數(shù)控工作臺(tái)三維造型設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件工藝設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】

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CAM集成，功能轉(zhuǎn)換，功能互動(dòng)，幾何尺寸和公差（GDT），加工特征1簡(jiǎn)介現(xiàn)代設(shè)計(jì)和先進(jìn)的加工過(guò)程中的一個(gè)主要目標(biāo)是通過(guò)各種設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃活動(dòng)之間的無(wú)縫集成來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品交貨時(shí)間的顯著縮短。使用組件特性的概念來(lái)集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)和制造系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來(lái)的主要研究方向1-5。在一般情況下，功能是用于賦予組件屬性的意義，幫助解剖可識(shí)別的、有意義的區(qū)域以及改善設(shè)計(jì)和制造之間聯(lián)系。特征識(shí)別和基于特征的設(shè)計(jì)是兩個(gè)主要使用的途徑。特征識(shí)別驅(qū)動(dòng)器的功能信息來(lái)自被識(shí)別的幾何數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行提取和分類。特征識(shí)別問(wèn)題與設(shè)計(jì)意圖的損失，不完備的設(shè)計(jì)和制造信息以及特征識(shí)別的復(fù)雜性和計(jì)算負(fù)荷方案3，6，7相關(guān)?；谔卣鞯脑O(shè)計(jì)涉及到通過(guò)使用“積木”定義一個(gè)組件，它代表著或設(shè)計(jì)功能或加工功能。由于功能是取決于過(guò)程的，不同的應(yīng)用需要不同的應(yīng)用功能。設(shè)計(jì)階段使用的功能（稱為設(shè)計(jì)特點(diǎn)）是功能特點(diǎn)，代表著設(shè)計(jì)意圖，如肋，開(kāi)槽，并加強(qiáng)的功能。在規(guī)劃階段使用的功能（稱為加工功能）與加工業(yè)務(wù)有關(guān)，如孔、盲孔、槽和袖珍的功能。此外，功能因應(yīng)用程序的不同而有不同呈現(xiàn)。這些事實(shí)是根據(jù)需要以正確反映加工特點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)集成在一個(gè)基于特征的環(huán)境的主要障礙。設(shè)計(jì)人員使用設(shè)計(jì)特征構(gòu)建組件特征模型是最合理的，然后通過(guò)加工特征在工藝規(guī)劃系統(tǒng)中將模型轉(zhuǎn)換。這個(gè)過(guò)程被稱為功能轉(zhuǎn)換或功能映射。許多研究人員對(duì)功能轉(zhuǎn)換的方法和算法進(jìn)行了研究和應(yīng)用8-10。然而，當(dāng)代大多數(shù)基于特征的設(shè)計(jì)仍然不能完全處理發(fā)展基于特征系統(tǒng)中的一個(gè)最重要的，或許是最困難的方面，就是功能的定義和代表性的相互作用。以前使用的功能的特征交互改變了幾何形狀和屬性，但它不會(huì)改變它們相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，這使得后續(xù)應(yīng)用不能從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得真正的組件模型。因此，在設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中的階段維護(hù)功能的完整性是實(shí)現(xiàn)基于特征的CAD / CAPP / CAM一體化問(wèn)題的關(guān)鍵之一11-13。許多研究已進(jìn)行到基于提取加工特征設(shè)計(jì)系統(tǒng)5，7，9，10，14-16的技術(shù)。然而，這些研究主要專注于幾何信息的識(shí)別或轉(zhuǎn)換。在機(jī)床特征的非幾何信息方面做的還很少，如幾何尺寸和公差（GDT）。Shah提出17的方法來(lái)創(chuàng)建一個(gè)在設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃應(yīng)用中使用的尺寸和公差模型。這種GDT模型被用來(lái)捕捉設(shè)計(jì)師基于特征設(shè)計(jì)上的GDT方案模型，驗(yàn)證其完整性，然后用特征識(shí)別的方法轉(zhuǎn)移GDT到加工特征的自動(dòng)提取。該方法側(cè)重于在設(shè)計(jì)和制造階段如何使用一部分的尺寸時(shí)為有效模式。因此，構(gòu)建出強(qiáng)勁的適合CAD和CAPP系統(tǒng)的GDT模型，是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。對(duì)于一個(gè)以商業(yè)功能為基礎(chǔ)的系統(tǒng)（如Pro / Engineer），一旦一個(gè)組件的造型過(guò)程已經(jīng)完成，則一個(gè)GDT模型即被構(gòu)建。為了創(chuàng)建所使用的CAD模型，其目標(biāo)就是去捕獲和轉(zhuǎn)換一個(gè)過(guò)程規(guī)劃體系所需要的幾何和非幾何信息并實(shí)現(xiàn)CAD / CAPP無(wú)縫集成的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)過(guò)程規(guī)劃模型的完整代表， GDT所需要一個(gè)組件需保持完整，并根據(jù)加工特點(diǎn)的要求被完整和正確的表示。本文中提出的工作是處理從基于保持一個(gè)基于特征加工的完整性和一致性過(guò)程的GDT模型的提取/轉(zhuǎn)換。在第2節(jié)中通過(guò)功能轉(zhuǎn)換模塊和STEP文件界面介紹了建議的基于特征CAD / CAPP集成系統(tǒng)的框架。在第3節(jié)中，我們討論了關(guān)于功能相互作用所導(dǎo)致的功能信息的改建以及不改變它們數(shù)據(jù)庫(kù)等難以解決的問(wèn)題。加工功能可以通過(guò)從設(shè)計(jì)模型的功能信息中提取和轉(zhuǎn)換來(lái)生成。在第4節(jié)中，我們介紹為功能GDT的提取和轉(zhuǎn)換所開(kāi)發(fā)的算法。在第5節(jié)中，使用一個(gè)詳細(xì)的組件的例子來(lái)展示幾何尺寸轉(zhuǎn)換的結(jié)果。在最后一節(jié)，給予本文的結(jié)論。2基于CAD/ CAPP集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征組件模型是在基于一系列如突起，槽，孔等的設(shè)計(jì)特點(diǎn)的環(huán)境下被構(gòu)建的。諸如對(duì)CAD模型的過(guò)程規(guī)劃有著不同看法的后續(xù)應(yīng)用，它采用了符合加工操作的一系列加工功能。為實(shí)現(xiàn)CAD / CAPP / CAM系統(tǒng)的完整性，代表加工特征的功能幾何的提取和轉(zhuǎn)換以及非幾何信息加工功能被提出。通過(guò)功能轉(zhuǎn)換方法得到的集成系統(tǒng)的框架如圖2.1所示。在這個(gè)方法中，用基于特征的CAD / CAM軟件即Pro / Engineer，來(lái)創(chuàng)建一個(gè)組件特征模型。通過(guò)該功能轉(zhuǎn)換模塊和STEP文件接口，可以創(chuàng)建相應(yīng)的過(guò)程規(guī)劃模型組件，以測(cè)試并驗(yàn)證轉(zhuǎn)換的加工特征，這將在18中予以討論。在功能轉(zhuǎn)換模塊中，為加工轉(zhuǎn)換特征屬性形成功能映射以開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)換CAD數(shù)據(jù)庫(kù)中的幾何信息到用于創(chuàng)建一個(gè)完整的和正確的代表著有意義“形狀”的加工過(guò)程和GDT的映射。圖2.1 綜合功能為基礎(chǔ)的CAD / CAM系統(tǒng)框架3特征交互作用在一般情況下，如果特征交互導(dǎo)致原來(lái)的功能參與要素類或要素屬性的任何改變，那么特征交互就被認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生了。基于特征的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，組件模型被一系列的由一個(gè)功能修改另一個(gè)的方式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)建立起來(lái)。圖3.1顯示了一個(gè)涉及到盲槽1和盲槽2特征的功能交互組件的建模過(guò)程，。當(dāng)相互作用發(fā)生時(shí)，之前使用的盲槽1和盲槽2功能隨著特征尺寸和幾何元素的可能改建轉(zhuǎn)變成插槽3和盲槽4功能。圖3.1 兩個(gè)盲槽之間互動(dòng)功能的例子，隨著不同的屬性或幾何形狀生產(chǎn)一個(gè)插槽和盲槽特征交互組件模型有著廣泛的影響，因?yàn)樗鼈儾粌H改變了預(yù)定義的功能幾何形狀也改變它們的屬性。問(wèn)題是這些產(chǎn)品在組件數(shù)據(jù)庫(kù)中是不可替代的，從而導(dǎo)致后續(xù)工藝規(guī)劃的困難。在圖3.2中，由于臺(tái)階功能的相互作用，以前使用的袖珍功能的幾何形狀和尺寸發(fā)生了變化。圖3.2b中，袖珍功能的深度尺寸被改為h1，代替原來(lái)的維度h，并將在圖3.2c中的袖珍功能改變?yōu)槊げ酃δ?，新成立的邊緣層面功能也由以前維度a變?yōu)閍1。然而，組件數(shù)據(jù)庫(kù)只記錄原始功能，并不包含模擬結(jié)果。按照?qǐng)D3.2中的例子，我們可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得圖3.2b和圖3.2c中兩個(gè)模型的原始袖珍功能尺寸h和a。圖3.2 由袖珍功能和臺(tái)階功能的相互作用引起的特征類型和尺寸的不一致為了維護(hù)功能模型的完整性，這里有必要由加工特征基礎(chǔ)處理規(guī)劃系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)強(qiáng)大的特征提取/轉(zhuǎn)換算法來(lái)檢測(cè)不一致的功能描述，并將其轉(zhuǎn)換成所需要的正確描述。關(guān)于幾何方面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)檢測(cè)和轉(zhuǎn)換算法的加工特征將在17中予以介紹，在這里為了正確地表示轉(zhuǎn)換后的加工特征，我們將重點(diǎn)放在GDT的提取/轉(zhuǎn)換上。4提取幾何尺寸和公差的特征4.1幾何尺寸特征的提取在基于CAD特征的系統(tǒng)里，數(shù)據(jù)庫(kù)中組件和特性的幾何尺寸的描述包含了下列項(xiàng)目：1. 尺寸值和公差。2. 如線性尺寸，角度尺寸和直徑尺寸的維度類型。3. 維度的邊界元素：一個(gè)面、軸和一個(gè)邊緣。例如，維度d4（如圖4.1所示）的邊界元素是面f1和邊緣e1，同時(shí)維度d5是面f2和邊緣e2的邊界元素。圖4.1 特征交互和尺寸邊界元素除了上面列出的項(xiàng)目1和2，工藝規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)CAD模型有不同的尺寸邊界表示，該模型需要用加工操作的一個(gè)有意義的幾何元素尺寸來(lái)描述，如一個(gè)面或一個(gè)軸元素，但不用邊界元素。由于是由兩個(gè)面元素形成的一個(gè)邊緣，它是加工流程建模使用的某種模糊的方式。例如，在圖4.1中的維度“d”是描述的長(zhǎng)度|d|以及e1，e2的兩個(gè)邊元素。加工過(guò)程建模的要求，應(yīng)該是用面f5和面f8的邊界元素描述的。由于設(shè)計(jì)特點(diǎn)和加工特點(diǎn)之間不同的維度描述，有必要區(qū)分和改造過(guò)程建模的CAD模型相對(duì)應(yīng)的面元素中的維度邊界元素的邊緣。該算法是以GDT映射模塊中的一個(gè)模塊作為以下步驟實(shí)現(xiàn)的。第1步：搜索組件上的每個(gè)維度dim(i)，讓i=1，2，N_GD，N_GD組件幾何尺寸的總數(shù)。第2步：讓i = 1，提取維度dim(i)的值，類型和邊界元素標(biāo)識(shí)id1，id2。第3步：檢查維度dim(i)的邊界元素。如果一個(gè)邊界元素不是一個(gè)真正的元素，那么在功能操作后維度的邊界就不再存在。這意味著維度的邊界被改變。在這種情況下，一個(gè)處理互動(dòng)功能的額外算法是需要的，這將在下一節(jié)予以討論。如果這兩個(gè)邊界元素都是真實(shí)的，那么維度的邊界類型就能直接確定。第4步：如果一個(gè)維度的邊界元素是邊e0，另一個(gè)面是f0，那么面f1和f2的其中一個(gè)形成的邊e0必須得以確定（轉(zhuǎn)到第5步），并使之作為加工特征的三維邊界元素。如果維度的兩個(gè)邊界元素是邊e1和e2，就轉(zhuǎn)到第6步把兩個(gè)邊都轉(zhuǎn)換成兩個(gè)面，作為作為維度的兩個(gè)邊界元素。如果維度dim(i)的兩個(gè)邊界元素是兩個(gè)面或兩根軸，亦或一個(gè)面和一根軸，那么它們的標(biāo)識(shí)是在一個(gè)數(shù)組記錄，再轉(zhuǎn)到第7步;第5步：比較長(zhǎng)度d01和d02的真實(shí)值，它們分別代表了面f0和f1、面f0和f2之間的距離。如果距離d01等于（維度dim(i)）的真實(shí)值，那么代替邊界識(shí)別e0的id1也伴隨著f1的鑒定，這意味著邊元素的表示已改為面元素的表示。如果距離d02等于（維度dim(i)）的真實(shí)值，那么代替邊界識(shí)別面f2中的一邊e0的id1，并轉(zhuǎn)到第7步。第6步：比較長(zhǎng)度d11，d12，d21，d22（dij代表面f1i和面f2j之間的距離，其中i，j=1,2）尺寸的真實(shí)值，必須存在一個(gè)有維度dim(i)真實(shí)值的距離。如果d21等于(維度dim(i)的真實(shí)值，那么面f12和f21就替代尺寸d21的兩個(gè)邊界標(biāo)識(shí)，并轉(zhuǎn)到第7步。步驟7：如果i基準(zhǔn)數(shù)N，就結(jié)束；否則，設(shè)置i= i+1，返回到第2步。-通過(guò)上述算法，共平面陣列存儲(chǔ)相應(yīng)的基準(zhǔn)元素以對(duì)應(yīng)真正的功能元素。算法流程圖如圖4.5所示。結(jié)合兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)換算法，位置幾何公差可以完全轉(zhuǎn)換。圖4.5 組件位置幾何公差基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的流程圖5一個(gè)組件的例子在本節(jié)中介紹一個(gè)棱柱組件幾何尺寸轉(zhuǎn)換的例子。組件模型的使用如圖5.1所示。通過(guò)功能轉(zhuǎn)換模塊形式開(kāi)發(fā)的介紹19，從組件工藝規(guī)劃應(yīng)用的角度來(lái)看，是槽，盲孔，孔和盲槽功能等基本特征的復(fù)合功用。功能屬性（非幾何特征），尤其是模型的幾何尺寸，需要轉(zhuǎn)換，以正確描述這些加工特點(diǎn)。在轉(zhuǎn)換算法應(yīng)用到組件模型之前，幾何尺寸被提取并在表5.1中列出。研究發(fā)現(xiàn)，一些邊界元素的尺寸是邊緣元素并且這些都需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，所有與邊緣邊界元素相關(guān)的維度被轉(zhuǎn)換為面邊界元素的尺寸（如表5.2所示）。圖5.1 組件幾何尺寸轉(zhuǎn)換的例子表5.1 功能轉(zhuǎn)換前的尺寸邊界表5.2 功能轉(zhuǎn)換后的尺寸邊界6結(jié)論特征技術(shù)已成為應(yīng)用于CAD/ ACPP/ CAM一體化方面重要的研究課題。由于特征的呈現(xiàn)因應(yīng)用程序的不同而不同，現(xiàn)在主要未解決的問(wèn)題是基于特征組件模型功能設(shè)計(jì)的完全解釋，特別是關(guān)于功能相互作用方面的問(wèn)題。根據(jù)建模過(guò)程中設(shè)計(jì)功能的調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)最終的組件模型和數(shù)據(jù)庫(kù)提供的信息之間的不一致是后續(xù)應(yīng)用要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了用大量的加工特征正確地表示組件模型，本文著重對(duì)非幾何特征的提取和轉(zhuǎn)換，也就是，幾何尺寸和公差（GDT）給予了論述，從而在過(guò)程規(guī)劃建模過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用。在本文中，詳細(xì)介紹了GDT的功能轉(zhuǎn)換算法的開(kāi)發(fā)過(guò)程。由于設(shè)計(jì)特點(diǎn)和加工特點(diǎn)之間的不同表述，一種算法的開(kāi)發(fā)是為了維度轉(zhuǎn)換的邊界元素去識(shí)別過(guò)程建模元素。在特征交互的情況下，由于在數(shù)據(jù)庫(kù)中的功能信息不發(fā)生相應(yīng)的變化，該算法實(shí)施檢測(cè)特征尺寸是否符合特征模型并將那些虛擬尺寸轉(zhuǎn)換為能正確地描述加工功能的實(shí)際尺寸。對(duì)于形位公差轉(zhuǎn)換，主要的任務(wù)是要找到每個(gè)組件功能相應(yīng)的公差，并將設(shè)計(jì)模型中的虛擬數(shù)據(jù)元素轉(zhuǎn)換成加工應(yīng)用中能識(shí)別的元素。結(jié)合17中幾何信息轉(zhuǎn)換的描述，加工特征可以生成符合工藝規(guī)劃系統(tǒng)要求的服務(wù)條款。通過(guò)STEP文件的接口，基于CAD / CAPP集成特征的功能可以實(shí)現(xiàn)18。基于Pro / Engineer系統(tǒng)特征可以用于建立設(shè)計(jì)模型，以及通過(guò)Pro/Develop工具在Sun SPARC20工作站寫(xiě)入C + +實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換算法。參考文獻(xiàn)1 Shah JJ,Mantyla M.基于CAD/CAM的參數(shù)和特征：概念，技術(shù)和應(yīng)用.紐約：威利出版社，1995.2 Liu X.CFACA：基于設(shè)計(jì)和處理規(guī)劃特征的框架組件.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)32期,2000：397-408.3 Han J, Requicha A.CAD模型的特征識(shí)別.IEEE Comput Graphs Appl 18，1998，(2):80-94.4 Gindy N, Yue Y, Zhu CF.基于組件數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建/編輯功能的自動(dòng)功能驗(yàn)證.研究制品36期，1998，（9）：2479-2495.5 Wang H-F, Zhang Y-L，協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境下的CAD / CAM集成系統(tǒng).Robot Comput Integr Manuf 18,2002:135-145.6 Han J.關(guān)于特征識(shí)別3D幾何推理算法的論文.洛杉磯:美國(guó)南加州大學(xué)出版社，1996.7 Yang MH.通過(guò)局部約束滿足識(shí)別加工的功能.在IEEE國(guó)際會(huì)議上關(guān)于系統(tǒng)、人與控制論的議程，1997：12-15.8 Bidarra R, Kraker KJ, Bronsvoort WF.單元模型中功能信息的表征和管理.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)30期，1998，（4）：301-313.9 Narayan GA, Nalluri SRPR, Gurumoorthy B.基于幾何推理功能的工藝規(guī)劃.Sadhana 22,1999,(2):217240.10Lee JY, Kim K.加工功能產(chǎn)生的的另一種解讀.Int J Adv Manuf Technol 15,1999:38-48.11Gao J, Zheng DT, Sun J.域在設(shè)計(jì)和制造之間數(shù)學(xué)模型的功能轉(zhuǎn)換研究.Chin J Mech 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