【设计】CAPP集成环境的工序图自动生成技术研究

94随着计算机辅助技术在机械制造行业的普及与发展，建立CAD/CAPP/CAM集成系统已经成为当前机械行业的主流方向。三维工序模型与工序图的自动生成，作为工艺设计实现定量化与智能化的重要手段之一，使CAD/CAPP/CAM共享统一的三维产品模型，并可以充分利用CAD/CAM的设计与分析功能，因此也成为研究的热点。传统的手工绘制工序图效率低、工作量大、易出错、标准化程度低。统计表明，工艺文件的编制占了工艺设计整个工作量的60%，而工艺文件编制的大部分时间都用来绘制工序图。工序图的自动生成过程是一种图形随工序内容不断变化的创成动态过程，系统接受产品的设计信息和必要的工序设计信息，经设计人员简单地干预，便可以由计算机自动生成和绘制工序图。目前工序图生成的方法有：成组图形拼凑法，图素参数法，数学模型法和特征参数法。其中，特征参数法要求建立基于特征的零件模型，工序图绘制时通过在零件模型上拼合加工面特征生成工序图，工艺信息的组织围绕特征展开，最适合CAD/CAPP/CAM集成系统中工序图的自动生成。加工的每道工序都可以看成是加工特征的过程，实际上工序图表达的是对待加工特征的工艺要求。绘制工序图的过程就是对被加工特征的几何形状的处理过程，而采用基于三维产品特征建模的工序图生成方法，方便地处理了这个过程，它不但能快速准确地完成工艺过程设计，更重要的是能针对系列产品或新产品建立一种面向产品的制造过程。因此，基于此法，开发产品工序图自动生成模块，对于提高工艺设计的效率和质量，实现工艺设计的标准化，提高CAD/CAPP系统集成的实用性具有重要意义。一、工序图生成的原理1.面向制造特征建模的理论依据在特征建模发展过程中，特征信息的获取及采用的造型方法不断地吸收制造概念的趋势。特征分解造型，又称作分解性实体几何造型（DSG：DestructiveSolidGeometryModeling）。这种方法的主导思想是在毛坯上应用一系列布尔减操作来生成零件。特点是通过一系列与材料切除过程对应的加工操作将毛坯变换成零件的同时，完成产品设计、工艺过程规划及数控加工程序的生成。因而非常适合于CAD/CAPP/CAM集成环境。2．工序图自动生成机理工序图自动绘制的前提是零件模型，是基于特征的三维几何模型。绘制工序图的过程实际上是从零件三维特征模型逆向反推至其毛坯的过程。工序图的绘制从最后一道工序开始，即最终的零件图，根据工序依次对零件三维模型加工特征修改，以工步为单位，标出相应加工特征的标识号，逆向生成每道工序图，即与零件三维模型相关联的二维投影视图。工序图生成后，再与其工艺文字信息合并，输出工序卡。依次类推，直至生成第一道工序的工序图。图1为工序图自动生成系统的结构。本文基于三维特征建模技术，研究了零件工序模型和工序图的自动生成技术，采用扩展实体、特征回退、配置管理技术，运用加工工艺信息，采用逆向重构法生成零件工序模型和工序图。基于SolidWorks平台，自动生成了轴套类零件按照加工逆序排列的工序模型和2D工序图，对缩短产品工艺设计周期，提高CAD/CAPP集成系统的实用性具有重要意义。基于CAD/CAPP集成环境的工序图自动生成技术研究□山西综合职业技术学院景海平图1工序图自动生成系统的体系结构95CAD/CAM与制造业信息化·2009年第12期栏目主持：丁海骜　投稿信箱：[e-mail]二、关键技术与实例应用1.三维特征建模技术特征是具有与设计、制造活动有关的属性，并包含着工程意义和基本几何实体或信息的集合。使用特征构造产品模型，可以加强CAD系统的特征信息处理能力，由CAD系统输出可供CAPP系统接受的加工模型，可自动生成工艺过程规划。这种面向制造过程的特征建模，是以毛坯模型为起点，以机械加工成品模型为终点的。它克服了传统实体造型系统的缺陷，不仅含有产品机械加工的几何形状信息，而且将公差、粗糙度、中心孔和退刀槽等工艺信息也保存在特征模型中，所以易于CAD／CAPP／CAM的集成，也大大方便了数控加工代码的自动生成。包含工艺信息的某轴类零件模型如图2所示。2.工艺模型配置管理利用三维CAD提供的配置管理功能，将每个工序模型作为零件的配置进行管理。零件的工序模型与零件模型共享一个产品模型，不同的工序模型作为零件的派生配置，并且按照加工工序的逆序排列，形成工序模型配置结构树。通过对从零件到毛坯模型转换过程中所添加的面、体加工特征回退、压缩或者隐藏，变更工序模型属性，进行配置，可自动获得不同工序的零部件工序模型，而且工序模型尺寸与零件模型尺寸具有全相关性。建立工序模型（包括三维零件特征信息和工艺信息）后，如图2所示，可将工序信息作为工序模型的一项属性存储在系列零件设计表中。图3为某轴类零件的配置管理设计树。3.特征回退技术基于3D特征建模技术的零件设计过程,可以看作是各种特征的添加过程。因此,定义所添加的每一个特征位置为零件的特征节点，形式上表现为模型特征树上的每一个特征，对应一个工序模型。利用工序模型与特征节点之间存在的对应关系,可在特征节点中确定一些加工过程中的工序模型，但并不是所有的模型特征树上的特征节点都能找到相应的工序模型，其原因是实际加工中的一个工序，在特征设计过程中往往是由几个特征组合而成的。因此，可以将当前的设计指针方便地回退到任何一个特征节点位置，即可以把任何一个特征节点后面的所有特征暂时抑制或者隐藏。此时，利用工程图的关联自动生成功能，便可生成该工序模型对应的工序图。4.工序模型与工序图自动生成技术CAPP工序图自动生成的一个重要机理是自后往前的反推法，即逆向重构法：以三维零件模型为基础，根据工序在状态中已经形成的特征，一方面通过删除尚未加工的某些零件特征，另一方面根据工序尺寸修改某些特征的参数，生成某工序的三维工件模型，再生成二维工序图。通过程序控制，工序图自动插入工艺卡片中，图4为轴类零件某工序机械及工艺卡片。三、结束语零件加工工序图的自动生成是CAD/CAM/CAPP集成中的关键技术，它的有效实现需要建立在制造特征识别技术、特征参数化技术、信息共享技术、几何拓扑的命名和辨识技术的有机结合的基础上。本文针对轴套类零件工序模型与工序图的自动生成技术研究做了进一步研究，着重探讨了零件模型的建立和动态修改、面向加工制造特征的二维工序图的自动生成等关键问题。采用基于三维特征模型的工序图反向重构法，解决了工序图动态绘制过程中信息共享问题。利用Solidworks配置管理技术，自动生成相关联的工序模型与工序图，通过程序控制，工序图自动插入工艺卡片中。在今后的研究中，还需要进一步完善识别制造特征和几何拓扑的命名和辨识方法，以使工序图的生成模块与商业CAD系统更好地结合。图2包含工艺信息的某轴类零件模型图3某轴类零件配置管理设计树图4轴类零件某工序机械及工艺卡片文索引号：132