07CAPP第08章发展 (3)

8 CAPP技术研究的发展现状

随着CAPP技术的逐渐成熟，CAPP的效益已在生产中得到证实，从而促使其蓬勃发展，在国内外均有不少CAPP系统问世并投入使用。同时又由于柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、智能制造系统（Intelligent Manufacturing System ,IMS）、并行工程（Concurrent Engineering ,CE）和虚拟制造系统（Virtual Manufacturing System ,VMS）等许多新思想、新概念、新方法的提出与发展，CAPP正朝着集成化、智能化、网络化、工具化、实用化和多功能化的方向发展。在设计技术上采用分布式和面向对象技术。

8.1 集成化

计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）之间的集成是计算机集成制造系统（CIMS）的信息集成主体和关键技术。在CIMS中，CAD是CAPP的输入，其注意力主要是在机械零件的设计上，因此涉及机械零件的绘图及几何造型。它的输出主要是零件的几何信息（图形、尺寸、公差）和加工工艺信息（材料、热处理、批量等）。CAPP是利用计算机来制定零件的加工工艺过程，把毛坯加工成图纸上所要求的零件。它的输入是零件信息，有两种情况，一是由CAD系统直接输入；二是根据零件图通过人机交互输入。前者显然易于实现信息和功能的集成。它的输出是零件的工艺过程和工序内容。CAM从广义来说，是通过一个计算机分级结构网络来控制、管理和监测制造过程各个阶段的工作。它包括生产管理与控制、工程分析与设计、财会与供销等方面。在集成制造系统中（从狭义来说），主要指数控加工，它的输入是零件的工艺过程和工序内容，其输出是刀位文件和数控加工程序。刀位文件表示了刀具运动轨迹，与夹具、工件在一起可进行加工过程仿真以防运动干涉。同时它又是编制数控加工程序的根据，刀位文件通过后置处理便可获得某数控机床的数控加工程序。

工艺过程设计是设计与制造之间的桥梁，设计信息只有通过工艺过程设计才能形成制造信息，因此，在集成制造系统中，自动化的工艺过程设计是一个关键环节，占有很重要的地位。图8—1是采用IDEF0方法绘制的CAD、CAPP、CAM之间的集成关系。

图8—1 CAD、CAPP、CAM三者的集成关系 １２５

8．1．1 CAD、CAPP与CAM之间的集成过程

CAD、CAPP与CAM之间的集成过程可以分为以下两个部分： （1）CAD与CAPP之间的集成

在计算机辅助设计时，其输出主要是零件的几何信息，缺少工艺信息，这是由于传统的设计和工艺的分工，设计人员不熟悉工艺而造成的，从而使在进行工艺过程设计时，CAPP系统由于缺少工艺信息而不能进行。另一方面，由于CAD和CAPP系统分别由不同的人员开发，使用了不同的零件描述方式和不同的数据结构，从而使CAD系统的输出信息的数据内涵和格式不能被CAPP系统所接受。以上两点造成了CAD和CAPP系统集成的困难，至今未能很好的解决，成为集成的关键技术问题。

（2）CAPP和CAM之间的集成

由于CAPP和CAM都是制造工艺方面的问题，信息上易于集成；同时两者大多是由工艺技术人员开发的，数据内涵和格式易于统一，因此两者之间的集成易于解决。

8．1．2 CAD、CAPP与CAM之间的集成途径

（1）采用统一数据交换标准进行相互间的直接交换

初始图形交换规范（Initial Graphics Exchange ?Specification?，IGES）是美国制定的中性格式数据交换标准，可以用它来进行集成，但由于它主要是传输几何图形及其尺寸标注，即几何信息，缺少工艺信息，因此不能满足集成要求。解决的办法是在计算机辅助设计中，自行开发符合IGES的工艺信息，提供给计算机辅助工艺过程设计进行集成，这是一种可行方法，早期的信息集成有所采用。

产品模型数据交换标准（Standard for the Exchange of Product Model Data ，STEP）是近年来由国际标准化组织ISO制定的一个比较理想的国际标准，现正在进一步开发中，它采用应用层（信息结构）、逻辑层（数据结构）、物理层（数据格式）三级模式，定义了EXPRESS语言作为描述产品数据的工具；它包含了几何信息、制造信息、检测和商务信息等，在当前的集成制造系统中已广泛采用。它不仅使所有的集成环节均有统一的数据标准，而且在进行计算机辅助设计中，可输出几何信息和工艺信息，解决了计算机辅助设计与工艺过程设计之间的信息集成问题。采用统一的产品模型数据交换标准是解决信息集成的根本出路。

（2）采用数据格式变换模块来进行相互间的数据交换

在两个集成环节之间，开发一个数据格式变换模块，并通过它进行数据交换。例如：在计算机辅助设计之后，开发一个后置处理模块或在计算机辅助工艺过程设计之前，开发一个前置处理模块，进行相互间的数据格式变换，其关键问题是，数据不得丢失和失真。这一办法是可行的但比较麻烦，不尽理想。

上述两种办法的数据交换情况如图8—2所示。

8．1．3 基于STEP 的CAD /CAPP 集成系统的研究与实现

（1）系统集成的设计思想和设计方案

目前,大多数的 CAD 软件都支持 STEP ,IGES 和DXF 等标准转换格式。由于DXF 格

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式主要支持二维图形的转换；IGES 格式虽然支持三维图形信息转换，但不支持产品开发的后继过程设计。故采用 CAD 软件普遍支持的STEP 标准，通过提取STEP 中性文件中数据来实现集成系统的信息传输和共享。

CAD/ CAPP 集成系统的总体设计思想是: 将STEP 格式的零件模型文件作为特征自动识别系统的输入文件,经识别处理后,从中提取有关的几何形状、技术精度等特征,同时通过人机交互方式,补充输入该模块文件中没有且后继系统又需要的某些加工工艺信息,从而生成完整而中性的零件定义数据;最后运用一系列的映射规则和知识,将这种中性结构的零件定义数据转换成CAPP 系统所需的零件制造特征模型。

为充分利用现有的系统资源,CAD/CAPP 集成方案是基于CAD 系统实体造型来开发的特征识别和提取系统。集成系统总体结构如图8-3 所示。

（2）CAD-CAPP 接口

CAD- CAPP 接口主要由特征识别模块、特征映射模块和工艺信息补充模块组成。特征识别模块将STEP 中性文件中的零件信息进行预处理和规则匹配,产生相应的设计特征;零件信息补充模块用于添加转换文件中所缺的工艺特征信息;特征信息模块把完整的零件设计特征映射为CAPP 专家系统所需要的制造特征,其组成结构如图8-4 所示。

图8-3集成系统结构

（a）点对点的数据交换 （b）基于数据文件的数据交换 图8—2 集成环节之间的数据交换

图8-4 CAD-CAPP 接口的组成结构

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（3) STEP 信息集成文件

STEP 是国际标准化组织ISO 正在组织开发制定的产品数据表达与交换标准,因其规范的标准体系,无二义性的形式化表达和严格一致性要求的实现方法,为CIMS 中的数据交换和信息集成提供一种中性表达机制,可用于描述整个生命周期中的产品数据。

STEP 中性文件与具体的CAD 系统无关,它可以直接用于表达CAD 系统生成的零件模型信息,其文件结构由WSN 句法定义。STEP 文件由ISO-10303-21 开始,END-ISO- 10303- 21 结束,按其数据功能分为头段和数据段,每段则可能包括一个或多个实体。头段主要提供有关文件的描述信息,数据段主要包含一系列描述零件信息实体,各实体的格式可归纳为:

# 标识数字= 关键字( ID , ?, ?, ?, ?)

其中,标识数字为不超过9 位的整数；关键字在模型描述语言EXPRESS 中定义；属性可以是一种简单的数值，或是一个结构模型的数据，或是一个嵌入式的实体。下列为由Solidworks 2000 生成的“用于描述一个XOZ 平面上以(0 ,0 ,0) 为圆心,30 mm为半径的圆沿Y 轴拉伸80 mm 的圆柱体”的部分STEP 文件。

# 27 = CIRCL E(′NONE′, # 28 ,30. 000) ;

# 28 = AXIS2 _ PLACEMEN T_ 3D (′NONE′,# 29 , # 30 , # 31) ; # 29 = CARTESIAN _ POIN T (′NONE′, ( 0.000 ,0. 000 ,0. 000) ) ; # 30 = DIRECTION (′NONE′, (0. 000 ,0. 000 ,1. 000) ) ; # 31 = DIRETCTION , (′NONE′, (1. 000 , 0.000 ,0. 000) ) ; ??

# 41 = CYL INDRCAL _ SURFACE (′NONE′,# 42 ,30. 000) ;

# 42 = AXIS2 _ PLACEMEN T_ 3D (′NONE′,# 43 , # 44 , # 45) ;

# 43 = CARTESIAN _ POIN T (′NONE′, ( 0.000 ,80. 000 ,0. 000) ) ; （4）特征定义和造型

特征是一组与零件描述相关的信息集合。零件的特征描述是其设计和制造等方面的信息。用特征描述的产品信息模型具有形态、材料、功能、规则和约束等内容,并且是能量化的,一个零件包括多个特征,零件的创建过程就是其特征的生成和造型过程。

在经分析零件特征关系的基础上,可将零件特征分为设计特征和制造特征,设计特征又分为3 大类,如图8-5 所示。

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图8-5 设计特征分类

其中几何形状特征是最重要及最基础的特征,它常常也是其它特征的载体。为了减少特征造型映射过程的困难,可将形状特征分类为主要特征和辅助特征,主要特征用于构造零件的基本形体,辅助特征附在主特征上,也可以附在另一辅助特征上。

在零件特征信息描述上,主要以回转类零件为例来研究CAD/ CAPP 集成中零件特征的识别和提取,采用面向对象编程思想中类的概念,即将特征分别抽象为类或类的属性。如定义圆柱类(Cylinder)时,以它相应的形状公差特征、位置公差特征和粗糙度等作为该类的属性来记录,而Cylinder 类又是从主要特征(Main Feature) 继承而来,如下所述。

Class Cylinder : public MainFeature {public :

char CylinderNum ,CylinderName : / / 圆柱体名称和编号

double CylinderDiameter , DiamUpper , DiamLower ; / / 直径及偏差 double Cylinder High , HighUpper , HighLower ; / / 高度及偏差 double PositionX , PositionY, POsitionZ; / /定位点坐标 double VectorX ,Vector Y,VectorZ; / / 方向矢量 double CylinderRa ,Cylinder IT ; / / 公差及等级 ??

Private : ?? Protected : ?? } ；

此方法适用于其它类零件(如箱体类、板类等) 。描述时,只需将所定义的各个类实例化就可。用这种描述方法可以很容易地把特征的几何/ 拓扑、管理和技术精度信息集合在一起,使特征对象不仅具备特征的属性,还包括一组对特征属性的操作方法。

（5）特征识别与特征映射

在STEP 中性文件中,实体与零件特征并不完全是一一对应的,系统要获得零件的特征信息,就必须识别并提取出各个实体的各种数据信息。特征识别的基本流程如图8-6 所示。

图8-6 特征识别的基本流程

系统遍历STEP 中性文件,得到各段实体实例的总数,以确定循环次数。借助于循环,系统通过函数get Entity ()又可分别提取出头段和数据段中各个实体实例的相关数据,及根据所输入的实体实例名查询数据库中的实体关键字表,并检索出该实体实例对应的实体类型名。随后系统调用相应的构造函数来为该实体实例建立实体节点,同时获得其各项属性值,对所得到的各个实体节点进行分类、拓扑关系分析、重新定义起始和终止状态等处理,并对分类后的实体节点进行排序,存入数据链表,把静态的几何信息置换成易于处理的动态实体链表。例如,前述的STEP 文件经识别后,就可以用以下语句得到一个Cylinder 类的对象MyCylinder 。

Cylinder MyCylinder :/ / 创建Cylinder 对象 MyCylinder . CylinderDiameter = 40 ;

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