面向CAD-CAPP集成的零件信息描述方法的研究.doc

面向CAD/CAPP集成的零件信息描述方法的研究 宋爱平1,2， 张军2 (1.东南大学 机械工程系，南京,210096 ； 2.扬州大学 机械工程学院，扬州，225009)摘要：零件信息的描述及其数据的处理过程是实现CAD/CAPP集成的关键。文中论述基于特征的零件信息描述方法，对于回转体零件以形体特征描述为主导，对于箱体零件以基于零件典型实例的特征形面描述为依据，从而为实现 CAD与CAPP的顺利集成奠定基础。本文在分析基于实例和特征的零件信息描述方法的基础上，结合具体的应用系统阐明该方法的应用过程。 关键词：形体特征，典型实例，集成，CAPP 中图分类号：TH1631 引言CAPP接收零件信息的理想方式是CAPP与CAD集成，然而由于二者研究的侧重点不同，造成CAD与CAPP难以实现数据交换。对CAD系统而言，最重要的是“几何形状信息”，而在CAPP中最重要的是“加工信息”，零件信息要以加工特征为单位来标识。由于几何特征与加工特征之间存在较大区别，如何实现CAD与CAPP间的信息交换是实现CAPP与CAD集成的关键1。零件信息的描述方法及其零件特征数据的处理是实现CAD/CAPP集成的关键1。为了实现 CAD与CAPP的集成，在本文中论述的方法是零件信息（几何信息和工艺信息）由输入子系统接收并转化为工艺设计系统能识别的代码形式，从而解决工艺生成所需的零件信息。在对不同类型零件的信息描述方面，回转体与非回转体采用不同的方式：回转体以零件加工单元（形体特征）分解法分段输入，根据各形体单元基于轴线的位置关系组成图形；非回转体形状复杂，无法仿效回转体以轴为基准将空间三维简化为二维，就运用成组技术原理，零件按相似性分组，分组建典型实例，由典型实例图形引导零件整体结构信息和各形面特征的输入。 2回转体零件的信息描述与处理21 形体特征分解零件形体要素就是指零件上一个相对独立的单元功能体，它一般是由几个简单的形面构成2。为了方便地绘制零件图形，描述零件工艺信息，对于纷繁复杂的零件形式，首先从中归纳出为数不多的典型形体，再构造相应的形体绘图函数及形体特征描述函数。在回转体零件中众多复杂的零件图形都是由有限的简单形体构成，相反，用几种简单的基本图形可以拼合成多种复杂的零件图形。但是在CAPP系统中图形的分解除了受零件信息输入方式的限制外，还要考虑别的因素： 零件图形的分解不仅考虑零件的几何形状，而且要顾及零件视图上各部分的功能，每块都应能构成一个相对独立的单元功能体； 零件图形的分解要避免零件信息的重复输入，但也不能有遗漏； 零件图形的分解还要考虑拼合处理过程尽量简单，编制程序容易实现。如图1齿轮传动轴 图形可分解为下面六个单元功能体（形体）。 图1 齿轮传动轴形体分解 综合众多零件的形体特征，对于轴类零件归纳出如表1的形体特征图：形体名称简图基本形面柱体ZM柱面内孔倒角面退刀槽带键槽柱体ZJ柱面，内孔倒角面退刀槽键槽径向孔带左过渡圆柱体ZG柱面，内孔倒角面退刀槽,键槽过渡圆半径径向孔带右过渡圆柱体ZY柱面，内孔倒角面退刀槽，键槽过渡圆半径径向孔左向锥体VZ柱面，内孔倒角面退刀槽径向孔锥度右向锥体VY柱面，内孔倒角面退刀槽径向孔锥度 带螺纹柱体ZL柱面，内孔倒角面退刀槽径向孔螺纹面带齿轮柱体ZC柱面，内孔倒角面退刀槽径向孔齿轮带花键柱体ZH柱面，内孔倒角面退刀槽径向孔花键带蜗杆柱体ZW柱面，内孔倒角面退刀槽径向孔蜗杆 表1 轴类零件的形体特征 22 零件形体特征描述及零件图形的绘制图2 形体特征的描述界面针对上面描述的轴类零件的特征形体，需逐一编制相应的形体特征描述程序及零件图形的绘制程序。本系统在开发过程中选择了目前应用广泛的AutoCAD作为绘图环境，通过AutoLISP图形开发工具和DCL工具，编制形体特征描述及零件图形的绘制程序。图2是描述柱体特征的界面，所有描述数据将存储在零件特征数据文件中，用于零件图形的自动绘制和CAPP的工艺设计。 描述及绘制轴类零件的程序流程图如图3： 确定零件绘图比例和绘图基点 选择零件右端特征形体并输入其特征参数 将该段形体特征数据记录于零件特征数据文件中 绘制右端特征形体图形并标注尺寸 选择零件下一段特征形体并输入其特征参 计算下一段特征形体的绘图基点 绘制特征形体图形并标注尺寸 将该段形体特征数据记录于零件特征数据文件中 完成各形体的描述？ N Y 编辑零件图形 保存图形文件 图3 描述及绘制轴类零件的程序流程图在CAPP系统中，不仅需要零件的几何信息，还需要零件的工艺信息。以上阐述的形体描述程序不仅能绘制零件几何图形，同时可以将零件的几何信息和工艺信息以一定的格式存储在数据文件中。零件特征数据文件中存储着齿轮传动轴的特征描述数据如下 ：&03135353*ZM=D40.0=L46.0=Th6=A0.16=H240*DJ=L2.0*TC=D36.0=W4.0* &03135353*ZM=D60.0=L60.0=Th9=A6.30=G6.0* &03135353*ZM=D100.0=L50.0=Th7=A3.20=H240*DJ=L3.0*DJ=R3.0*TC=D65.0=W5.0*CL=M2.5=Z40.0=Th7=Q0.0* &03135353*ZM=D70.0=L75.0=Th7=A0.16=H240*DJ=R2.0*TC=D45.0=W4.0*JC=L40.0=W8.0=Th7* &03135353*ZM=D50.0=L46.0=Th6=A0.16=H240*DJ=R1.0*TC=D32.0=W3.0* &03135353*ZM=D36.0=L30.0=Th7=A3.20=H240*DJ=R1.0*LW=M36.0=Z1.0=Th7=S2.0*通过这一数据文件，就可以实现CAD与CAPP的顺畅衔接。对于盘套类零件也可归纳出一些类似的形体特征，用于盘套类零件的信息描述和工艺设计。3箱体类零件的信息描述与处理 31 箱体类零件的信息描述由于箱体类零件结构的复杂性，不可能归纳出为数不多的特征形体。目前常用的基于特征形面的描述也难以全面、准确地描述零件的整体结构及各形面之间的关系；同样基于零件几何拓扑信息的描述也过于繁琐，表面特性难以表达，不便于工艺分析与推理4。因此本文提出了基于典型实例的特征形面描述法。该描述法包含二层含义，第一是零件整体结构的的定义和描述；第二是依附于零件整体结构下的各形面的描述。对于零件整体结构的描述主要依据成组技术原理，零件按结构相似性分组，每组建立一个典型实例图，由典型实例图引导图形参数的输入；对于零件各加工面及其包含的功能面的信息描述仍采用特征形面描述法，将箱体中常出现的形面归纳起来，建立各个特征形面描述函数，各形面的描述都是在实例图的引导下进行，这样也便于描述各形面的位置及其关系，保证零件信息的完整描述，从而方便于箱体零件的图形绘制及其工艺设计。32 基于零件典型实例的特征形面描述法建立该描述法要从二个方面入手，一方面是零件典型实例的建立；第二方面是特征形面的归纳与处理。零件典型实例的建立是以成组技术为指导思想，按照零件的整体结构特点分组，主要考虑加工件的定位与夹紧方式的不同和零件总体加工方案的差异，而不过细的分析加工面的个数及加工面上包含的特征形面的不同，这样就可以较粗的按照零件的整体结构差异进行分组，每组制定一个典型实例，建立描述方案，从而以较少的典型实例包容较多结构不同的具体零件。如图4 为一个典型实例图，图5中的几种图例都可以依据图4的描述方案输入整体结构参数及各形面特征。图4：典型实例图 图5：与A图描述方案一致的图例 零件整体特征的描述采用成组编码系统描述，该编码系统主要用于描述零件的整体结构及其主要属性，各加工面上包含的功能面在编码系统中忽略，从而简化了编码系统和编码系统的使用过程。编码系统的总体结构如表2。 码位 一 二 三 四 五 六 七 八 零 零 主 零 回转体 件 件 要 件 最 最 材 毛 类 类 外 定 大 高 料 坯 别 别 部 位 长 精 分 分 非回转体 粗 细 特 方 度 度 类 类 分 分 征 案 表2：编码系统的基本结构该编码系统是为了识别零件的整体结构的相似性而建立，其目的是辨别零件的整体形状特征和加工条件，因此不需要较多的码位，但为了有较好的辨认能力，要求越前面的码位其反映不同的零件整体形状特征及加工条件的能力越强5。特征形面主要用于描述各加工面上的孔、面、槽等功能面，它是在实例图的引导下进行。箱体零件中主要包含的特征形面如图6。箱体零件 特征形面零件整体结构特征 (实例)直槽半圆槽T形槽U形槽V形槽通孔沉孔台阶孔螺纹孔锥孔销孔其他功能形面槽面孔编码系统倒角倒圆凸台面其它面平面柱面锥面曲面 图6： 箱体零件的特征形面图7： 箱体零件信息描述界面图7是箱体特征的描述界面，该零件的编码为31433352 ，通过相似性识别该零件的描述方案与该图例相似，这样就可以在该图例的引导下输入编码为31433352 的零件信息。零件上的多个加工面及孔等形面将逐个描述，其描述数据自动存储在零件特征数据库中，供工艺分析使用，同时传递给参数化的图形绘制程序，实现图形的绘制。从而实现箱体类零件的CAD/CAPP的集成设计。4总结 针对回转体零件和箱体零件，分别采用基于零件形体特征的描述法和基于零件典型实例的形面描述法。这二种方法都是以零件特征为基础，以特征图例引导零件的几何信息和工艺信息输入，将零件的整体结构信息和局部形面信息综合处理，局部特征形面依附于零件的整体结构。这样在工艺设计时，就可以在零件整体工艺方案的基础上处理零件特征形面的加工工艺方法，而不是孤立的分析各形面的加工工艺。以上所论述的零件信息输入法以应用于KYCAPP系统，该CAPP系统已在多家机械制造企业使用。该描述法直观、简明、通用性强。在构造该描述法时，加上零件的特征重构和扩充功能，将大大提高CAPP系统的通用性。主要参考文献：1 孙大涌 主编 , 先进制造技术 , 机械工业出版社M 2000.2 2 郧建国、吕一鸣 , 基于面向对象技术的箱体零件CAPP系统的特征描述法J, 机械工艺师 2001.4 ， 17203 邢建国、谭建荣, 实例检索策略及其在减速器零件CAPP中的应用J, 中国机械工程 2000.9 ， 106410674 蔡力钢、李培根 等, 基于Web的CAPP若干关键技术J, 中国机械工程 2000.5 ，5165195 宋爱平、李益民、曾励，敏捷制造策略下CAPP与车间作业计划集成设计技术J, 扬州大学学报 2002.4 ， 5053The Methods of Describing Parts Information Facing to the Integrate Design of CAD/CAPP Song ai-ping1,2 , Zhang jun 2 ( 1.Dept. of Mechanical Engineering, Southeast Univ. , Nanjing 210096, china2. College of Mechanical Engineering, Yangzhou Univ., Yangzhou 225009, china )Abstract: The methods of describing part information and handling its data are the key of the CAD/CAPP integrated designing. The papers discuss the approaches of describing parts information according to the features for realizing the integrate design of CAD and CAPP. A way is describing the information with body features for the turning parts, other way is describing part form features basing on typical instance for the box parts. The papers explain the applied procedure of the methods in practical system.Key Works : Body feature, Typical instance, Integration, CAPP个人简介： 宋爱平 ，男 ， （1965 ）， 江苏省兴化市人，现为东南大学博士研究生，扬州大学机械工程学院副教授，主要从事计算机集成制造及先进制造技术的研究。 邮 编：225009 联系地址：扬州大学机械工程学院机械制造部 （宋爱平） 电 话：0514-7861298 E-mail： apsongtom.com