整體迴轉面刀具CAPP軟體系統

整體迴轉面刀具是用於加工複雜、特殊形狀工件的重要刀具，其需求量隨著先進加工技術的發展而不斷增加。為了高效率、高質量地設計和製造該類刀具，必須實現整體迴轉面刀具CAD／CAPP／CAM的集成化。因此，開發整體迴轉面刀具CAPP系統軟體十分必要。目前，國內刀具生產企業配備計算機工作站的還不多，大多藉助微機進行刀具設計和製造。為此，我們在微機上利用VB5．0、VC＋＋5．0、AutoCAD
R14等開發工具開發出了整體迴轉面刀具CAPP軟體系統。

二、軟體系統的功能要求

為了產生優化的工藝過程卡、工序卡、工步卡等CAPP技術文件及實現與其它相關模塊間的信息共享，本軟體系統要求具有以下功能：

（1）可利用特徵造型技術向CAPP提供足夠的信息支持，從而實現CAD、CAPP、CAM模塊間的高度集成和數據共享；

（2）擁有完善的工藝資料庫、知識庫及高效介面；

（3）具有管理CAPP文件歷史記錄及對不同型號刀具進行選擇、編輯的能力。

為便於操作，還利用Windows編程技術編製了完整、友好的用戶界面。此外，由於該系統軟體採用了基於特徵造型的參數化設計方法，因此具有較好的通用性。

三、軟體系統的設計與開發

為了探討CAD／CAPP／CAM集成技術應用於各類整體迴轉面刀具設計、生產過程的可能性及實現方法，本文就軟體開發過程中涉及的理論問題進行了分析。

1．特徵造型技術的應用及整體迴轉面刀具的特徵分析

為了使CAPP從CAD中得到足夠的信息用於工藝決策，信息的採集與處理方式應從傳統的實體造型信息模型轉向特徵造型信息模型。特徵造型信息模型具有以下優點：

（1）能更完整地表達產品的技術和生產管理信息，為建立產品的集成信息模型服務。

（2）可使產品設計工作在更高層次上進行，設計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產品的功能要素，如螺紋孔、定位孔等。

特徵造型就是根據應用要求而預先構想的信息模型，它把幾何和非幾何信息全部匯入產品定義中。整體迴轉面刀具的全生產周期包括產品的市場分析、需求分析、工程設計、工藝設計、加工、檢驗和維護。從製造的觀點來看，整體迴轉面刀具的零件信息模型通常包括以下幾個部分（見圖1）：

（1）零件總體信息　包括圖號、刀具名稱、刀具編碼、外形尺寸、材料、重量及毛坯類別。

（2）零件特徵信息　用於描述整體迴轉面刀具的幾何形狀、拓撲信息。主要用於描述刀具的頂點、邊、面的數目、類型以及相互間的連通關係。對外特徵體素的操作為「並」運算，對內特徵體素的操作為「差」運算，此外，對內特徵體素還存在「交」運算。特徵體素及其要素由特徵編碼加以區分。

（3）零件公差信息　刀具各加工面的信息均體現在形位公差模型中。

（4）零件尺寸信息　即零件的整體尺寸信息表。

圖1　零件信息模型

為了將特徵造型技術應用於整體迴轉面刀具的生產中，應對整體迴轉面刀具的結構工藝特點進行分析。特徵分析採用如下原則：①特徵的層次性分析原則，即分清特徵間的從屬關係；②幾何元素與參數相結合的原則；③附加特徵的分析原則。

分析整體迴轉面刀具的結構，發現具有以下特點：

（1）整體迴轉面刀具的刀頭由規則曲面（如圓柱、圓錐等）與複雜曲面組成（如旋轉銼、球頭立銑刀等是由複雜母線組成的迴轉面刀具，屬於多坐標加工零件）；

（2）整體迴轉面刀具除具有複雜的迴轉體外形外，一般還具有螺旋線形刀刃和一定的刀槽形狀；

（3）具有較好的數控加工基礎。

2．CAD／CAPP／CAM集成系統的功能

本軟體的CAD／CAPP／CAM集成系統數據流程如圖2所示。

圖2　整體迴轉面刀具CAD／CAPP／CAM

集成系統數據流程

（1）CAD／CAPP的集成

CAD系統與CAPP的集成，實質上是結構設計模型與CAPP的集成。整體迴轉面刀具結構設計採用基於特徵的參數化設計方法，它能提供完整的產品信息。

為實現CAD／CAPP集成，就必須了解CAPP所需的信息。整體迴轉面刀具CAPP所需的信息主要為零件總體信息、特徵信息、公差信息、尺寸信息等。

採用基於特徵的參數化結構設計所產生的設計結果中包含幾何和非幾何信息，顯然，該系統是完全面向工藝設計的。整個系統採用VB5．0開發，CAD特徵造型模塊採用VC＋＋語言，利用ARX二次開發工具在AutoCAD　R14上開發實現。形狀特徵是從ARX提供的AcDbEntity派生的，並對AcDbSolid3d對象進行了封裝。其它特徵和零件以及特徵樹是由AcDb0bject派生的。

本系統採用基於形面要素特徵輸入法和CAD特徵造型系統直接輸入法兩種方法描述和輸入零件信息。

①基於形面要素特徵輸入法

採用形面要素法的基本原理，並輔以形面要素圖形，採取人機界面交互形式輸入零件信息。

具體實現方法：針對整體迴轉面刀具的結構和工藝特點，首先將特徵分為三類：主特徵、表面特徵和端面特徵。如圖3所示，整體迴轉面刀具的主特徵有圓柱、錐台體、球體等；表面特徵有削平；端部特徵有倒角、退刀槽、頂尖孔等。然後以主特徵為依據建立特徵模型，從而建立圓柱、錐台體、球體三大類複合特徵。通常，特徵模型的構成為：主特徵＋端部特徵＋表面特徵。在此基礎上，通過人機對話方式對各類形面要素的特徵、參數進行設定，保證輸入的參數準確，特徵可靠。

（a）主特徵
（b）表面特徵
（c）端部特徵

圖3　整體迴轉面刀具特徵分類

②CAD特徵造型系統直接輸入法

從CIMS的集成角度來看，CAPP系統最理想、最直接的零件信息輸入方法是CAD系統特徵造型結果的直接傳輸。但由於CAD和CAPP的側重點和目的不同，兩者雖然共享一個特徵模型，但在特徵的表示、組織、調用、參數處理等方面都有一定差異。

首先，特徵表示的信息範圍不同。對於CAD，特徵造型是一個參數化的變數設計工具，因此，CAD的特徵表示既要包括細節信息（組成特徵的邊界邊和邊界面），也要包括高層信息（特徵的參數和特徵的位置、方向）；CAPP卻只需要引用特徵的類型、參數、公差等，即CAPP特徵表示的要求為高層信息。

其次，用特徵構成零件的方式不同。CAD中的特徵本身都處於同一級中，沒有主輔之分，其從屬關係只是記錄特徵的生成順序；CAPP中的特徵則是以主型面為基礎，在主型面上逐級附加輔助型面，即主型面處於同一級上，輔助型面附屬於主型面或上一級輔助型面。

在特徵調用的方式上，CAD的特徵信息集中，從一個特徵的調用可以同時了解一組特徵。而CAPP的特徵信息分散，為了了解一個特徵的組成及其與相鄰特徵之間的關係，必須同時找到相應的謂詞，才能了解該特徵的相應位置。

由此可見，若要實現CAD特徵造型結果直接傳輸給CAPP，必須有相應的介面，以達到CAD／CAPP的完美集成和CAPP所需零件信息的正確輸入。為此，CAD特徵造型與CAPP介面的實現需要將CAD中的樹結構轉換為對應的主、輔結構，並將CAD中有關一個特徵的集中信息分散在相關的多個謂詞中。

介面的程序實現是在CAD特徵造型系統中，針對整體迴轉面刀具，定義CAPP的主特徵、表面特徵、端部特徵的C＋＋數據結構。這樣，CAD特徵造型的結果中CAPP所需的零件信息生成特定數據格式的數據文件，CAPP系統直接按特定的格式讀入，即可實現CAD特徵造型結果向CAPP的傳輸。

（2）CAPP／CAM的集成

由圖2可見，CAPP／CAM集成的主要功能是將CAPP提供的工序數據最終轉換成NC代碼，載入到多坐標（如5坐標）NC機床以實現數控加工，從而實現整體迴轉面刀具的CAPP／CAM信息集成。

（3）工藝資料庫與知識庫建設

工藝數據是指CAPP系統在工藝設計過程中所使用和產生的數據，工藝知識是指支持CAPP系統工藝決策所需的規則。

工藝數據與知識的表達是通過數據結構來實現的。用於工藝數據與知識的數據結構有串、表、棧、樹、圖及框架結構、網路結構等。

①工藝規程的表達　在工藝設計過程中，系統根據當前零件信息，在推理機的控制策略下，按一定順序執行子任務，並由對應於各個子任務的函數來執行。為此，本系統構造了以工序為主鏈、工步為輔鏈的「工序-工步二叉樹」數據結構，並將各種工藝信息用對象與鏈表掛於工序或工步結點之後，從而完成了工藝規程信息模型的建立。

圖4　工序節點

圖5　工步節點

本系統的工藝數據結構採用面向對象的數據模型，能更方便地操作複雜的工藝模型。

②資料庫及數據訪問介面的選擇　本系統資料庫選擇了便於桌面管理的ACCESS97。目前常用的數據訪問介面有ODBC（Open　Database　Connectivity）、DAO（Data　Access　Object）等方式。由於CAPP系統數據類型的複雜性，不宜採用要求數據類型較為固定的ODBC方式。因此，本系統採用了可靈活操作ACCESS資料庫的DAO方式，即Microsoft　Jet資料庫引擎。具體介面如下：

DBEngine．IniPath＝″HKEY－CURRENT－USER＼Software＼

VB　and　VBA　Program　Settings＼″　＆　APP－CATEGORY　＆　″＼″　＆　App．Title

DBEngine．DefaultUser＝″Admin″

DBEngine．DefaultPassword＝vbNullString』登錄到Jet　On　Error　Resume　Next

Set　gwsMainWS＝DBEngine．CreateWorkspace（″MainWS″，″admin″，vbNullString）

Workspaces．Append　gwsMainWS：On　Error　Resume　Next

Set　gdbCurrentDB＝gwsMainWS．OpenDatabase－

（App．Path＋＂＼base＼space．mdb″，True，　vbNullString）

（4）技術文檔管理系統的作用

在整體迴轉面刀具系統的集成信息平台中，技術文檔的作用主要為：

①保證CAD、CAPP、CAM各系統實現數據的有效、順序存取和交換。

②對項目、工作組、用戶進行分級工作管理，動態地實現多級許可權的管理。

③對數據信息的存取、封鎖和標識管理。

④實現對各資料庫間的數據雙向傳輸管理。

四、整體迴轉刀具CAPP軟體系統的應用效果

整體迴轉面刀具CAPP軟體系統運用特徵造型技術，實現了CAD／CAPP／CAM系統的集成。該軟體在哈爾濱二五四廠投入運行以來，取得了明顯的效果。集成系統的運用使工廠的工藝規程編製和數控編程周期縮短1／2～2／3以上，具有較大的應用價值。用戶反映系統集成度高，用戶界面友好，易學易用，符合工程人員的工作習慣，較好地解決了生產加工中的實際問題。