基于特征造型的整体回转面刀具CAPP软件系统

kevinlan

摘　要：应用特征造型技术，在微机上以Windows95为操作平台，以VB5．0、VC＋＋5．0和AutoCAD　R14　for　Windows为开发语言开发了实用化的整体回转面刀具CAPP软件系统。介绍了该软件系统与CAD、CAM等其它模块的集成方式以及各类数据库的建设、管理和接口。
关键词：整体回转面刀具　CAPP软件　CAD／CAPP／CAM集成　特征造型　数据库　接口
: F' h9 n' u- F7 c" i3 S  |( AFeature-molding-based CAPP Software System for Monolithic Rotary Cutters
Wang Dazhen et al
Abstract：By applying the feature molding technique，an utility CAPP software system for monolithic rotary cutters is developed on PC by using Windows95 as operating platform，VB5．0，VC＋＋5．0 ａnd AutoCAD R14 for Windows as exploiting language．The exploiting process of the CAPP software system，integration of CAPP with CAD，CAM modules ａnd the construction，management ａnd interface of databases are introduced．
Keywords：monolithic rotary cutter CAPP software integration of CAD／CAPP／CAM feature molding database interface
一、前　言
6 P5 a8 M0 \! h% k7 y　　整体回转面刀具是用于加工复杂、特殊形状工件的重要刀具，其需求量随着先进加工技术的发展而不断增加。为了高效率、高质量地设计和制造该类刀具，必须实现整体回转面刀具CAD／CAPP／CAM的集成化。因此，开发整体回转面刀具CAPP系统软件十分必要。目前，国内刀具生产企业配备计算机工作站的还不多，大多借助微机进行刀具设计和制造。为此，我们在微机上利用VB5．0、VC＋＋5．0、AutoCAD　　R14等开发工具开发出了整体回转面刀具CAPP软件系统。
二、软件系统的功能要求
) _, z+ N3 M& e" R8 p) \0 d　　为了产生优化的工艺过程卡、工序卡、工步卡等CAPP技术文件及实现与其它相关模块间的信息共享，本软件系统要求具有以下功能：
9 O/ m& i4 `0 W1 \% d　　（1）可利用特征造型技术向CAPP提供足够的信息支持，从而实现CAD、CAPP、CAM模块间的高度集成和数据共享；
　　（2）拥有完善的工艺数据库、知识库及高效接口；
0 _% L/ J: L0 u( W　　（3）具有管理CAPP文件历史记录及对不同型号刀具进行选择、编辑的能力。
4 d) G1 g6 ?$ y2 x, ?　　为便于操作，还利用Windows编程技术编制了完整、友好的用户界面。此外，由于该系统软件采用了基于特征造型的参数化设计方法，因此具有较好的通用性。
三、软件系统的设计与开发
1 j1 {3 ?. n9 H8 C- a　　为了探讨CAD／CAPP／CAM集成技术应用于各类整体回转面刀具设计、生产过程的可能性及实现方法，本文就软件开发过程中涉及的理论问题进行了分析。
　　1．特征造型技术的应用及整体回转面刀具的特征分析
2 U# X8 b- l! X8 w) Z! r　　为了使CAPP从CAD中得到足够的信息用于工艺决策，信息的采集与处理方式应从传统的实体造型信息模型转向特征造型信息模型。特征造型信息模型具有以下优点：
　　（1）能更完整地表达产品的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。
% x& C2 L2 H! i- `" e, M# T　　（2）可使产品设计工作在更高层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔等。
9 _. t. y1 J# p9 ]# n　　特征造型就是根据应用要求而预先构想的信息模型，它把几何和非几何信息全部汇入产品定义中。整体回转面刀具的全生产周期包括产品的市场分析、需求分析、工程设计、工艺设计、加工、检验和维护。从制造的观点来看，整体回转面刀具的零件信息模型通常包括以下几个部分（见图1）：
& y" Q3 W/ s1 j9 Q+ w0 |% z. v/ V　　（1）零件总体信息　包括图号、刀具名称、刀具编码、外形尺寸、材料、重量及毛坯类别。
9 @- `6 y5 D$ x: j7 }( X　　（2）零件特征信息　用于描述整体回转面刀具的几何形状、拓扑信息。主要用于描述刀具的顶点、边、面的数目、类型以及相互间的连通关系。对外特征体素的操作为“并”运算，对内特征体素的操作为“差”运算，此外，对内特征体素还存在“交”运算。特征体素及其要素由特征编码加以区分。
% v6 M. [' Z+ l0 M  e% k: d4 T　　（3）零件公差信息　刀具各加工面的信息均体现在形位公差模型中。
8 A2 t6 m4 J4 I　　（4）零件尺寸信息　即零件的整体尺寸信息表。

7 b7 p- n% A8 Z图1　零件信息模型
2 E3 q/ f* ~8 f! s, }" G4 w　　为了将特征造型技术应用于整体回转面刀具的生产中，应对整体回转面刀具的结构工艺特点进行分析。特征分析采用如下原则：①特征的层次性分析原则，即分清特征间的从属关系；②几何元素与参数相结合的原则；③附加特征的分析原则。
0 U; ~# g, g" I6 G2 _7 x. b　　分析整体回转面刀具的结构，发现具有以下特点：
: g3 s% c4 M5 u. ]4 b( s6 G　　（1）整体回转面刀具的刀头由规则曲面（如圆柱、圆锥等）与复杂曲面组成（如旋转锉、球头立铣刀等是由复杂母线组成的回转面刀具，属于多坐标加工零件）；
& h, {* ?* I5 m　　（2）整体回转面刀具除具有复杂的回转体外形外，一般还具有螺旋线形刀刃和一定的刀槽形状；
9 e' o9 N3 q5 ~: O* A　　（3）具有较好的数控加工基础。
" t+ U0 M# h" l1 K　　2．CAD／CAPP／CAM集成系统的功能
　　本软件的CAD／CAPP／CAM集成系统数据流程如图2所示。

2 |4 C  B& M% L* A) V/ d3 g, x' C图2　整体回转面刀具CAD／CAPP／CAM
　　集成系统数据流程
; `* n  I2 D# @; W# p- y$ r　　（1）CAD／CAPP的集成
　　CAD系统与CAPP的集成，实质上是结构设计模型与CAPP的集成。整体回转面刀具结构设计采用基于特征的参数化设计方法，它能提供完整的产品信息。
1 @% U2 l: S, L4 P2 H　　为实现CAD／CAPP集成，就必须了解CAPP所需的信息。整体回转面刀具CAPP所需的信息主要为零件总体信息、特征信息、公差信息、尺寸信息等。
　　采用基于特征的参数化结构设计所产生的设计结果中包含几何和非几何信息，显然，该系统是完全面向工艺设计的。整个系统采用VB5．0开发，CAD特征造型模块采用VC＋＋语言，利用ARX二次开发工具在AutoCAD　R14上开发实现。形状特征是从ARX提供的AcDbEntity派生的，并对AcDbSolid3d对象进行了封装。其它特征和零件以及特征树是由AcDb0bject派生的。
　　本系统采用基于形面要素特征输入法和CAD特征造型系统直接输入法两种方法描述和输入零件信息。
( s: _! v# a" o, E　　①基于形面要素特征输入法
　　采用形面要素法的基本原理，并辅以形面要素图形，采取人机界面交互形式输入零件信息。
  i7 v4 B( Y) c% L　　具体实现方法：针对整体回转面刀具的结构和工艺特点，首先将特征分为三类：主特征、表面特征和端面特征。如图3所示，整体回转面刀具的主特征有圆柱、锥台体、球体等；表面特征有削平；端部特征有倒角、退刀槽、顶尖孔等。然后以主特征为依据建立特征模型，从而建立圆柱、锥台体、球体三大类复合特征。通常，特征模型的构成为：主特征＋端部特征＋表面特征。在此基础上，通过人机对话方式对各类形面要素的特征、参数进行设定，保证输入的参数准确，特征可靠。

/ q- {1 T) _: Q0 g+ W3 \（a）主特征　　（b）表面特征　　（c）端部特征
图3　整体回转面刀具特征分类
, _2 a& P0 t8 O0 B: X7 U! W  o　　②CAD特征造型系统直接输入法
: ]3 h! G3 v" I; F& J　　从CIMS的集成角度来看，CAPP系统最理想、最直接的零件信息输入方法是CAD系统特征造型结果的直接传输。但由于CAD和CAPP的侧重点和目的不同，两者虽然共享一个特征模型，但在特征的表示、组织、调用、参数处理等方面都有一定差异。
7 k1 B3 j' X5 z　　首先，特征表示的信息范围不同。对于CAD，特征造型是一个参数化的变量设计工具，因此，CAD的特征表示既要包括细节信息（组成特征的边界边和边界面），也要包括高层信息（特征的参数和特征的位置、方向）；CAPP却只需要引用特征的类型、参数、公差等，即CAPP特征表示的要求为高层信息。
　　其次，用特征构成零件的方式不同。CAD中的特征本身都处于同一级中，没有主辅之分，其从属关系只是记录特征的生成顺序；CAPP中的特征则是以主型面为基础，在主型面上逐级附加辅助型面，即主型面处于同一级上，辅助型面附属于主型面或上一级辅助型面。
　　在特征调用的方式上，CAD的特征信息集中，从一个特征的调用可以同时了解一组特征。而CAPP的特征信息分散，为了了解一个特征的组成及其与相邻特征之间的关系，必须同时找到相应的谓词，才能了解该特征的相应位置。
　　由此可见，若要实现CAD特征造型结果直接传输给CAPP，必须有相应的接口，以达到CAD／CAPP的完美集成和CAPP所需零件信息的正确输入。为此，CAD特征造型与CAPP接口的实现需要将CAD中的树结构转换为对应的主、辅结构，并将CAD中有关一个特征的集中信息分散在相关的多个谓词中。
　　接口的程序实现是在CAD特征造型系统中，针对整体回转面刀具，定义CAPP的主特征、表面特征、端部特征的C＋＋数据结构。这样，CAD特征造型的结果中CAPP所需的零件信息生成特定数据格式的数据文件，CAPP系统直接按特定的格式读入，即可实现CAD特征造型结果向CAPP的传输。
　　（2）CAPP／CAM的集成
$ ~' P3 |! c  R* F5 _　　由图2可见，CAPP／CAM集成的主要功能是将CAPP提供的工序数据最终转换成NC代码，加载到多坐标（如5坐标）NC机床以实现数控加工，从而实现整体回转面刀具的CAPP／CAM信息集成。
　　（3）工艺数据库与知识库建设
' x- ?2 Y3 L' z+ ]- l　　工艺数据是指CAPP系统在工艺设计过程中所使用和产生的数据，工艺知识是指支持CAPP系统工艺决策所需的规则。
4 O8 w/ h* f9 t2 o1 C: j$ f5 m　　工艺数据与知识的表达是通过数据结构来实现的。用于工艺数据与知识的数据结构有串、表、栈、树、图及框架结构、网络结构等。
　　①工艺规程的表达　在工艺设计过程中，系统根据当前零件信息，在推理机的控制策略下，按一定顺序执行子任务，并由对应于各个子任务的函数来执行。为此，本系统构造了以工序为主链、工步为辅链的“工序-工步二叉树”数据结构，并将各种工艺信息用对象与链表挂于工序或工步结点之后，从而完成了工艺规程信息模型的建立。
) T) T2 H  k; D( b
0 N; L, z6 ?% ^; ]* p图4　工序节点

图5　工步节点
* [. w4 o: }3 V( L) V　　本系统的工艺数据结构采用面向对象的数据模型，能更方便地操作复杂的工艺模型。
9 R0 L7 n3 U) h* p" I$ H　　②数据库及数据访问接口的选择　本系统数据库选择了便于桌面管理的ACCESS97。目前常用的数据访问接口有ODBC（Open　Database　Connectivity）、DAO（Data　Access　Object）等方式。由于CAPP系统数据类型的复杂性，不宜采用要求数据类型较为固定的ODBC方式。因此，本系统采用了可灵活操作ACCESS数据库的DAO方式，即Microsoft　Jet数据库引擎。具体接口如下：
2 k# `( l" B( g, w　　DBEngine．IniPath＝″HKEY－CURRENT－USER＼Software＼
' I  l  W4 X2 ^9 W9 l( S9 U2 L# rVB　and　VBA　Program　Settings＼″　＆　APP－CATEGORY　＆　″＼″　＆　App．Title
　　DBEngine．DefaultUser＝″Admin″
. p  Q, g* z5 D& P　　DBEngine．DefaultPassword＝vbNullString’登录到Jet　On　Error　Resume　Next
　　Set　gwsMainWS＝DBEngine．CreateWorkspace（″MainWS″，″admin″，vbNullString）
8 t" e- E, _& j9 ?　　Workspaces．Append　gwsMainWS：On　Error　Resume　Next
) K0 P6 Y! k  Y% ]) m　　Set　gdbCurrentDB＝gwsMainWS．OpenDatabase－
4 m  l' {# ~! n6 K) `　　（App．Path＋＂＼base＼space．mdb″，True，　vbNullString）
) X. T  c7 S- Z& Z1 U  Q9 x　　（4）技术文档管理系统的作用
　　在整体回转面刀具系统的集成信息平台中，技术文档的作用主要为：
) s9 {8 z( B8 Y3 l5 n　　①保证CAD、CAPP、CAM各系统实现数据的有效、顺序存取和交换。
　　②对项目、工作组、用户进行分级工作管理，动态地实现多级权限的管理。
　　③对数据信息的存取、封锁和标识管理。
　　④实现对各数据库间的数据双向传输管理。
四、整体回转刀具CAPP软件系统的应用效果
　　整体回转面刀具CAPP软件系统运用特征造型技术，实现了CAD／CAPP／CAM系统的集成。该软件在哈尔滨二五四厂投入运行以来，取得了明显的效果。集成系统的运用使工厂的工艺规程编制和数控编程周期缩短1／2～2／3以上，具有较大的应用价值。用户反映系统集成度高，用户界面友好，易学易用，符合工程人员的工作习惯，较好地解决了生产加工中的实际问题。
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