基于特征实例传动箱体零件CAD/CAPP系统设计

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基于特征实例传动箱体零件CAD/CAPP系统设计

　　【摘要】 本文介绍了一种基于特征实例的CAD/CAPP系统。在特征库的支持下，用户可完成箱体零件特征造型，形成描述性文件，系统根据描述的特征信息与特征实例库进行匹配，以获得各特征加工链，再利用工艺决策模块进行排序优化，最终获得所需加工工艺。
　　【关键词】 特征实例 加工链 CAD/CAPP
　　随着计算机技术的迅速发展，计算机技术在工艺过程设计中得到了应用，即计算机辅助工艺设计(CAPP，Computer Aided Process Planning)，根据零件设计所给出的信息进行零件的加工方法和制造过程的设计。
　　传统的变异式CAPP虽然简单易实现，但针对复杂的传动箱体零件，GT代码不可能完整地描述零件信息和工艺规程信息。以专家系统为核心的智能型CAPP系统，也未能很好的解决工艺知识描述、工艺决策方法等问题。基于实例的计算机辅助工艺设计(Case Based Process Planning，CBPP)为解决这些问题提供了一个较好的思路，其基本思想是利用已有的工艺方案实例求解新方案，是基于实例的推理(Case Based Reasoning，CBR)方法在CAPP中的应用和发展。
　　基于特征实例传动箱体零件YRX-CAD/CAPP集成系统在特征工艺设计模块中，采用了基于特征工艺实例的工艺设计方法，可快速获得特征加工链，后利用工艺决策模块进行排序优化，以获得零件工艺路线，大大简化了复杂的箱体零件工艺设计的难度。
　　
　　一、传动箱体零件特征
　　
　　特征是零件信息传递的载体，通过它能够实现设计、制造或其他工程任务间的通信与交流[2]。传动箱体类零件特征的定义和分类是主要针对传动箱体类零件的一些常见形状和功能结构进行的，由于传动箱体类零件和其他零件类不同，所以特征定义和分类方式也有所不同。一个传动箱体零件就是由不同形状和不同功能的特征经过一定的布尔运算和组合构成，从几何造型的角度可以把它定义成：传动箱体零件特征 = 形状特征 + 属性
　　形状特征：是与零件的几何形状描述相关的信息集合。它是通过几何和拓扑信息来描述，表示零件的某一功能形状，一般由变量尺寸参数来驱动其造型。对形状特征的进一步描述是通过显示表示的面、槽、孔等低层次的几何拓扑信息。
　　属性：指的是描述特征属性的数据，表达特征的功能以及特征间的相互关系。在本设计中，属性主要包括精度和材料属性(1)精度属性是建立在形状特征模型基础上，它表达零件的精度信息，由尺寸公差、形状公差和表面粗糙度等组成；(2)材料属性能够主要包括材料种类、热处理方式、总体表面处理和局部处理等。
　　为确定这些形状特征在空间的位置，系统引用了方位特征来描述传动箱体类零件的特征信息，每个加工方位单独成为一个描述单元，零件各特征(称为一般特征)依附在方位面(称为方位面特征，也称基体特征)上加以描述。
　　一个零件确定了空间三维坐标系后，其方位面的位置也随之确定。零件的每个方向都可以单独形成一个"子零件"，每个"子零件"都有外形轮廓和形面内容，对所有的方位进行单独描述，既可保证零件全部的轮廓和形面信息，同时也简化了不同方位上特征形面的位置关系，避免了数据结构的复杂和混乱由于传动箱体类零件总是以基体为中心的，所以把箱体基体作为主特征，把其它所有结构作为辅特征处理。
　　
　　二、YRX-CAD/CAPP系统设计
　　
　　框架系统由CAD特征建模子系统和CAPP子系统两大部分组成。
　　
　　1.CAD特征造型模块
　　这是CAD特征建模子系统的核心模块，也是实现CAD与CAPP集成的重要环节，主要完成零件设计和信息输入。传动箱体类零件的特征造型可分为箱体基体结构造型和附着在基体每个方位面上的形状特征造型两个阶段。箱体基体结构造型可以在预先利用CAD软件造型并创建的基体特征库中选用，也可以利用CAD软件的实体造型功能的体素拼合而成。在箱体基体结构造型完成后，可利用本系统提供的特征选取下拉式菜单，选取一般特征项，通过人机交互方式顺序完成箱体各个方位的造型，并补充每个特征的有关工艺属性信息，将特征的几何信息和拓扑信息一起写入特征数据库中，直至零件造型完成。由于设计者直接面向特征进行零件的造型，因此操作方便，并能较好地表达设计意图。用这种方法建立的特征模型，具有丰富的工程语义信息，为后续应用提供了方便。
　　在主界面点击特征造型按钮，系统将在提示下切换到AutoCAD界面，通过人机交互输入零件相关的总体信息，将作为输出工程图上标题栏的填写内容以及CAPP工序卡表头部分内容。在输入完总体信息后，进行面特征信息的输入以及一般特征信息的输入。如果有多个面的信息要输入，则只需要连续反复操作此对话框，直到完成所有面的特征信息输入为止。信息在输入完毕后，系统将自动绘制图形，并标注相应的尺寸及精度要求，一般特征将添加在基体上。所输入的信息将以代码的形式保存在特征信息数据库的表格中，供生成加工链时读取。

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　　2.CAPP特征工艺生成模块
　　特征工艺生成模块是CAPP子系统的核心模块之一。传动箱体零件的加工也就是箱体零件上各方位面上的加工特征加工，因此获得各加工特征的加工链是零件工艺路线生成的首要关键，在获得各加工特征加工链后，经过合理组合就可以构成了整个零件工艺路线，因此，特征工艺的生成是零件工艺过程生成的基础。
　　本系统利用基于特征实例的思想来完成各种加工特征方法推理决策，其推理过程如图1所示。当对待加工零件进行工艺设计时，特征代码将通过人机交互方式输入，将其与实例库中已有的实例的代码进行进级匹配，所谓实例是指在满足特定设计要求下所获得的优化结果，这里指已设计完成的实例特征，实例库由两部分组成：(1)典型特征的信息描述，包括零件名称、类别、几何形状、尺寸、精度、材料等内容；(2)典型特征的加工方案，可以通过人机界面，使用人机交互的方式把已经代码化或较简短文字的加工方案输人CAPP系统。匹配结束得到相似程度最高的实例，即最相似实例，然后对最相似实例的加工链进行推理及修正，使之满足加工要求，就可得到待加工特征最终加工链。
　
　　如此反复，直到读完所有的制造特征为止。
　　
　　3.工艺决策模块
　　工艺过程决策是CAPP系统的核心和难点，它包括工艺决策方法和决策知识，它是以当前零件信息为依据，选择好各种形状特征的加工方法，然后按一定算法合理生成零件得工艺路线。工艺过程决策的重点是工序间的排序，它是将按特征生成的加工链转换为零件加工工艺的过程。在转换中应考虑特征间的关联性：(1)特征间有基准关系，应考虑基准先行原则；(2)特征间互为基准，应按照特征先后作为基准的顺序安排加工顺序；(3)特征间有定位关系，则定位特征先行加工；(4)特征间有衍生关系，则按特征产生先后顺序进行工序安排；(5)特征间间有位置精度要求，则在一次装夹中完成。此外，排序的原则还包括：机床集中原则；先面后孔原则；工序集中原则；先粗后精原则；先主后次原则；刀具集中等工序排序原则。经过加工排序后，生成了多个工艺方案，然后对多个备选工序方案按照不同的优化目标进行排序，给出最优工序方案。
　　
　　三、结束语
　　
　　本系统以传动箱体零件为研究对象，通过特征造型技术的应用，为从零件的设计到加工制造的集成提供了一条有效途径。要建立功能完善的基于特征实例的CAPP系统，要重点解决好以下几个关键技术：(1)特征建模；(2)特征实例库和工艺规则库的建立；(3)工艺文件输出。
　　
　　参考文献：
　　[1]罗尚虎，尹建伟等.一个工艺实例的匹配方法.计算机辅助设计与图形学学报，2002，(6)：591-593.
　　[2]张永康，黄翔.基于特征的工艺生成方法的研究.机械制造与研究，2002，(4)：26-28.
　　[3]冯立艳，王志江.基于实例推理和专家系统的综合工艺决策方法.新技术新工艺，2005，(7)：24-26.
　　[4]王忠宾，王宁生等.基于遗传算法的工艺路线优化决策.清华大学学报，2004，44(7)：988-992.