研究变截面高速轴零件CAD／CAPP集成系统

　　1 CAD/CAPP集成系统的总体结构

　　1.1系统设计

　　很长时间以来，CAD、CAPP、CAM一直处于各自发展的状态，它们之间的信息自动交换不能实现，一直由人工来弥补。

　　1.1.1传统利用CAD、CAPP设计方法

　　(1)图形结构参数的产生

　　一般情况下传统产品设计的产品结构参数由以下两种形式产生。

　　①传统设计所需要的结构参数一般由人工代入设计计算公式，经过一个复杂的计算过程计算出来。

　　②传统设计产品时，工程师一般依靠自己的经验设计零件的结构尺寸，而并不经过计算。

　　缺点：第一种结构参数的产生过程由于是由人工计算，其效率低，又由于人工计算出错率大，所以参数不可靠。

　　第二种设计方法由于是根据个人经验来设计产品，又叫经验设计法，这种设计方法没有经过科学计算，其设计出来的产品质量不高，有时浪费人力、物力、财力。

　　(2)CAPP工艺设计的方法

　　由CAD系统输出的三维立体图形或二维工程图，由人工将CAD图样的有关信息转换成CAPP系统所需的数据信息重新输入计算机，而形成机械加工所需要的工艺。

　　缺点：一方面设计效率低下，另一方面，由于在人工转换信息的过程中容易造成错误或信息丢失，使工艺设计效率降低。

　　1.1.2本系统的CAD、CAPP设计方法

　　(1)本系统图形结构参数的产生

　　本系统的结构尺寸参数是根据优化设计的数学原理，通过计算机编程来实现计算机自行计算得出结果。

　　(2)本系统CAPP工艺设计的方法

　　由于传统设计方法效率低下，容易出错或信息丢失，所以，寻找最理想的把CAD系统的信息输入CAPP的方法成为研究的重点，经研究，实现CAD系统和CAPP系统之间信息的直接传递是解决以上问题的最好办法。

　　笔者设计了一种CAD/CAPP集成的方案，本集成系统由CAD特征建模子系统和CAPP子系统两大部分组成，如图1所示，本系统实现了CAD/CAPP之间很好的衔接，能够实现结构参数优化设计、产品造型和工程图的自动绘制和工艺的自动生成。

　　图1 CAD/CAPP集成总体设计方案

　　1.2软件设计

　　本系统主要是利用VC++对软件界面进行设计，在界面设计的基础上，给界面添加修改程序代码，完成代码设计。

　　2变截面高速轴CAD/CAPP集成CAD子系统设计

　　2.1 CAD子系统工作过程

　　计算机辅助设计(CAD)实现了从产品的构思到最终形成技术文件的活动，主要用于产品的设计开发。

　　这种系统是由设计者输入设计数据及要求，根据事先建立的数学计算原理模型及设计参数，然后由计算机根据模型里相应的公式及标准进行计算，得到优化好的数据显示在屏幕上，可以根据需要对之进行修改，然后把这些数据输入到系统制图模块生成所需要的图形，如果对所生成的图形不满意，还可以对之进行修改，达到满意为止。

　　在集成系统的CAD系统中，人与计算机之间信息交流是通过计算机图形系统，图形是机械工程师之间信息交流的一种重要语言，是表达设计和制造信息的主要方式，计算机对图形的处理是CAD系统的基础。

　　2.2本CAD/CAPP集成系统中CAD图形的来源

　　CAD部分的图形按来源可分为以下三种来源：一种来源于参数化自动设计出的图形，二是来自原有存放在图形库中的工程图，第三来源为原存放工程图纸的扫描图形，这三种来源共同构成CAPP输入图形的来源(见图1)。

　　2.2.1 CAD系统中参数化图形的设计

　　CAD子系统的设计主要是利用VC++制作界面和编写程序来实现。

　　(1)变截面高速轴优化设计计算的数学原理

　　1)最优化参数的确定

　　本文选取轴的质量最小为目标进行优化设计，分别对轴的大直径d2、小直径d1、轴每段的长度l进行优化设计;变截面高速轴的结构简图如图2所示。

　　图2变截面高速轴简图

　　2)目标函数的确定

　　以轴的质量做为目标函数，则目标函数为：

　　3)约束函数的确定

　　①动力稳定性约柬条件

　　说明：E为弹性模量;Q为轮的质量;ω为轴的旋转角速度;k为安全系数。

　　②两直径约束条件

　　4)最优化设计数学模型的确定

　　由上面可得最优化设计数学模型如下：

　　把未知条件带入即可优化设计出最优的产品结构模型参数。

　　2.2.2 CAD系统部分中原有的图形来源

　　CAD系统部分中原有的图形来大部分来源于经过“优化设计参数一调用SolidWorks绘制三维图形→二维工程图”这个过程设计出的图形，是通过经过“优化设计参数→调用SolidWorks绘制三维图形→二维工程图”生成的图形保存在图形库中得到的。

　　2.2.3 CAD系统部分中的扫描图形

　　这部分图形是由于在采用本CAD/CAPP系统以前，由手工画图存放的纸质工程图纸形成，这些工程图纸对生产还有很大的用处，使用这些已经绘制好的图纸可以节省图纸的重绘时间，提高工作效率，所以，有必要再使用;那么利用方法就是把这些纸质图形经过扫描保存电子版加入CAD子系统中的图形库。

　　2.3 CAD子系统优化设计流程

　　变截面高速轴的CAD部分主要由以下几部分组成：

　　(1)结构参数的优化设计;

　　(2)图形的自动绘制。

　　工作过程为：输入相关参数，然后经过最优化设计计算得到轴的最优结构参数，然后把这些参数输入由VC++制作的输入界面，点击“确定”按钮，那么此VC++就可调用SolidWorks绘制所需要的三维图形，然后由这些单位图形转化为二维工程图。本CAD子系统优化设计的流程见图3所示。

　　图3 CAD优化设计流程

　　2.3.1 软件设计

　　(1)变截面高速轴基本参数输入模块

　　此模块采用人机交互方式，利用VC++对人机交换窗口进行制作，并在程序编辑模块中添加修改代码，来完成调用SolidWorks自动画出所需要的图形，这就完成了CAD子系统的设计;其功能为：输入轴的基本参数后，进行优化设计;所输入主要参数有轴的小径、轴的大径、轴的长度等。

　　3 变截面高速轴CAPP系统部分设计

　　3.1 CAPP子系统工作过程

　　3.I.1半创成式CAPP系统设计

　　本子系统是一个半创成式CAPP系统;本系统主要有两个作用：一方面，新零件图可由半创成式CAPP系统生成新的工艺文件，另一方面，对于以前曾经生成过零件图的工艺可以通过检索式CAPP检索得到，不再需要重新生成。

　　(1)CAPP系统的工作过程

　　CAPP系统的工作过程如下：

　　调入CAD系统的图形，拾取零件图的特征，然后通过扫描、搜索、遍历特征数据库，给零件特征匹配相应的特征，然后给零件的特征匹配合适的加工工艺步骤，在此步完成后，给各个特征的加工工艺步骤按照一定的规则排序，初步生成加工工艺卡，然后通过人机交换界面对之必要的修改，生成详细工艺卡，生成流程见图4。

　　图4 半创成式CAPP系统工作流程

　　由上述步骤生成的工艺卡经过一定的编码规则编码后存入本CAPP工艺库，生成检索式CAPP需要的工艺库，当再需要的时候，只要输入这个工艺卡的编码就可以检索出此工艺卡，当需要与此轴形状或工艺很相近的零件的工艺时，可以检索出后稍加修改即可使用，这样可以节省时间，提高工作效率。

　　3.1.2关键模块介绍

　　(1)工艺库的建立

　　由上图l可见工艺库的存在是很有必要的，原因就是：由于变截面高速轴有大量的重复性重复性工艺设计工作，为了提高工作效率，有必要建立零件的工艺库，在工艺设计时就可以调用该工艺库中的工艺相似的工艺，通过人机界面来判断是否需要修改，需要修改的，稍微修改即可使用，本工艺库的工艺文件主要来自于半创成式CAPP生成的工艺文件，是通过保存半创成式CAPP生成的工艺文件实现。

　　3.1.3 变截面高速轴CAPP软件设计

　　此模块仍然采用人机交互方式，利用VC++对图形输入窗口进行制作，同样在程序编辑模块中添加修改程序代码，来完成实现调入所需要的图形的功能和生成初始工艺卡、能够添加修改生成的工艺卡的功能，这就完成了CAPP子系统的软件设计，其功能为：调入图形，点击“生成工艺卡”按钮，则自动生成对此零件的加工工艺卡，因此工艺卡是利用插入Excel格式的文件，所以，若对生成的工艺卡不满意，则可以对之修改。

　　4 结束语

　　笔者设计的这种CAD/CAPP集成系统，运用优化设计原理实现图形结构参数的优化设计，利用VC++对SolidWorks进行二次开发，实现图形的自动绘制，设计半创成式CAPP系统构成本CAD/CAPP集成系统的CAPP子系统，实现工艺卡的自动生成，本系统节省设计时间，提高设计效率和设计质量，提高了实现零件的自动化设计的水平。