基于加工特征和制造資源約束的CAD/CAPP研究*

舒海生 牟曉偉 余豪華 趙 剛 姜 斌

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院智能制造實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001)

激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，使企業(yè)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率提出越來(lái)越高的要求，客觀上要求將并行工程的思想引入到產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)、加工制造中，具體表現(xiàn)在:設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮到可制造性，以及工藝設(shè)計(jì)階段應(yīng)同時(shí)考慮到底層設(shè)備資源的可獲得性等等。通過(guò)制造資源管理實(shí)現(xiàn)基于制造資源約束的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝決策，能夠較好地體現(xiàn)這種并行思想，有利于提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，保證企業(yè)能夠快速應(yīng)對(duì)變化迅速的市場(chǎng)需求。以往關(guān)于并行工程下DFM(可制造性設(shè)計(jì))的研究大都基于知識(shí)庫(kù)與CAD的集成，其中有研究［1］考慮了特征和零件的加工工藝性，并提出通過(guò)加工方法建立加工特征與加工設(shè)備的關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)基于制造約束的可加工性評(píng)價(jià)。但該研究尚未延伸到CAD/CAPP的集成，另外這種評(píng)價(jià)方法效率較低，CAD的運(yùn)算負(fù)荷較大。在以往關(guān)于制造資源管理的研究［2－5］中，制造資源管理只為CAPP的工藝決策提供基礎(chǔ)，并沒(méi)有考慮向CAD提供可制造性約束。另外雖然也有研究［6］提出基于CAPP的零件可制造性分析，但只是對(duì)相關(guān)知識(shí)與規(guī)則進(jìn)行了整理，并沒(méi)有提出切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方法?，F(xiàn)有的商用CAPP系統(tǒng)大多基于派生式工作原理，工藝創(chuàng)成能力較弱。此外這些系統(tǒng)與現(xiàn)有CAD系統(tǒng)之間無(wú)法直接集成，仍需人工輸入加工特征，同時(shí)也不能實(shí)時(shí)反映底層設(shè)備或資源的動(dòng)態(tài)變化，因而工藝設(shè)計(jì)過(guò)程效率受到了很大的限制。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文以常用的齒輪箱零件為研究對(duì)象，在某齒輪箱制造企業(yè)的實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，以快速設(shè)計(jì)與制造為目標(biāo)，研究了齒輪箱的加工特征建模和制造資源的管理等關(guān)鍵問(wèn)題。首先基于加工特征實(shí)現(xiàn)了CAD/CAPP之間的無(wú)縫集成，然后結(jié)合并行工程的思想在以往制造資源管理的基礎(chǔ)上建立了加工設(shè)備與加工特征間的映射關(guān)系，從而為CAD模塊提供了制造資源約束，保證了零件設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的可行性。

1 基于加工特征的CAD/CAPP系統(tǒng)集成

該CAD/CAPP集成系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊:產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的生成，基于加工特征的CAD，基于制造資源約束的CAPP。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程如圖1所示。系統(tǒng)以客戶的需求為輸入，經(jīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案分析后，通過(guò)基于加工特征的CAD設(shè)計(jì)生成零件三維模型，并將其設(shè)計(jì)參數(shù)以特征文件的形式加以存儲(chǔ)。該特征文件可以通過(guò)模塊間的通信將零件的加工特征信息自動(dòng)傳遞到CAPP中，經(jīng)過(guò)工藝決策分析與相關(guān)計(jì)算，最終生成毛坯的特征文件、工件的工藝文件以及相關(guān)工序的刀軌文件等。另外，CAPP通過(guò)制造資源管理模塊能夠獲取企業(yè)資源的特征加工能力，一方面為CAPP的工藝決策提供基礎(chǔ)，另一方面以加工能力約束文件的形式對(duì)CAD模塊的加工特征庫(kù)進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)基于制造資源約束的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝決策。

特征設(shè)計(jì)是目前實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP集成的基礎(chǔ)。這些特征不僅包含零件的幾何拓?fù)湫畔?，還包括CAPP所需要的工藝信息，從而通過(guò)在2個(gè)軟件平臺(tái)上采用相同的特征定義，就能夠在信息傳遞時(shí)充分共享，從而實(shí)現(xiàn)了CAD與CAPP之間的無(wú)縫集成。特征設(shè)計(jì)的前提是在原有CAD平臺(tái)的基礎(chǔ)上充分地?cái)U(kuò)充可用于設(shè)計(jì)的特征庫(kù)。特征又有設(shè)計(jì)特征和加工特征之分?；谠O(shè)計(jì)特征的設(shè)計(jì)缺少與制造的聯(lián)系，不利于進(jìn)行產(chǎn)品的可制造性分析，一般還需要采用特征映射技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP間的信息轉(zhuǎn)換。而基于加工特征的設(shè)計(jì)，由于每一個(gè)加工特征都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的加工方法鏈，甚至刀位軌跡，這就使得CAD與CAPP之間的特征信息傳遞同時(shí)包括了幾何信息和工藝信息2個(gè)方面，而不必再進(jìn)行額外的特征映射工作，這種信息集成的效率是比較理想的。另外加工特征也更有利于加工設(shè)備加工能力的表達(dá)，因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了基于加工特征的方式。

以往的系統(tǒng)集成大多只考慮了從CAD到CAPP的集成，即信息主要從設(shè)計(jì)域傳向工藝域，因而是單向的，不徹底的。本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP的雙向無(wú)縫集成，采用了自主設(shè)計(jì)的接口文件作為信息交換接口，該接口包括了加工能力約束文件與零件特征文件2個(gè)獨(dú)立的文件。前者用于CAPP向CAD傳遞適時(shí)變動(dòng)的制造資源約束，該約束保證了當(dāng)前加工特征庫(kù)的可制造性。而零件的特征文件則主要用于一方面從CAD到CAPP的信息傳遞，另一方面用于在CAPP完成毛坯設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)該文件的直接修改生成毛坯特征文件并傳遞給CAD以生成毛坯的三維模型。

2 制造資源管理

制造資源庫(kù)主要包括工藝知識(shí)庫(kù)和加工設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。工藝知識(shí)的處理與存儲(chǔ)是CAPP開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。需要存儲(chǔ)的工藝知識(shí)一般包括:機(jī)加工的經(jīng)濟(jì)精度及表面粗糙度、加工余量、標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值、切削用量等。

加工設(shè)備主要包括各類(lèi)機(jī)床、刀具、夾具和量具等，這些設(shè)備應(yīng)以數(shù)據(jù)庫(kù)形式加以管理，這也是企業(yè)信息化的前提條件。加工設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)為用戶提供全面的管理接口，方便其對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行添加、刪除、修改以及狀態(tài)管理等操作，從而能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地反映企業(yè)的加工資源情況。

制造資源管理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

制造資源管理模塊的功能主要包括2個(gè)方面。一方面通過(guò)對(duì)底層設(shè)備資源的管理，使得后續(xù)的工藝決策被限制在現(xiàn)有資源范圍內(nèi)，同時(shí)通過(guò)對(duì)各類(lèi)工藝知識(shí)的管理與應(yīng)用，使得工藝決策過(guò)程受到了工藝?yán)碚撝R(shí)與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的有效指導(dǎo)，從而有利于保證所設(shè)計(jì)的工藝的正確性;另一方面該模塊為CAD提供當(dāng)前制造資源的加工能力約束，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能考慮到底層資源的限制，有利于保證設(shè)計(jì)的可制造性。制造資源管理模塊通過(guò)建立加工設(shè)備與加工特征之間多對(duì)多的映射關(guān)系，對(duì)庫(kù)中所有機(jī)床和刀具的特征加工能力進(jìn)行綜合處理，從而產(chǎn)生相應(yīng)特征的加工能力約束文件，以反映當(dāng)前設(shè)備的加工能力。當(dāng)用戶對(duì)制造資源進(jìn)行編輯修改時(shí)，任何對(duì)加工能力有影響的資源變動(dòng)，都會(huì)實(shí)時(shí)反映到相應(yīng)特征的加工能力約束文件，通過(guò)該文件與CAD系統(tǒng)的加工特征庫(kù)之間的同步，即可保證設(shè)計(jì)約束能夠得到實(shí)時(shí)更新。

工藝知識(shí)庫(kù)的研究已有很多，此處不再贅述。以下只介紹加工設(shè)備的管理方法。

加工設(shè)備的管理是在對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，為用戶提供一個(gè)管理接口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工設(shè)備的添加、刪除和修改等操作以實(shí)時(shí)反映企業(yè)加工設(shè)備的狀況。機(jī)床是加工設(shè)備的核心，下面通過(guò)機(jī)床對(duì)加工設(shè)備的管理進(jìn)行說(shuō)明。如圖3所示為系統(tǒng)的機(jī)床管理界面。

機(jī)床建模首先需要對(duì)機(jī)床分類(lèi)，而基本加工類(lèi)型與加工特征相對(duì)應(yīng)，因此按照車(chē)、銑、鉆和鏜等基本加工類(lèi)型對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。然后通過(guò)對(duì)機(jī)床屬性信息的分析歸納，建立機(jī)床與加工特征之間多對(duì)多的映射關(guān)系，從而方便管理并反映其加工能力。

機(jī)床的屬性可分為標(biāo)識(shí)信息、狀態(tài)信息與結(jié)構(gòu)功能信息。標(biāo)識(shí)信息由機(jī)床型號(hào)與機(jī)床編號(hào)組成，如“X083 1”，其中 X083為機(jī)床型號(hào)，1為機(jī)床的編號(hào)。編號(hào)是用來(lái)區(qū)分同一型號(hào)機(jī)床的，所以不同類(lèi)型的機(jī)床可以用相同的編號(hào)。

狀態(tài)信息用來(lái)反映機(jī)床的可用性，用“0”表示機(jī)床不可用，“1”表示機(jī)床可用。當(dāng)機(jī)床處于維修狀態(tài)，或者缺少操作人員時(shí)，其狀態(tài)信息為“0”。

機(jī)床的結(jié)構(gòu)功能信息一般包括主軸參數(shù)、工作臺(tái)參數(shù)、功率參數(shù)和工作精度等，對(duì)于數(shù)控機(jī)床還應(yīng)包括數(shù)控系統(tǒng)類(lèi)型。

3 加工能力約束文件的生成與更新

加工能力約束文件作為CAPP向CAD提供制造資源約束的手段，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)企業(yè)當(dāng)前的加工設(shè)備所能加工的特征類(lèi)型及其精度范圍。以槽特征為例，通過(guò)該模塊可得到如下的約束范圍:

范圍1:550 mm＜長(zhǎng)度≤700 mm，寬度≤280 mm，深度≤420 mm，Ra≥2.5 μm，平面度≥0.02 mm/300 mm2;

范圍2:長(zhǎng)度≤550 mm，寬度≤200 mm，深度≤360 mm，Ra≥1.6 μm，平面度≥0.02 mm/300 mm2。

當(dāng)設(shè)計(jì)人員所添加的槽特征的長(zhǎng)度、寬度、表面粗糙度、平面度都在該加工能力約束范圍之內(nèi)時(shí)，該特征才具有良好的可制造性。CAPP將不同特征的約束文件提供給CAD，CAD在設(shè)計(jì)人員添加特征時(shí)，自動(dòng)讀取該文件以檢測(cè)該特征是否在加工能力約束之內(nèi)。如果該特征不在約束范圍內(nèi)，則提醒設(shè)計(jì)人員作相應(yīng)處理。

加工能力約束文件的生成與更新是在用戶對(duì)資源庫(kù)進(jìn)行添加、修改和刪除等操作時(shí)同步完成的。這種同步更新的實(shí)現(xiàn)是以機(jī)床與加工特征之間的映射機(jī)制為基礎(chǔ)的，即:以加工特征為關(guān)系模型對(duì)所有機(jī)床進(jìn)行組織，并按照機(jī)床的特征加工能力對(duì)其進(jìn)行排序。通過(guò)更新各類(lèi)加工特征下機(jī)床的加工能力序列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特征的加工能力約束文件的更新。因此加工能力約束文件的實(shí)時(shí)更新由機(jī)床能力排序與文件更新組成。下面就這兩方面分別加以說(shuō)明。

(1)機(jī)床的加工能力排序

機(jī)床加工能力排序是指對(duì)能夠加工某特征的所有機(jī)床按照其能力進(jìn)行排序。以孔特征為例，首先按照最大加工孔徑進(jìn)行機(jī)床排序生成孔徑序列，對(duì)于最大加工孔徑相同的機(jī)床則進(jìn)一步對(duì)最大加工孔深進(jìn)行比較，生成孔深序列，然后依次按照表面加工精度、圓柱度進(jìn)行比較排序。表1中機(jī)床的孔特征加工能力排序如圖4所示。其中D1＞D2，H1＞H2，Ra1＜Ra2，Cylin2＜Cylin3。另外，圖中的每個(gè)參數(shù)都對(duì)應(yīng)著若干機(jī)床，例如其中的D1對(duì)應(yīng)了表1中所有機(jī)床，H1則對(duì)應(yīng)了機(jī)床M1與M2。

表1 機(jī)床孔特征加工能力

(2)加工能力約束文件的更新

完成一臺(tái)機(jī)床的編輯后，加工能力約束文件的更新前提是:該機(jī)床對(duì)某類(lèi)型特征的加工精度是尺寸加工能力相同的機(jī)床中最高的。文件的更新是在機(jī)床加工能力排序的更新之后進(jìn)行的，包括兩種情況:加工能力提高與加工能力降低。文件的更新總體可描述為:首先檢驗(yàn)該機(jī)床的改變是否實(shí)質(zhì)性地?cái)U(kuò)大或縮小了文件所對(duì)應(yīng)的特征加工范圍，然后根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)文件進(jìn)行更新。

以加工能力提高為例，文件的更新過(guò)程如下:

步驟1:將新機(jī)床的特征加工能力插入到加工能力約束文件中。

步驟2:檢驗(yàn)新機(jī)床的加工能力是否已經(jīng)被文件原有加工能力約束范圍所包含，如果已經(jīng)被包含，則從文件中將其重新刪除，進(jìn)入步驟4;如果沒(méi)有被包含，則進(jìn)入步驟3。

步驟3:檢驗(yàn)其加工能力是否能夠包含文件中其他機(jī)床的加工能力，將能夠被其包含的機(jī)床的加工能力從文件中刪除。

步驟4:檢驗(yàn)完畢，結(jié)束更新。

4 實(shí)例

以通用齒輪箱下箱體為例，在UG NX 4.0完成某類(lèi)型齒輪箱的下箱體三維零件模型設(shè)計(jì)，如圖5所示。

當(dāng)CAD模塊完成新零件的建?；蛐薷闹?，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與CAPP模塊通信，CAPP將自動(dòng)獲取該零件的特征文件并進(jìn)行工藝決策。以結(jié)合面的精加工為例，生成的加工序列如圖6所示。

以結(jié)合面的精加工為例，生成刀軌文件以文本文件的格式存儲(chǔ)，其刀軌文件形式如下:

5 結(jié)語(yǔ)

零件的可制造性設(shè)計(jì)一直是制造領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)，是并行工程環(huán)境中極其重要的研究?jī)?nèi)容。本文給出了一類(lèi)基于加工特征的CAD/CAPP集成系統(tǒng)，通過(guò)零件特征文件和加工能力約束文件實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫集成的同時(shí)，通過(guò)制造資源管理將底層適時(shí)變動(dòng)的制造資源引入到設(shè)計(jì)域，從而進(jìn)一步保證了設(shè)計(jì)的可制造性。

［1］劉紅軍，莫蓉，范慶明，等.并行工程下基于特征的零件可制造性及其評(píng)價(jià)方法研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26(3):980 －983.

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