研究利用分层建模技术的CAD／CAPP／CAM集成系统

　　CAD/CAPP/CAM集成系统在不同的阶段需要不同层次的设计和制造信息.在零件结构设计时主要需要基本特征的几何信息和零件的整体构造信息;在工艺规划阶段则需要各个特征的制造要求和整体零件的制造要求信息;在数控编程酬段则需要用于特征成形和零件整体成形的几何信息和加工要求信息.为了全面表达零件在集成制造过程印所需的设计和制造信息，便于在集成制造的不同阶段顺畅地进行信息的提取和交换.本研究分别从特征层和零件层两个层次来建立回转体零件统一的全局数据表达模型.特征层的信息模型描述所构成零件的基本几何特征信息和制造信息.零件层的信息模型表达零件的整体特征构成信息、各个特征问的兼联与约束以及零件的制造要求等信息.

　　1集成系统的总体模型

　　本CAD/CAPP/CAM集成系统可以完成从结构设计、工艺设计、自动数控编程和加工仿真等一体化制造过程.系统由4个子系统组成：零件结构设计、零件子工艺设计及人工交互工艺编辑、自动数控编程和数控代码的实时动态仿真.

　　零件结构设计完成零件统一数据模型的建立和完成从零件特征模型到零件统一轮廓表达模型的转换，为CAPP、CAM子系统提供设计和制造信息.

　　零件子工艺设计及人工交互工艺编辑完成零件的可加工子工艺自动生成和人工交互工艺设计，并为自动编程系统提供编程依据.

　　自动数控编程解释可加工子工艺自动生成的工艺，形成数控加工代码.

　　实时动态仿真功能执行零件数控代码，对零件的数控加工代码进行合理性检查并产生仿真报告和显示仿真结果.系统总体模型如图1所示.

　　图1 CAD/CAPP/CAM集成系统总体模型

　　2集成系统的零件设计

　　零件的结构设计过程是建立零件统一数据模型的过程.在集成系统中，以统一数据模型为基础来组织零件结构设计、工艺规划和自动编程等活动，当统一数据模型发生变化时，与其相关的设计制造活动均要发生相应的变化.零件结构设计是统一数据模型的信息表达与管理的核心，通过对统一数据模型的操作来实现对相关工艺规划和自动编程环节的调整和控制.基于对集成系统的建模分析和要求，这里将零件结构设计分为特征层结构设计和零件层结构设计.

　　特征层结构设计是指以构成零件的DM特征为设计对象对其进行详细结构设计和制造信息集成的设计过程.特征层结构设计主要包括以下内容：1)特征库的建立，包括基本特征库和构造特征库;2)基本特征参数输入和参数修改;3)特征的详细结构设计.如倒角、倒圆角等;4)构造特征的结构设计与制造信息集成.如图2是特征层的对象行为图，该图可看出本集成系统面向对象程序设计的对象或对象间的归纳和聚集关系.

　　图2特征层的对象行为模型

　　零件层设计是在特征层结构设计基础上用DM特征表达零件的完整构造的设计过程，可以表达零件特征构成、各个特征间的约束关系以及零件整体的制造要求.通过零件层的设计活动，可以实现对零件的不同加工阶段的调控.零件层结构设计主要包括以下内容：

　　1)对特征的编辑操作：如特征的插入、删除、零件调头等;2)特征间的圆角过渡计算;3)特征表达模型向统一轮廓表达模型的转换;4)零件技术信息输入，主要包括零件名称，编号，绘图比例，生产批量，毛坯类型及尺寸，材料，热处理等信息.

　　3 可编程零件加工子工艺自动工艺规划流程

　　为了使CAPP的作用得到充分的体现，真正地通过CAPP系统来表达设计者的加工意图，并将这种宏观上的加工描述直接转化为对应的数控代码，须要建立一个对CAPP系统进行集成和解释的机制，才能使CAPP系统在CAD/CAPP/CAM集成系统中真正地起到桥梁的作用旧.根据统一数据模型的建模思想和零件子工艺的规划要求，将可编程子工艺路线的自动规划分为两个层次：特征层工艺规划和零件层工艺规划.

　　特征层工艺规划针对每一个DM特征，根据其具体的制造要求，生成各特征的加工工步链，即特征工艺段.特征工艺段是零件层子工艺路线生成的依据和基础.

　　零件层子工艺路线自动规划是对特征层生成的特征工艺段的宏观排序和优化，经过拓扑排序和宏观优化后可以得到可被CAM系统直接利用的详细加工工艺.

　　零件层子工艺设计包括毛坯设计、加工基准选择、夹紧方式和夹具选择、工艺路线自动生成、工艺交互编辑和修改等.其中毛坯设计包括毛坯类型、材料的选择和毛坯尺寸的确定;加卫基准选择、夹紧方式和夹具选择、加卫轮廓选择和加工循环方式选择均由系统给出多种可行方案，由操作人员具体决策和选用.

　　可编程工艺规划流程如图3所示.其中黑线以上部分为零件层子工艺路线规划，黑线以下部分为特征层子工艺路线规划.在统一数据模型的基础上，采用人机交互的工艺设计方法，将零件的工艺规划划分为若干可编程子工艺分别进行规划.先确定构成零件的各DM特征的加工工步链，然后对各个特征的加工工步链进行组合排序，生成一个零件的加工子工艺.在自动生成零件加工子工艺的基础上，通过工艺编辑器进行子工艺编辑和重组后，可以生成零件的完整的可加工工艺路线.

　　图3可编程零件加工子工艺规划流程

　　4自动数控编程与仿真

　　自动数控编程是把可编程子工艺路线中加工过程的描述转化为相应的数控代码，以完成零件的实际加工.在集成系统中，零件是基于DM特征建立起来的，要完成整个零件的加工，需要有对零件整体的加工过程，还要有对构成零件的特征的加工过程.根据统一数据模型的建模要求，将自动数控编程分为两个层次：特征层自动数控编程和零件层自动数控编程，可以更好地实现从子工艺路线到具体的轨迹生成算法间的映射，同时使零件结构设计、工艺规划和自动编程在统一数据模型的基础上得到了高度的统一，以保证各子系统的信息交换可以顺畅地进行.

　　特征层自动数控编程是完成单个特征成形的加工过程.特征层的加工过程只涉及待加工特征的表面轮廓.在零件加工子工艺中，单个特征的加工是以加工工步来描述的，而在自动数控编程中单个特征的加工则对应着具体的刀具轨迹规划算法，如切槽加工在子工艺中表示为切槽加工工步，在自动数控编程中则对应着切槽加工轨迹规划算法.建立这种映射关系使特征的mI直观方便啪.本系统的特征层自动数控编程包括：切槽加工、车螺纹、车端面、滚花和钻孔刀具轨迹规划等.

　　零件层自动数控编程是完成零件整体或局部表面轮廓的加工过程.零件层的加工将涉及多个待加工特征的表面轮廓，并且以多个特征表面轮廓所构成的完整轮廓为加工对象.本系统的零件层自动数控编程包括：纵向切削、横向切削和等轮廓切削粗加工切削循环、凹轮廓切削、精切削加工刀具轨迹等，其中的凹轮廓切削加工是一种局部轮廓加工方法.零件层自动数控编程的每一种加工方法在加工子工艺都对应着一个加工工步，可以在自动数控编程中进行统一调度.在集成系统中，建立一个刀具轨迹类来实现统一管理各种切削加工循环方式的刀具轨迹生成.

　　图4所示为一个轴类零件运行实例.整个零件由圆柱、圆锥、圆弧、螺纹等多个特征构成.其具体加工过程涉及多个加工工步，经过各个子工序组合，完成了整个零件的工艺路线生成及其数控加工仿真.

　　图4典型轴类零件加工实例

　　5结论

　　利用面向对象建模技术，建立了零件统一数据模型，并以此为基础建立了支持CAD/CAPP/CAM集成的软件体系.建立了可编程零件子工艺规划数据模型，以实现从结构设计到自动数控编程的连接.为了在集成系统中建立顺畅的信息提取和交换通道，在人机交互中有效地发挥工艺人员的指导作用，将统一数据模型分为零件层数据模型和特征层数据模型进行表达，并从这两个层次来统一规划结构设计、工艺规划、自动数控编程等制造活动，将工艺人员的智能决策有机地集成在系统中.软件运行实践表明该集成方法有较好的效果.