滚动轴承CAD/CAM集成系统的开发

1引言

滚动轴承为常用的标准件，其设计与制造具有特有的特点:①轴承产品设计与工艺设计复杂，计算工作量极大，易出错，但其数学模型相对统一，设计流程标准化程度高，特别适合于应用计算机辅助设计。② 轴承制造为大批量流水式生产，同一种型号的产品一次投产几万套、几十万套，生产中重复环节较多，易于实现计算机辅助管理;③轴承制造过程中，由于生产工序多、工艺流程复杂，且每一种工序都有严格的规定和检验记录，信息交换量大，因此特别需要计算机辅助管理。开发滚动轴承的CAD/CAM集成系统，对提升企业的生产技术与管理水平，缩短产品开发周期具有积极的促进作用。

本文基于某企业轴承产品开发实际流程，以计算机辅助为手段，开展轴承CAD/CAM集成系统的开发研究。首先对系统结构进行了探讨;其次介绍了该系统的产品开发流程;最后就对系统的具体软件开发中关键技术进行了研讨。

2 系统功能与结构

2.1系统功能要求

根据轴承产品开发实际，滚动轴承CAD/CAM集成系统应能满足以下产品开发功能要求:

(1)可完成标准或非标准滚动轴承产品的设计。自动完成新产品的结构设计计算，并依据相关技术标准自动查询各零件的尺寸公差、表面粗糙度和形位公差的数据;依据计算和查询结果自动生成产品装配与零件设计图纸，且设计的图纸必要时可人工修改，并保持图纸与数据库内的数据统一。

(2)可根据各类零件加工工艺技术标准，自动查询工艺数据，设计轴承加工工艺;自动生成各零件加工工艺图纸文件，且设计的图纸必要时可人工修改，并保持数据的唯一性。

(3)应具有功能完备的产品数据管理功能。依据产品设计和工艺设计需要建立数据库系统;并具有功能完备的数据库管理系统，可方便进行数据查询、修改、增删等操作。

(4)系统要有良好的人机界面，可方便地进行滚动轴承产品的集成设计。

2.2系统结构

根据上述要求，滚动轴承CAD/CAM集成系统采用如图1所示的结构。系统主要由控制模块、设计功能模块、数据库管理模块和数据库系统组成。

2.2.1 系统控制模块

通过系统的人机界面，依据企业产品开发过程，协调各模块运行，统一管理各模块数据流，以完成产品CAD/CAM过程。

2.2.2 设计功能模块

设计功能模块，由初始化、CAD和CAM三个子模块组成，其中CAD模块和cAM模块分别完成轴承产品设计和加工工艺设计，是产品开发系统的核心。

2.2.3 编辑功能模块

编辑功能模块是提供集成产品设计和工艺编辑环境。当产品完成CAD设计与加工工艺设计结束后，若需要对部分数据进行修改，可通过编辑模块所提供的基于设计图模板的用户接口，对数据进行修改，所修改的数据可直接存人数据库。

2.2.4 数据库管理模块和数据库系统轴承

CAD/CAM集成系统包括:实际产品数据库、轴承设计标准数据库、轴承工艺标准数据库。数据库管理模块用于各数据库的数据查询、增加、删除和修改等功能。

3 产品开发流程

基于上述系统结构设计，同时考虑与企业现有产品设计及工艺设计模式的衔接，系统采用如图2、图3所示的产品开发流程。当企业工程技术人员接到一个产品开发任务后，可将CAD/CAM集成系统启动，首先通过系统的CAD模块，按图2流程完成产品结构设计，其次利用系统的CAM模块，按图3流程进行工艺设计。所有产品开发工作均在集成系统内完成，从而实现了轴承产品开发的过程集成与信息集成，提高了产品开发效率和组织管理水平。系统产品开发流程具体分述如下。

3.1 CAD模块工作流程

首先，设计人员要查询待设计产品是否企业己设计过，若已设计过，则需再判断原设计产品是否符合待设计产品的要求，从而决定是否重新设计。要完成这个功能，系统提供了相应的输人界面和产品数据库。输人界面可输人要设计产品的型号及精度等级。系统将输入的轴承型号和精度等级组合，形成产品ID号，查询产品数据库，若产品数据库没有该产品的相关记录，则转人输入设计参数界面，开始新的产品设计;若产品数据库有该产品的相关记录，则反馈该产品已存在信息，并将该产品的主要参数列表，以供产品设计人员核对，决定是否修改，若产品设计人员确定不修改，则此产品设计结束转人产品参数输出，否则转人的参数输入界面，进行产品修改设计。在此阶段系统根据输入的参数、结构设计计算模型，以及调用相关的产品标准数据库的数据(标准结构参数、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等)自动进行计算需要的其它参数，计算完后转入验算阶段，系统根据产品设计人员输入的约束条件对计算后的结果进行验算，并返回验算结果，若不合格则转回参数输入界面，对产品部分参数进行修改。验算合格后，就完成产品设计计算的任务，就可将该产品的所有相关参数存入产品数据库，并输出设计结果(设计说明书输出、产品图纸绘制)。经产品设计人员核对后，若还需对产品做局部的修改，可在系统的编辑模块进行修改，以满足特殊客户的要求。至此产品设计人员就完成了滚动轴承产品的CAD任务，可转入滚动轴承产品的CAM任务。

3.2 CAM模块工作流程

工艺设计人员根据CAD模块设计的产品数据，以及企业工艺标准进行工艺设计。工艺设计人员在接到设计任务后，可在系统的输人界面输人轴承型号及等级，系统根据此数据查询产品数据库，若产品不存在，则转人CAD模块，开始产品结构设计;否则查询是否该产品有工艺设计数据存在，若有则输出该产品的工艺设计结果;若没有设计，则对该产品的内外套圈、保持架等各零部件分别进行工艺设计，设计完后将该产品的所有工艺参数存人产品数据库，并输出工艺(工艺图纸绘制)，经工艺设计人员核对后，若还需对产品做局部的修改，可在系统的编辑模块进行修改，以满足部分产品对工艺要求的特殊性。

4 系统的软件实现

4.1 开发工具

系统采用面向对象的可视化编程工具软件Mirosoftvisualstudio.NetBasiC作为开发工具。VB.NET++提供了大量控件，可用于设计界面和实现各种功能，并可方便地使用其所提供的ADO对象1。利用ADO创建数据源类的数据绑定功能和数据源连接，对开发本文系统的产品设计模块、图形生成模块，以及数据管理模块起着重要的支持作用。

因设计系统时最初仅定位于单个用户，故采用Acess20O3数据库系统，分别建立产品设计标准数据库BearCADStd.mdb、工艺设计标准数据库BearCAMStd.mdb、产品数据库Bearing.mdb，并将数据库建成关系型数据库系统，在数据库中存储着相应的产品设计标准、工艺设计标准和有关产品的各种数据等，通过ADO对象及控件编程访问这些数据，实现直接从数据源中检索数据。AutoCAD 具有强大的绘图及图形自动生成功能，运用vB对AutoCAD基于ActivexAutomation的二次开发技术，可实现从外部程序化控制AutoCAD对象。

4.2 关键技术

轴承产品开发CAD目前主要有四种实现方式，即交互式、变异式、模块化和参数化式，这四种方式各有所长121。由于滚动轴承生产具有标准化、系列化等实际特点，本系统将采用已相对成熟的参数化轴承设计方式1510

由于滚动轴承的加工工艺方案工厂已实现了标准化，系统采用自动工艺设计方式14]。轴承产品开发CAM的主要内容有工艺参数计算、工艺方案制定、设备选取、工装的选用和工艺卡片的绘制。其中工艺参数可以通过工艺标准数据库，以及结合相关计算模型获得。对于具体产品所采用加工的方案，则是根据该产品的结构和外形尺寸来进行，因此可以把标准加工方案和应用规则存储到工艺标准数据库，用于工艺方案设计。设备的选取与加工方案的选用比较类似，需要建立加工设备和选用规则库。工装和检具选用是根据加工方案以及外形尺寸来确定的，所以可以建立工装的选用关系库来存储工装的选用规则。综上所述，可以通过建立公式库、规则库，以及模板库的方法，把滚动轴承的工艺设计过程信息化。配合适当的公式计算和规则解析模块，就可以实现滚动轴承工艺设计自动化。

基于上述的系统实现策略，其软件开发的主要涉及以下关键技术。

4.2.1 开发应用程序与数据库间通信的实现

本系统使用ADO方式实现应用程序与Acces数据库间的通信。ADO是当前Microsoft所支持的数据资源进行操作的最有效、最简单的方法，由于ADO的面向对象特性，使ADO较DAO或RDO更灵活，并提供有标准的COM接口。ADO提供了访问从文本文件到Excel文档、SQLserver、Acess等各种资源的手段，是通过编程访问外部数据源的最佳方法，为有效访问本地和远程数据源提供新的接口。本系统引用MicrosoftActiveX data Objects 2.6 library，使用Microsoft.Jet.OLEDB.4.0数据引擎，例如可通过如下代码建立与产品数据库Bearing.mdb的连接。其它的数据库的连接与其相似。

4.2.2 产品图与工艺图的生成

该模块是运用VisualBasiC对AutoCAD基于ActiveX Automation的二次开发技术实现的。AutoCAD Activex Automation为其它应用程序提供了访问AutocAD内部功能的方法，通过创建一个AutoCAD.acad Application对象，然后为每一个产品零部件、工艺图创建相应的绘图类，利用CAD相应对象的事件、函数、属性，实现图框、图形、形位公差等标注。由于同类滚动轴承的图形是相似的，只是尺寸、公差及其它的一些参数存在差异，为了简化设计，使图面整洁清晰，本系统采用模板形式，即预先将相关的产品、工艺图形制成相应的模板，当某种型号产品进行设计生成图纸时，可调用相关的模板，通过查找模板上各参数的ID，将产品数据库Bearing.mdb的数据写人图纸，即完成图纸的生成。

4.2.3 用户数据与产品数据管理技术

轴承CAD/CAM系统的数据除产品设计和工艺数据外，还包括用户管理、流程控制等数据，用户管理和流程控制是CAD/CAM系统实现产品发关键。其中，用户数据管理主要包括用户注册、用户权限(查询、修改)等管理。当某个用户被分配一定权限后，就可对数据库进行权限范围内的操作(如查询产品、工艺数据及修改产品数据库、相关标准数据库等)，通过一定的界面(如用户登入界面、查询界面、修改界面等)来实现数据库的数据维护;流程控制管理是首先对数据库中的不同用户指定一定角色，其次将产品开发过程划分成不同的功能单元，最后再将开发单元指定相应的角色来完成，这样在实际产品开发过程中，用户根据自己所承担的角色，便能激活相应的设计功能单元，来完成相应的产品开发工作。另外，产品库主要涉及对产品数据和工艺数据的利用，对企业的经营活动以及实现材料定额管理等具有重要的意义。当企业技术进一步发展时，可对本系统进行升级最终实现产品数据管理(PDM)，提高企业的管理水平。

5 结束语

轴承CAD/CAM集成开发系统通过产品开发过程的信息集成和过程集成，解决轴承产品开发过程中，传统开发方法设计过程烦琐、结果易出错等问题。系统经实际运行后，输出的结果准确规范，软件操件简单易懂，界面符合企业工程设计人员的要求，以兼顾了企业原有的运作模式，运行稳定。应用该软件后，有效地提高了工程技术人员的工作效率及技术文件的准确性、规范性，产生了显著技术、经济效益。