基于特征的電動機軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)研究

楊 釩 於時才 黃建龍

（①蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州730050;②蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅蘭州 730050）

在傳統(tǒng)的計算機輔助設計模式中，CAD系統(tǒng)注重產品的機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注信息來處理，這就導致在進行CAPP、CAM時，需要重新進行零件信息（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，達到優(yōu)化產品設計的目的。

為了解決上述問題，國內外研究者也做了大量的工作;黃燁［1］研究了CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成關鍵技術及其實現(xiàn)方法;劉宏軍等［2］研究了 CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)中圖形數據庫開發(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］;但產品的設計制造過程與企業(yè)加工工藝及設備密切相關，就目前來說，很難設計出一個能通用于各個企業(yè)的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)。因此，根據企業(yè)實際，從若干個典型零件入手，設計適用于本企業(yè)的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)也是現(xiàn)階段一條切實可行之路。為此，本文從實用的角度出發(fā)，以某企業(yè)電動機軸的生產過程為研究對象，開展基于特征建模的電動機軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的研究。

1 電動機軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)特征的表達方法

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

不同的應用領域、不同的企業(yè)，其產品特征的抽象及分類方法各有不同。通過分析電動機軸類零件的設計及工藝信息，可將構成電動機軸的特征分為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）技術特征:描述零件的性能和技術要求的信息集合;（4）管理特征:與零件管理有關的信息集合，包括標題欄信息（如零件名、圖號、設計者、設計日期等）。其中，形狀特征是最基礎同時也是最重要的因素，是其它輔助特征的載體。針對電動機軸類零件的形狀特征如圖1所示。

為了在系統(tǒng)中準確、簡潔地實現(xiàn)基于特征的電動機軸類零件的建模，本文將電動機軸類零件的特征模型用面向對象技術中的類來描述。這是因為基于特征建模的產品表達方法具有高度抽象的對象化屬性，表述了對象的群體特征，這一點與面向對象技術中類的功能是相同的;用類來表達特征能很方便地實現(xiàn)數據抽象和代碼抽象［8］?；谶@種方式，電動機軸類零件的所有特征可封裝為形狀特征、精度特征、技術特征、管理特征等幾大類，每個大類各包含若干個子類。軸上的每一個軸段是一個類或多個類派生出的特殊類的實例;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。經過這樣封裝，就可以確定出特征的坐標、尺寸、精度和拓撲關系等特征，建立滿足CAD/CAPP/CAM集成的信息模型，使系統(tǒng)具有了良好的可擴充性和清晰的數據結構。

2 電動機軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的設計

電動機軸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。采用模塊化的結構，主要由數據處理、CAD、CAPP、CAM等子系統(tǒng)構成，每個子系統(tǒng)中包含若干個實現(xiàn)相關功能的模塊。其中數據處理在整個系統(tǒng)中起著一個橋梁和紐帶的作用，自上接收CAD子系統(tǒng)設計模塊中采集的設計數據，并將其轉換為系統(tǒng)預先設定好的數據格式保存在設計信息數據庫中;向下將設計數據提供給CAD、CAPP、CAM子系統(tǒng)實現(xiàn)設計圖紙的自動繪制，加工工藝的自動編制以及數控加工代碼的自動生成等功能，為保證數據在各子系統(tǒng)中暢通無阻地傳輸起著至關重要的作用［9］。另一方面，CAD、CAPP、CAM 等子系統(tǒng)之間沒有直接的信息傳遞，所有數據均由數據中心接受和發(fā)送，這樣的設定可確保數據的準確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可擴充性等。系統(tǒng)結構框圖見圖2。

3 各子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.1 CAD子系統(tǒng)部分

CAD子系統(tǒng)實現(xiàn)零件特征信息的采集、保存、編輯，完成零件結構設計，工藝信息的收集并生成圖形文件。

3.1.1 設計、工藝信息的收集

本系統(tǒng)結構設計模塊中并不是將零件視為一個孤立的個體，而是將它作為整個產品中的一個組成部分。設計過程中根據與各軸段有密切關聯(lián)關系的其他零部件信息，自動計算出該軸段的結構、粗糙度、尺寸公差及形位公差等相關參數，并將其作為設計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)所需的所有數據，同時也提高了產品設計的規(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用類與類之間的關聯(lián)特性就能實現(xiàn)。例如與軸承配合的軸段的尺寸公差、形位公差等參數都由與之配合的軸承來確定。這時就可以利用預先定義好的軸承類與軸段類之間的關聯(lián)關系確定出相關參數。

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、線、面等要素。應用這種方式繪圖時，不是一條線一條線的繪制，而是系統(tǒng)根據產品設計數據自動調用基本繪圖單元，依照拓撲關系一個特征一個特征地進行繪制，拼裝出所需的對象并標注尺寸、公差以及粗糙度等輔助特征。本過程不需人工干預，在完成設計、工藝信息的收集的同時也就自動生成了產品設計圖。同樣各個繪圖單元也采用類庫封裝，利用類的繼承、關聯(lián)等屬性完成產品設計圖的繪制。

3.2 CAPP子系統(tǒng)部分

零件的加工工藝路線規(guī)劃是一個非常復雜的過程，而目前基于人工智能技術的CAPP系統(tǒng)還并不成熟，很難直接應用于實際生產。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據模型的方法實現(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，上述每個加工特征都對應著一組特征加工鏈，一個特征加工鏈由若干個加工工步按一定順序組成;每個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據綜合決定的，而所有這些數據都由CAD子系統(tǒng)收集，為了能使CAPP系統(tǒng)直接調用這些數據，系統(tǒng)在對特征進行封裝時充分考慮到CAD/CAPP集成的需求，將特征定義為組成零件最基本的單元，讓設計特征和加工特征具有對應的關系，使得設計階段得到的數據可直接成為加工特征的屬性。根據這些屬性，依照一定的約束條件從預先建立的加工工藝數據庫中匹配出特征的加工鏈，即可建立起特征與加工方法、刀具及設備之間的關聯(lián)關系。

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現(xiàn)。

預先收集、整理企業(yè)內部典型電動機軸類零件加工工藝，以此為依據建立典型電動機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)有的典型電動機軸類零件進行分類，并就每一類制定一個或若干個樣件，編出其標準工藝規(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)的靈活性和實用性。

3.3 CAM子系統(tǒng)部分

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

本系統(tǒng)基于特征建模，零件從結構設計、工藝規(guī)劃到自動編程都使用統(tǒng)一的數據模型，保證了數據在各子系統(tǒng)中暢通無阻地傳輸，可以更好地實現(xiàn)從可編程子工藝路線到具體加工代碼間的轉換。

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

電動機軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)主界面如圖3所示。經過實際運行證明，本系統(tǒng)能滿足企業(yè)生產實踐的要求，并且具有良好的擴充性，為企業(yè)逐步擴展CAD/CAPP/CAM集成的范圍打下基礎。

4 結語

針對企業(yè)具體實際情況，建立準確、實用的零件特征模型，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)境和制造技術水平的電動機軸典型零件工藝文件等必要的信息;利用AutoCAD強大的繪圖功能以及二次開發(fā)環(huán)境，編制符合設計人員、工藝人員日常工作習慣的電動機軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)，使CAPP階段可以直接接收設計人員在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階段根據上述信息自動編制相對應的NC代碼，使電動機軸CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)成為真正貫穿設計、工藝、制造各個階段的實用工具。

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

［2］慈建平.基于特征的典型CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)［J］.組合機床與自動化加工技術，2005（9）:24-28.

［3］劉宏軍.基于數控加工CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)中的圖形數據庫開發(fā)［J］.沈陽工程學院學報:自然科學版，2008（7）:270-273.

［4］于海東，李浙昆，樊瑜瑾，等.軸類零件的 CAD/CAPP/CAM［J］.昆明理工大學學報，2003（3）:33-37.

［5］謝海波.基于特征設計的軸類零件CAD/CAPP集成系統(tǒng)研究［J］.中國制造業(yè)信息化，2004（6）:74-76.

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［7］Joao Carlos E.Ferreira，Darlan Vivian.Feature recognition in axisymmetrical parts modeled by solids in an Internet-oriented CAD/CAM system［J］.Journal of Materials Processing Technology，20 October 2006，20（10）:260-267.

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［9］馮辛安，葛巧秦.CAD/CAM技術概論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［10］Juha S??ski，Tapio Salonen，Jukka Paro.Integration of CAD，CAM and NC with Step-NC［J］.VTT Industrial Systems，2005.