作为链表的第1项。 (2)取第2个结点的X坐标与第1个结点的X坐标进行比较，如果两点坐标值的差值小于定值(如0 001mm)，就可以认为是相同点，则放弃当前结点转到下一结点，否则就添加进水平点集中。 (3)将所取点的坐标值与已有的链表中点的坐标逐一进行比较，排除相近的点。 (4)对点集中的点进行排序，逐一访问链表，当第2项比第一项的坐标值小时则交换位置。表中其余项依次后移，最后生成一无重复项的从小到大的有序链表。 定义一个生成标注线的函数。根据标注的统一标准，设置文本高度、文本与标注线以及文本与标注线端点的间隙值、文本标注方向等标注特性，调用这个函数遍历这些点集中的结点作出尺寸线。顺便强调一下，尺寸线画出后还可以对其位置进行调整。 2.3防止尺寸线干涉的优化方法 在零件图的尺寸标注中，当两条尺寸线的距离小于字高与间隙值之和时，就会发生干涉。为此，可采取相关的优化方法对其调整： (1)在链表中逐一取点的同时，将当前标注点的坐标与上一次标注尺寸线的点的坐标值进行比较，如果小于一个字高加文本与尺寸线的间隙值之和，则转入3；否则转入2。 (2)直接标注当前结点，即尺寸线与坐标轴平行，记录标注尺寸线的终结点。 (3)调整标注，使之满足当前标注尺寸线与上一次标注尺寸线的距离大于一个字高与间隙值之和。 2.4精度及公差设置 一个完整的标注系统除了尺寸线的标注外，还应有公差及精度的设置。为此，提供一个常用的公差模块，让用户自己添加。 由于在智能化取点模块中定义一个点的时候，除了点的基本几何数据外，还同时定义了一个关于精度的辅助数据(一般定为0 001mm)，因此在对点进行处理时，就可以同步对精度进行操作。设置一个对话框，让用户自己进行修改，根据其选择，在模块中设置所需的精度。以图2为例，本系统最终生成的标注图如图4所示。图4标注系统最终生成图3结论 本系统采用友好的用户界面，可操作性强，用户只需根据需要进行简单的参数选择和输入，便可以完成尺寸的坐标标注。系统稳定可靠，用户在操作过程中，可以根据需要进行参数的自主设置，提高了用户的主动性，满足了不同用户的不同要求。但对一个完整的工程图来说，自动标注除了尺寸线自动标注、公差及精度设置外，还需要标题栏与OM表的自动生成，将另文撰述。实施以多工序加工为代表的自动化能够大大缩短模具的交货周期，具体措施包括减少工序间的辅助工作，提高标准化程度和协调各个有关工序模具制造厂在许多方面典型体现了金属加工技术和操作范围的广度，他们加工的零件大多只有一次成功的机会，而且由于模具的交付周期日趋苛刻，他们必须使出浑身解数直对时间的压力。典型的模具厂涉及铣削、钻孔、坐标镗孔、车削、磨削、EDM及热处理，这是制造模芯和模腔所需要的几个工序。经过模具厂制作的每件模具各不相同，需要模具厂不断地分析估计自己的加工能力，却几乎或者毫无比较基准。一般说来，模具厂把各个操作看成生产线上彼此独立的工序，工件随着逐道工序通过加工车间，很象“流水作业”。有些工件需要经过模具厂的全部工种，另一些工件可能只需要现有加工能力的一小部分。在这种生产方式下，自动化普遍被视为约束工作流程灵活变化的羁绊，而模具厂必须保持操作工序的灵捷可变性。在加拿大多伦多市的UniqueMouldMakers，我们发现了重新审视“自动化适合于大批量生产”之成功秘诀的模具厂，本文看看他们在理顺、简化模具生产方面作了哪些工作，该厂采用自动上下料的组合机床加工包装盖和包装盒的模具，他们的经历很独特。产品许多成品看上去非常简单，往往令它们背后的技术黯然失色。例如包装罐用的塑料盖、螺旋盖、儿童安全药瓶盖以及其它任何塑料盖，几乎都不会得到用户的注意，除非它们不好使。UniqueMouldMakers开辟了良好的业务并制造技术复杂的模具，他们的复杂模具使用户几乎或丝毫不理会封盖包装物的最终产品。UniqueMouldMakers生产多腔模具，同一组模具的模芯和模腔有96个之多，各个模具的模芯和模腔数量变化不定，生产批量也变化无常。每个模芯和模腔可能包括五、六个不同的零件，注塑加工塑料盖的循环时间大约是8秒钟。同大多数模具厂一样，Unique制造的产品规格齐全，从比较简单的模具（在模具打开的同时顶出模塑件盖子），到复杂的可拆卸模具（由机械或液压传动使模芯与盖子的螺纹分离。）每套模座上的模芯和模腔都非常关键，合模时它们合在一起，从而产生瓶盖或盒罩。该模具厂基本上有两条并行的生产线，可以在加工模芯和模腔的同时加工模座。每件模具通常有一个模座，因此模座很少阻碍生产流程。相反，模芯和模腔由于数量随模具变化不定并且比较复杂，体现了Unique改进生产能力的极大潜力。棘手问题在UniqueMouldMakers服务的市场上有一条最重要的真理：缩短交付周期是加盟“大模具厂商”行列（如同客户定义的Procter和Gamble、LeverBrothers以及Kraft等等）的头号使命。“我们的客户不喜欢等待，”Unique总裁TonyGrossi说，“这些大公司一旦决定在某种包装上采用新的盖子或盒子，便希望尽快制造出来。假如我们不能够为这些公司及时地提供良好的模具，别人就会提供。事情就这么简单。”两三年前，Unique对自己的生产运作进行了不容怀疑的分析，和大多数模具厂一样，每个模具部件的加工须从一台孤立的机床转到另一台孤立的机床。加工复杂模芯和模腔时，车、铣操作成了细脖子环节。在速度较快的车削循环和比较慢的铣削和钻孔工序之间也存在顾此失彼的老问题。另外还有工件两次装卡和调整两台机床的麻烦，在车床和加工中心之间来回转件耗费了宝贵的交付期限。CNC工段段长WillHaire说：“任务送到加工车间时，有许多工时分配给车铣组，如果车铣进度落在后面，我们就必须转包或者加班才能跟上整个生产进度。以前我们大约转包30%的车铣工作量，太多了。”摆脱车铣瓶颈因为Unique模芯和模腔是圆形的，车削在加工中的作用很大。另外为了配接冷却管线，每个模芯和模腔需要钻一定数量的精确孔，其中有些孔是斜的，因此至少需要4轴加工。Grossi说：“我们开始分析车铣工艺时，基本上提出了三个解决车铣瓶颈的方法。第一个也是最显而易见的，就是直接增加车铣能力。第二个方法是采用带有活动刀架的车削中心。第三个选择是以MazakIntegrex系列为代表的多工序机床。我们选择了第三个途径。”根据Grossi及其生产人员估算，添置铣床和车床只会加剧工序间已有的瓶颈问题。尽管车削/铣削能力当时接近工厂的需要，但是由于转塔刀架的刀具容量欠缺，不足以进行无人照看的全自动加工。该厂去年5月收到第一台Integrex机床，这台机床的刀具容量为40个，可根据需要组合车刀和铣刀的数量。多工序机床给Unique带来的结果是把车铣工段工序间的准备工作几乎减少到零，该机床是一台具有车削功能的加工中心。毛坯进入机床，出来的便是加工好的零件，只需要一次装卸，工件自然而然地通过机床，几乎或根本不需要操作人员的干预。由于工件一次装卡，所以尺寸精度比较高。大部分模芯和模腔从原始状态开始加工，然后从铣床/车床到热处理。磨削在淬火后进行，“我们用这些新机床达到了加工精度的一致性，因此可以减小零件的磨削余量。”Grossi说。Unique所用的这类多工序机床在模具制造厂比较罕见，更为少见的是该厂去年10月安装的两台Integrex双主轴、自动上下料机床。Grossi回忆说：“我们安装第二台和第三台多工序机床时，不止一个员工感到疑惑批量一般只有2436件，为什么机床还装有龙门式的自动上下料机构？”除了减少工序间的辅助工作以外，Unique已经实现的节约还包括机床的设置时间，现在不再是为了装卡同一个零件而调整一台车床和一台加工中心，而是让一台多工序加工机床准备就绪。准备工作包括适当调整自动上下料器的抓爪以及主轴、辅助主轴的卡盘，正确选择刀库的刀具组合，并选择程序。Unique添置机床仅有几个月，因此程序设计在准备时间上占了最大的一块，通常要用3个小时，多半时间花在程序输入上，程序输入在加工现场进行。后台程序设计有益于提高效率，使操作人员能够在运行一个程序的同时输入另一个零件的程序。Haire先生深信，随着CNC经验的增加和程序数据库的建立，编程时间定会明显减少。通过标准化提高灵活性Unique很快便认识到，多工序处理不仅仅是一个加工站，而是关系到机床上下工序的全部机加状况。Unique组合模具的大多数模芯和模腔是用棒料切割的毛坯，材料为H-13和420不锈钢、D2钢及铍铜合金。目前该工厂存储6种不同规格的棒料，直径范围大概是1.57英寸。“我们希望把仓储的棒料规格从现有的6种减少到3种，”Grossi说道，“这样做的好处是能够减少上下料机构所用的抓爪和卡盘卡爪的套数，以简化装卡工作。这样还可节约材料采购费，因为我们可以购买比较大的批量，同时也能简化原材料的库存管理。”他接着说：“除此之外，尽管某些零件的切削量可能比较大，但是总体的节约足以补偿额外增加的一点儿切削时间。我们不断学会根据所有零件的总和、而不是累加彼此孤立的时间单元来考虑我们的制造工艺。”这对工作进度的安排也有影响，Haire说：“如今当我们作运行准备时，我们会着眼于下一项任务并尽量调整计划，以便让一族零件迅速流经机床。连续加工几何尺寸相似的零件可以节省更换时间，并有利于保持较高的主轴使用率。这种方式使我们区别对待不同的作业计划。”刀具标准化是实现大幅度节约的另一个方面，由于刀库有40个刀位，Unique技术部门正在考虑采用标准刀具柜进行加工的方法。Grossi说：“我们要求工程师们以圆弧半径和冷却液注孔为例进行量化分析，证明标准化尺寸非但不会影响模具的性能，反而能够对模具的可加工性产生积极的影响。”效果在效果方面，添置多工序加工机床为工厂带来了额外的加工能力，Unique原先使用的全部车床和铣床现在可以用来加工其它零件。Grossi说：“过去为了赶进度必须对外转包的工作，现在我们基本上能够完成，必要时在专用车床和铣床上加工，这使2030%的车铣任务重新回到我们的直接控制之下。当然，只要需要，我们依然可以转包。”Unique改进车铣操作之前，模具交付周期一般为20至24周。“我们使用多工序加工机床完成的第一套模具比报价提前3个星期交付。”Grossi说，“紧接着的一项任务又提前了3周，所以我们考虑把报价的交付周期缩短到16或18个星期，这对我们的业务是很好的新事物，因为交付周期已经成为首当其冲的驱动力。”另外，由于基本上避免了转包加工，制造成本也在减少，Unique除了根据客户的要求定制模具以外（定制模具占其业务量的90%），始终在考虑增加标准模具的加工量。Grossi说：“降低制造成本使我们更富竞争力，并为我们开辟了新的潜在市场。”制订计划一年前车铣操作还是生产上的制约环节，采用多工序机床以来，这些操作的生产量很快得到3050%的改进。现在，制约生产的环节是磨削工序，Unique也在利用新机床解决这个问题。正如Grossi所说，“我们已经看到车铣加工能力的改进，目前正在全厂查找生产上的细脖子。在改进磨削操作后，我们将着眼于下面的EDM工序。激光束加工机也许可以较快完成现有EDM所加工的任务。我们的目标是缩短模具的交付时间。”Grossi预计在不久的将来还会发生一些改进，这就是在多工序机床上采用“硬车铣”技术。“我们先加工原始状态的模芯和模腔，然后把它们送出去热处理，零件经过热处理之后再磨削。切削淬硬状态的零件可以避免工序之间进行热处理的周转时间，从而缩短整个流程。”该厂已经实现以多工序加工为代表的自动化，并且在经营中取得了很好的效果，这是Unique在极其严峻的市场环境下赖以竞争的利器。了解该模具厂如何制造产品很重要，知道哪些产品使得该模具厂趋于本行业之首同样重要。多工序加工纵横谈机床基本上朝着多工序的方向发展已有相当一段时间，加工中心是其中一例。加工中心借助于换刀装置，可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝及其它操作，而在过去每种操作分别属于不同专用机床的加工范畴。同样，装有活动刀具的车削中心除了车削以外也可以切削键槽、钻中心孔并进行其它中心型切削操作。然而车/铣机床都受到转塔刀架刀具容量的限制。Mazak和其它几个机床制造厂商提出了制造所谓新型机床的思想，这些新机床取消普通的转塔刀架，代之以可供换刀装置存取刀具的枢轴结构，这样基本上难以区分机床的操作种类。新机床本质上是安装在多工位数控车床床身上的加工中心，其主轴在伺服控制下提供5000rpm车削和分度式外形加工双重功能。主轴中心线上还有一个辅助主轴，使工件可以脱离主轴并接受反向切削。铣刀轴以10马力电机带动刀具，刀杆转速6000rpm。铣刀轴托架上的Y轴具有完满的3向控制能力，与此同时，倾斜轴和外形加工C轴为机床附加了第4和第5轴切削功能。支持开发这些机床的总体思想很简单次装卡工件并在工件的各个侧面完成车、铣、钻孔和攻丝操作。有些机床正在采纳多工序加工的原理，除了车铣以外还包括磨削和利用激光器局部淬硬等操作。在金属加工方面，实际的用途主宰着工艺技术的选择。无论如何，多工序加工机床这一理念越来越引起Unique及其它模具厂的注意