一种实现CAPP与CAD/CAM集成的方法

    随着计算机技术和现代工业的飞速发展，CAD/CAM也经历着由二维设计技术向三维设计技术的发展。CAPP是实现产品由设计到实物的必经阶段，其在制造系统中的地位不言而喻。但是，总的看来，目前国内外CAPP系统仍以卡片编辑、工序图绘制、工艺参数计算为主，处于较为低级的水平，与发展较为迅速的CAD/CAM技术相差甚远，不利于与CAD系统的集成，成为限制制造业发展的瓶颈。因此，CAPP与CAD集成的问题就显得日益迫切。

1 集成方式比较

    目前，CAD/CAPP集成方法主要有以下几种：

    (1)基于标准中间文件的系统集成。基于中间文件的集成方式优点在于能用性好，非常灵活。但是中间文件的数据交换标准非常的复杂，使得系统开发的工作量大，研制周期长，开发成本较高。

    (2)基于PDM的CAD/CAPP集成方式。PDM(Product Data Management)技术是以软件技术为核心，通过计算机网络和数据库技术，将所有产品信息和过程储存在同一数据平台上，进行统一的管理。但是PDM仅仅实现了子系统间信息传递的管理和控制、信息的载体仍然是文本，因此并不是真正意义上的集成。

    (3)直接集成。这种集成方式把CAD和CAPP作为一个整体来规划和开发。CAPP的功能直接在CAD平台上进行开发实现，整个系统高度集成。其最大特点在于CAD和CAPP是一个高度集成的整体，有效地实现了CAD/CAPP系统的信息集成和功能集成。

2 工序化建模原理

    本文所完成的CAPP系统是与CAD/CAM直接集成的，主要依赖于特征建模技术。

    本文提出了一种完成特征建模的方法—工序化建模。工序化建模的定义为：依照零件加工工序，将零件的完整信息(包括CAPP系统所需信息如精度，材料等)融合于零件各几何特征中的一种特征建模方法。

    工序化建模有以下特点：

    (1)建模过程就是加工过程。建模是工艺师依据加工工序而来，模型的每一次变动都体现了每道工序的加工内容。

    (2)零件的CAPP信息融合于几何特征上。除几何模型之外的各种信息以不同方式融合在了CAD模型中，几何模型的每一步改变都包括了CAPP信息的变更。

    (3)满足特征建模的要求。工序化建模是特征建模的一种实现方式，它不仅能使CAPP信息集成于CAD模型中，本身也完成了工艺过程的创建。

3 工序化建模过程

    完成工序化建模需要两个必要的条件。其一：一个完善的CAD/CAM系统，以完成零件几何模型的创建；其二：一个数据库系统，用来存放并管理除几何模型以外的信息，而这些信息是目前的CAD/CAM系统无法识别的。

    根据系统开发实例，将工序化模型的建立分为以下几步：

    (1)特征分类。通过分析机械产品大量的零件图样信息和加工艺信息。可将构成零件的特征分为管理特征、技术特征、材料热处理特征、精度特征及形状特征五类。

    (2)确定各特征的主次联系。在建模过程中，形状特征(几何特征)是可以利用CAD系统直接创建的，是主要特征。而其余特征，现有CAD系统无法创建，必须借助于其它工具(本文将这些信息以数据形式存入相应的数据库中)才能实现与CAD系统的集成，并且它们都依赖于几何特征。因此非几何特征与几何特征之间便有了主次关系，可以把非几何特征看成是几何特征实体的属性。

    (3)安排几何特征加工路线。即：创建典型加工工艺。在创立典型加工工艺时，不仅要考虑零件的加工过程，也要考虑到CAD系统创建零件模型的能力与特点。结合二者创建加工过程的几何模型，这是最为关键的一步。

    (4)创建几何模型同时添加其它特征。通过输入的方式将几何特征之外的次要信息输入到相应的数据库中。这些数据与几何特征做了连接，可以准确地在显示系统(输出、仿真系统)中显示这些次要信息。

    工序化建模不仅要求几何模型具有准确的零件外形，而且还必须包括每一道工序后的几何形状，其建模过程是具有一定难度的。建模过程应按照以下原则进行：

    (1)各几何特征应尽量独立。即：各几何特征之间尽量不要存在父子关系。这样可以尽可能减化约束关系，便于模型的编辑，模型重生时不会导致重生失败。

    (2)必要的参数化。建模过程中，尽量使用CAD系统的特征造型方法，尽量使几何特征简单。这样便于修改其参数，实现参数化，增加灵活性。

    (3)尽量以去除材料为主。工序化模型中模型的创建过程本着由毛坯到成品的加工过程去创建。这一过程是一个由易到难，由简单到复杂的过程(相对而言，毛坯几何形状比成品简单)。遵循这个规则可以降低建模难度，并且符合加工习惯。这一过程基本以去除材料为主(一般毛坯的体积大于成品)，因此，一般提倡以去除材料法去建模。这样建模的另一个好处是不会导致特征间联系中断。

    (4)分组。在CAD系统中所建立的几何模型并不是每一步都是加工必需的，即不一定步步与加工工艺符合。必须将这些特征按加工工序归为一组，确保每一个几何特征(或特征组)对应一个工序或工步。

    当完成了工序化的几何模型以后，CAD/CAM系统便可自动识别所创建的几何模型。虽然此时CAD系统可以显示各道工序的几何外形，但是并没有相应的工艺信息。我们需要一个数据库来完成这些信息的添加。

    工艺设计过程中所涉及的工程数据可以大致分为三类：

    (1)机械设计方面的数据。主要是那些在零件设计过程中确定的体现设计技术要求同时又对加工工艺具有影响的数据。

    (2)机械制造方面的数据。主要是那些加工过程中涉及的工艺、设备、工装等方面的资料。此类数据是工艺设计的主体内容。

    (3)生产管理方面的数据。主要是那些在制造过程中与管理有关并影响工艺设计的信息数据。分页

    工序化模型本身包含特征的所有信息，但是除了几何特征外，其余信息无法直接在CAD模型中显示，因此均是把其看作几何特征的属性与几何特征联系在一起的。其关系如图1所示：

图1 数据关系

    以上各种数据又可分为两类：一类是与加工特征相关的，比如加工工序名称、加工尺寸等，这些数据查询时需要用到几何特征的ID号；另一类是与加工特征无直接关系的，比如公差数据，这类数据查询时不需要直接用到几何特征的ID号。按规范化原则，并依据数据对几何特征的依赖程度设计数据库的E-R图，如图2所示。

    通过上面的E-R图去创建数据库。在系统开发过程中，主要用到的数据库如下：

    (1)模型库。用于存放各种不同类型产品的各种工序化模型。

    (2)特征信息库。存放各道加工工序工艺信息。

    (3)公差库(主要是尺寸公差)。存放各类公差数据。

    (4)其它静态数据库。存放系统所需的其它数据。比如：工序间余量、加工设备、刀具等。

图2 数据的E-R模型

4 应用实例

    本文论述的CAPP系统强调工程化的应用，将系统定位在“辅助工具”上。它着重解决工艺的快速输入和快速形成、工序图形的快速生成和编辑、工艺师在CAPP系统中的主导作用，不强调工艺的自动化。

    依据上述思想，西南石油大学钻头实验室完成了三牙轮钻头CAPP系统的开发。该系统是在Pro/E系统的基础上通过二次开发的方式完成的，用到编程环境为Visual Basic 6.0，数据库系统为SQL Server 2000。目前该系统可以完成以下几个部分的功能。

    (1)信息录入功能。可以在Pro/E的环境下创建零件的工序化模型，并且可以同时完成相应工序下相关CAPP数据的填充，方便地查询加工设备、刀具、夹具等工装设备信息，以帮助工艺师完成工艺创建。

    (2)工艺过程显示功能。可以在CAD平台上以三维的方式显示零件的加工过程、装配过程，并且可以在三维的零件模型上显示各工序需加工的尺寸数值及公差数值。

    (3)特征编辑功能。可以针对重要部件做参数化修改，以产生新型号的产品，并快速生成新加工工艺。

    (4)文件输出功能。主要输出指导加工生产的工序卡片，包括工序简图。

操作流程如图3所示。

图3 操作流程

5 总结与展望
   
    与目前广泛使用的二维CAPP系统相比较，该系统具有以下优势：

    (1)该CAPP系统是直接与三维的CAD/CAM系统集成的。任何一次对模型的修改结果都可以直接在相应的三维CAD平台上看到，更加符合人们的设计习惯。

    (2)可在工艺设计中发现零件设计缺陷，直接快速修改设计模型。这与传统的设计、工艺分开的理念是不同的，也是以后加工工艺编制的发展方向。

    (3可利用现有的CAD/CAM平台进行装配干涉检查、受力分析、模拟加工等，而无需转换文件格式。

    由于采用工序化建模大大降低了CAPP与CAD/CAM系统集成的难度，并且可以直接与现有的CAD/CAM系统集成，因此，这将是开发CAPP系统的主要方法之一。