面向CAD/CAPP集成的零件信息描述方法的研究 宋愛平1,2， 張軍2 (1.東南大學(xué) 機(jī)械工程系，南京,210096 ； 2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州，225009)摘要：零件信息的描述及其數(shù)據(jù)的處理過程是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP集成的關(guān)鍵。文中論述基于特征的零件信息描述方法，對(duì)于回轉(zhuǎn)體零件以形體特征描述為主導(dǎo)，對(duì)于箱體零件以基于零件典型實(shí)例的特征形面描述為依據(jù)，從而為實(shí)現(xiàn) CAD與CAPP的順利集成奠定基礎(chǔ)。本文在分析基于實(shí)例和特征的零件信息描述方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的應(yīng)用系統(tǒng)闡明該方法的應(yīng)用過程。 關(guān)鍵詞：形體特征，典型實(shí)例，集成，CAPP 中圖分類號(hào)：TH1631 引言CAPP接收零件信息的理想方式是CAPP與CAD集成，然而由于二者研究的側(cè)重點(diǎn)不同，造成CAD與CAPP難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。對(duì)CAD系統(tǒng)而言，最重要的是“幾何形狀信息”，而在CAPP中最重要的是“加工信息”，零件信息要以加工特征為單位來標(biāo)識(shí)。由于幾何特征與加工特征之間存在較大區(qū)別，如何實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP間的信息交換是實(shí)現(xiàn)CAPP與CAD集成的關(guān)鍵1。零件信息的描述方法及其零件特征數(shù)據(jù)的處理是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP集成的關(guān)鍵1。為了實(shí)現(xiàn) CAD與CAPP的集成，在本文中論述的方法是零件信息（幾何信息和工藝信息）由輸入子系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)化為工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)能識(shí)別的代碼形式，從而解決工藝生成所需的零件信息。在對(duì)不同類型零件的信息描述方面，回轉(zhuǎn)體與非回轉(zhuǎn)體采用不同的方式：回轉(zhuǎn)體以零件加工單元（形體特征）分解法分段輸入，根據(jù)各形體單元基于軸線的位置關(guān)系組成圖形；非回轉(zhuǎn)體形狀復(fù)雜，無法仿效回轉(zhuǎn)體以軸為基準(zhǔn)將空間三維簡(jiǎn)化為二維，就運(yùn)用成組技術(shù)原理，零件按相似性分組，分組建典型實(shí)例，由典型實(shí)例圖形引導(dǎo)零件整體結(jié)構(gòu)信息和各形面特征的輸入。 2回轉(zhuǎn)體零件的信息描述與處理21 形體特征分解零件形體要素就是指零件上一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元功能體，它一般是由幾個(gè)簡(jiǎn)單的形面構(gòu)成2。為了方便地繪制零件圖形，描述零件工藝信息，對(duì)于紛繁復(fù)雜的零件形式，首先從中歸納出為數(shù)不多的典型形體，再構(gòu)造相應(yīng)的形體繪圖函數(shù)及形體特征描述函數(shù)。在回轉(zhuǎn)體零件中眾多復(fù)雜的零件圖形都是由有限的簡(jiǎn)單形體構(gòu)成，相反，用幾種簡(jiǎn)單的基本圖形可以拼合成多種復(fù)雜的零件圖形。但是在CAPP系統(tǒng)中圖形的分解除了受零件信息輸入方式的限制外，還要考慮別的因素： 零件圖形的分解不僅考慮零件的幾何形狀，而且要顧及零件視圖上各部分的功能，每塊都應(yīng)能構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元功能體； 零件圖形的分解要避免零件信息的重復(fù)輸入，但也不能有遺漏； 零件圖形的分解還要考慮拼合處理過程盡量簡(jiǎn)單，編制程序容易實(shí)現(xiàn)。如圖1齒輪傳動(dòng)軸 圖形可分解為下面六個(gè)單元功能體（形體）。 圖1 齒輪傳動(dòng)軸形體分解 綜合眾多零件的形體特征，對(duì)于軸類零件歸納出如表1的形體特征圖：形體名稱簡(jiǎn)圖基本形面柱體ZM柱面內(nèi)孔倒角面退刀槽帶鍵槽柱體ZJ柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽鍵槽徑向孔帶左過渡圓柱體ZG柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽,鍵槽過渡圓半徑徑向孔帶右過渡圓柱體ZY柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽，鍵槽過渡圓半徑徑向孔左向錐體VZ柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽徑向孔錐度右向錐體VY柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽徑向孔錐度 帶螺紋柱體ZL柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽徑向孔螺紋面帶齒輪柱體ZC柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽徑向孔齒輪帶花鍵柱體ZH柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽徑向孔花鍵帶蝸桿柱體ZW柱面，內(nèi)孔倒角面退刀槽徑向孔蝸桿 表1 軸類零件的形體特征 22 零件形體特征描述及零件圖形的繪制圖2 形體特征的描述界面針對(duì)上面描述的軸類零件的特征形體，需逐一編制相應(yīng)的形體特征描述程序及零件圖形的繪制程序。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中選擇了目前應(yīng)用廣泛的AutoCAD作為繪圖環(huán)境，通過AutoLISP圖形開發(fā)工具和DCL工具，編制形體特征描述及零件圖形的繪制程序。圖2是描述柱體特征的界面，所有描述數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在零件特征數(shù)據(jù)文件中，用于零件圖形的自動(dòng)繪制和CAPP的工藝設(shè)計(jì)。 描述及繪制軸類零件的程序流程圖如圖3： 確定零件繪圖比例和繪圖基點(diǎn) 選擇零件右端特征形體并輸入其特征參數(shù) 將該段形體特征數(shù)據(jù)記錄于零件特征數(shù)據(jù)文件中 繪制右端特征形體圖形并標(biāo)注尺寸 選擇零件下一段特征形體并輸入其特征參 計(jì)算下一段特征形體的繪圖基點(diǎn) 繪制特征形體圖形并標(biāo)注尺寸 將該段形體特征數(shù)據(jù)記錄于零件特征數(shù)據(jù)文件中 完成各形體的描述？ N Y 編輯零件圖形 保存圖形文件 圖3 描述及繪制軸類零件的程序流程圖在CAPP系統(tǒng)中，不僅需要零件的幾何信息，還需要零件的工藝信息。以上闡述的形體描述程序不僅能繪制零件幾何圖形，同時(shí)可以將零件的幾何信息和工藝信息以一定的格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件中。零件特征數(shù)據(jù)文件中存儲(chǔ)著齒輪傳動(dòng)軸的特征描述數(shù)據(jù)如下 ：&03135353*ZM=D40.0=L46.0=Th6=A0.16=H240*DJ=L2.0*TC=D36.0=W4.0* &03135353*ZM=D60.0=L60.0=Th9=A6.30=G6.0* &03135353*ZM=D100.0=L50.0=Th7=A3.20=H240*DJ=L3.0*DJ=R3.0*TC=D65.0=W5.0*CL=M2.5=Z40.0=Th7=Q0.0* &03135353*ZM=D70.0=L75.0=Th7=A0.16=H240*DJ=R2.0*TC=D45.0=W4.0*JC=L40.0=W8.0=Th7* &03135353*ZM=D50.0=L46.0=Th6=A0.16=H240*DJ=R1.0*TC=D32.0=W3.0* &03135353*ZM=D36.0=L30.0=Th7=A3.20=H240*DJ=R1.0*LW=M36.0=Z1.0=Th7=S2.0*通過這一數(shù)據(jù)文件，就可以實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP的順暢銜接。對(duì)于盤套類零件也可歸納出一些類似的形體特征，用于盤套類零件的信息描述和工藝設(shè)計(jì)。3箱體類零件的信息描述與處理 31 箱體類零件的信息描述由于箱體類零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不可能歸納出為數(shù)不多的特征形體。目前常用的基于特征形面的描述也難以全面、準(zhǔn)確地描述零件的整體結(jié)構(gòu)及各形面之間的關(guān)系；同樣基于零件幾何拓?fù)湫畔⒌拿枋鲆策^于繁瑣，表面特性難以表達(dá)，不便于工藝分析與推理4。因此本文提出了基于典型實(shí)例的特征形面描述法。該描述法包含二層含義，第一是零件整體結(jié)構(gòu)的的定義和描述；第二是依附于零件整體結(jié)構(gòu)下的各形面的描述。對(duì)于零件整體結(jié)構(gòu)的描述主要依據(jù)成組技術(shù)原理，零件按結(jié)構(gòu)相似性分組，每組建立一個(gè)典型實(shí)例圖，由典型實(shí)例圖引導(dǎo)圖形參數(shù)的輸入；對(duì)于零件各加工面及其包含的功能面的信息描述仍采用特征形面描述法，將箱體中常出現(xiàn)的形面歸納起來，建立各個(gè)特征形面描述函數(shù)，各形面的描述都是在實(shí)例圖的引導(dǎo)下進(jìn)行，這樣也便于描述各形面的位置及其關(guān)系，保證零件信息的完整描述，從而方便于箱體零件的圖形繪制及其工藝設(shè)計(jì)。32 基于零件典型實(shí)例的特征形面描述法建立該描述法要從二個(gè)方面入手，一方面是零件典型實(shí)例的建立；第二方面是特征形面的歸納與處理。零件典型實(shí)例的建立是以成組技術(shù)為指導(dǎo)思想，按照零件的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分組，主要考慮加工件的定位與夾緊方式的不同和零件總體加工方案的差異，而不過細(xì)的分析加工面的個(gè)數(shù)及加工面上包含的特征形面的不同，這樣就可以較粗的按照零件的整體結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行分組，每組制定一個(gè)典型實(shí)例，建立描述方案，從而以較少的典型實(shí)例包容較多結(jié)構(gòu)不同的具體零件。如圖4 為一個(gè)典型實(shí)例圖，圖5中的幾種圖例都可以依據(jù)圖4的描述方案輸入整體結(jié)構(gòu)參數(shù)及各形面特征。圖4：典型實(shí)例圖 圖5：與A圖描述方案一致的圖例 零件整體特征的描述采用成組編碼系統(tǒng)描述，該編碼系統(tǒng)主要用于描述零件的整體結(jié)構(gòu)及其主要屬性，各加工面上包含的功能面在編碼系統(tǒng)中忽略，從而簡(jiǎn)化了編碼系統(tǒng)和編碼系統(tǒng)的使用過程。編碼系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如表2。 碼位 一 二 三 四 五 六 七 八 零 零 主 零 回轉(zhuǎn)體 件 件 要 件 最 最 材 毛 類 類 外 定 大 高 料 坯 別 別 部 位 長(zhǎng) 精 分 分 非回轉(zhuǎn)體 粗 細(xì) 特 方 度 度 類 類 分 分 征 案 表2：編碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)該編碼系統(tǒng)是為了識(shí)別零件的整體結(jié)構(gòu)的相似性而建立，其目的是辨別零件的整體形狀特征和加工條件，因此不需要較多的碼位，但為了有較好的辨認(rèn)能力，要求越前面的碼位其反映不同的零件整體形狀特征及加工條件的能力越強(qiáng)5。特征形面主要用于描述各加工面上的孔、面、槽等功能面，它是在實(shí)例圖的引導(dǎo)下進(jìn)行。箱體零件中主要包含的特征形面如圖6。箱體零件 特征形面零件整體結(jié)構(gòu)特征 (實(shí)例)直槽半圓槽T形槽U形槽V形槽通孔沉孔臺(tái)階孔螺紋孔錐孔銷孔其他功能形面槽面孔編碼系統(tǒng)倒角倒圓凸臺(tái)面其它面平面柱面錐面曲面 圖6： 箱體零件的特征形面圖7： 箱體零件信息描述界面圖7是箱體特征的描述界面，該零件的編碼為31433352 ，通過相似性識(shí)別該零件的描述方案與該圖例相似，這樣就可以在該圖例的引導(dǎo)下輸入編碼為31433352 的零件信息。零件上的多個(gè)加工面及孔等形面將逐個(gè)描述，其描述數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在零件特征數(shù)據(jù)庫中，供工藝分析使用，同時(shí)傳遞給參數(shù)化的圖形繪制程序，實(shí)現(xiàn)圖形的繪制。從而實(shí)現(xiàn)箱體類零件的CAD/CAPP的集成設(shè)計(jì)。4總結(jié) 針對(duì)回轉(zhuǎn)體零件和箱體零件，分別采用基于零件形體特征的描述法和基于零件典型實(shí)例的形面描述法。這二種方法都是以零件特征為基礎(chǔ)，以特征圖例引導(dǎo)零件的幾何信息和工藝信息輸入，將零件的整體結(jié)構(gòu)信息和局部形面信息綜合處理，局部特征形面依附于零件的整體結(jié)構(gòu)。這樣在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，就可以在零件整體工藝方案的基礎(chǔ)上處理零件特征形面的加工工藝方法，而不是孤立的分析各形面的加工工藝。以上所論述的零件信息輸入法以應(yīng)用于KYCAPP系統(tǒng)，該CAPP系統(tǒng)已在多家機(jī)械制造企業(yè)使用。該描述法直觀、簡(jiǎn)明、通用性強(qiáng)。在構(gòu)造該描述法時(shí)，加上零件的特征重構(gòu)和擴(kuò)充功能，將大大提高CAPP系統(tǒng)的通用性。主要參考文獻(xiàn)：1 孫大涌 主編 , 先進(jìn)制造技術(shù) , 機(jī)械工業(yè)出版社M 2000.2 2 鄖建國、呂一鳴 , 基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的箱體零件CAPP系統(tǒng)的特征描述法J, 機(jī)械工藝師 2001.4 ， 17203 邢建國、譚建榮, 實(shí)例檢索策略及其在減速器零件CAPP中的應(yīng)用J, 中國機(jī)械工程 2000.9 ， 106410674 蔡力鋼、李培根 等, 基于Web的CAPP若干關(guān)鍵技術(shù)J, 中國機(jī)械工程 2000.5 ，5165195 宋愛平、李益民、曾勵(lì)，敏捷制造策略下CAPP與車間作業(yè)計(jì)劃集成設(shè)計(jì)技術(shù)J, 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào) 2002.4 ， 5053The Methods of Describing Parts Information Facing to the Integrate Design of CAD/CAPP Song ai-ping1,2 , Zhang jun 2 ( 1.Dept. of Mechanical Engineering, Southeast Univ. , Nanjing 210096, china2. College of Mechanical Engineering, Yangzhou Univ., Yangzhou 225009, china )Abstract: The methods of describing part information and handling its data are the key of the CAD/CAPP integrated designing. The papers discuss the approaches of describing parts information according to the features for realizing the integrate design of CAD and CAPP. A way is describing the information with body features for the turning parts, other way is describing part form features basing on typical instance for the box parts. The papers explain the applied procedure of the methods in practical system.Key Works : Body feature, Typical instance, Integration, CAPP個(gè)人簡(jiǎn)介： 宋愛平 ，男 ， （1965 ）， 江蘇省興化市人，現(xiàn)為東南大學(xué)博士研究生，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要從事計(jì)算機(jī)集成制造及先進(jìn)制造技術(shù)的研究。 郵 編：225009 聯(lián)系地址：揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造部 （宋愛平） 電 話：0514-7861298 E-mail： apsongtom.com