一、前　言

　　整體回轉(zhuǎn)面刀具是用于加工復雜、特殊形狀工件的重要刀具，其需求量隨著先進加工技術(shù)的發(fā)展而不斷增加。為了高效率、高質(zhì)量地設(shè)計和制造該類刀具，必須實現(xiàn)整體回轉(zhuǎn)面刀具CAD/CAPP/CAM的集成化。因此，開發(fā)整體回轉(zhuǎn)面刀具CAPP系統(tǒng)軟件十分必要。目前，國內(nèi)刀具生產(chǎn)企業(yè)配備計算機工作站的還不多，大多借助微機進行刀具設(shè)計和制造。為此，我們在微機上利用VB5.0、VC++5.0、AutoCADR14等開發(fā)工具開發(fā)出了整體回轉(zhuǎn)面刀具CAPP軟件系統(tǒng)。

　　二、軟件系統(tǒng)的功能要求

　　為了產(chǎn)生優(yōu)化的工藝過程卡、工序卡、工步卡等CAPP技術(shù)文件及實現(xiàn)與其它相關(guān)模塊間的信息共享，本軟件系統(tǒng)要求具有以下功能：

　　(1)可利用特征造型技術(shù)向CAPP提供足夠的信息支持，從而實現(xiàn)CAD、CAPP、CAM模塊間的高度集成和數(shù)據(jù)共享;

　　(2)擁有完善的工藝數(shù)據(jù)庫、知識庫及高效接口;

　　(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。

　　為便于操作，還利用Windows編程技術(shù)編制了完整、友好的用戶界面。此外，由于該系統(tǒng)軟件采用了基于特征造型的參數(shù)化設(shè)計方法，因此具有較好的通用性。

　　三、軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

　　為了探討CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)應用于各類整體回轉(zhuǎn)面刀具設(shè)計、生產(chǎn)過程的可能性及實現(xiàn)方法，本文就軟件開發(fā)過程中涉及的理論問題進行了分析。

　　1.特征造型技術(shù)的應用及整體回轉(zhuǎn)面刀具的特征分析

　　為了使CAPP從CAD中得到足夠的信息用于工藝決策，信息的采集與處理方式應從傳統(tǒng)的實體造型信息模型轉(zhuǎn)向特征造型信息模型。特征造型信息模型具有以下優(yōu)點：

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

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

　　特征造型就是根據(jù)應用要求而預先構(gòu)想的信息模型，它把幾何和非幾何信息全部匯入產(chǎn)品定義中。整體回轉(zhuǎn)面刀具的全生產(chǎn)周期包括產(chǎn)品的市場分析、需求分析、工程設(shè)計、工藝設(shè)計、加工、檢驗和維護。從制造的觀點來看，整體回轉(zhuǎn)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)零件特征信息　用于描述整體回轉(zhuǎn)面刀具的幾何形狀、拓撲信息。主要用于描述刀具的頂點、邊、面的數(shù)目、類型以及相互間的連通關(guān)系。對外特征體素的操作為 “并”運算，對內(nèi)特征體素的操作為“差”運算，此外，對內(nèi)特征體素還存在“交”運算。特征體素及其要素由特征編碼加以區(qū)分。

　　(3)零件公差信息　刀具各加工面的信息均體現(xiàn)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

　　為了將特征造型技術(shù)應用于整體回轉(zhuǎn)面刀具的生產(chǎn)中，應對整體回轉(zhuǎn)面刀具的結(jié)構(gòu)工藝特點進行分析。特征分析采用如下原則：①特征的層次性分析原則，即分清特征間的從屬關(guān)系;②幾何元素與參數(shù)相結(jié)合的原則;③附加特征的分析原則。

　　分析整體回轉(zhuǎn)面刀具的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)具有以下特點：

　　(1)整體回轉(zhuǎn)面刀具的刀頭由規(guī)則曲面(如圓柱、圓錐等)與復雜曲面組成(如旋轉(zhuǎn)銼、球頭立銑刀等是由復雜母線組成的回轉(zhuǎn)面刀具，屬于多坐標加工零件);

　　(2)整體回轉(zhuǎn)面刀具除具有復雜的回轉(zhuǎn)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(shù)控加工基礎(chǔ)。

　　2.CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的功能

　　本軟件的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

　　圖2　整體回轉(zhuǎn)面刀具CAD/CAPP/CAM

　　3.集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

　　(1)CAD/CAPP的集成

　　CAD系統(tǒng)與CAPP的集成，實質(zhì)上是結(jié)構(gòu)設(shè)計模型與CAPP的集成。整體回轉(zhuǎn)面刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計采用基于特征的參數(shù)化設(shè)計方法，它能提供完整的產(chǎn)品信息。

　　為實現(xiàn)CAD/CAPP集成，就必須了解CAPP所需的信息。整體回轉(zhuǎn)面刀具CAPP所需的信息主要為零件總體信息、特征信息、公差信息、尺寸信息等。

　　采用基于特征的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計所產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果中包含幾何和非幾何信息，顯然，該系統(tǒng)是完全面向工藝設(shè)計的。整個系統(tǒng)采用VB5.0開發(fā)，CAD特征造型模塊采用VC++語言，利用ARX二次開發(fā)工具在AutoCAD　R14上開發(fā)實現(xiàn)。形狀特征是從ARX提供的AcDbEntity派生的，并對AcDbSolid3d對象進行了封裝。其它特征和零件以及特征樹是由AcDb0bject派生的。

　　本系統(tǒng)采用基于形面要素特征輸入法和CAD特征造型系統(tǒng)直接輸入法兩種方法描述和輸入零件信息。

　　①基于形面要素特征輸入法

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

　　具體實現(xiàn)方法：針對整體回轉(zhuǎn)面刀具的結(jié)構(gòu)和工藝特點，首先將特征分為三類：主特征、表面特征和端面特征。如圖3所示，整體回轉(zhuǎn)面刀具的主特征有圓柱、錐臺體、球體等;表面特征有削平;端部特征有倒角、退刀槽、頂尖孔等。然后以主特征為依據(jù)建立特征模型，從而建立圓柱、錐臺體、球體三大類復合特征。通常，特征模型的構(gòu)成為：主特征+端部特征+表面特征。在此基礎(chǔ)上，通過人機對話方式對各類形面要素的特征、參數(shù)進行設(shè)定，保證輸入的參數(shù)準確，特征可靠。

　　(a)主特征　　(b)表面特征　　(c)端部特征

　　圖3　整體回轉(zhuǎn)面刀具特征分類

　　②CAD特征造型系統(tǒng)直接輸入法

　　從CIMS的集成角度來看，CAPP系統(tǒng)最理想、最直接的零件信息輸入方法是CAD系統(tǒng)特征造型結(jié)果的直接傳輸。但由于CAD和CAPP的側(cè)重點和目的不同，兩者雖然共享一個特征模型，但在特征的表示、組織、調(diào)用、參數(shù)處理等方面都有一定差異。

　　首先，特征表示的信息范圍不同。對于CAD，特征造型是一個參數(shù)化的變量設(shè)計工具，因此，CAD的特征表示既要包括細節(jié)信息(組成特征的邊界邊和邊界面)，也要包括高層信息(特征的參數(shù)和特征的位置、方向);CAPP卻只需要引用特征的類型、參數(shù)、公差等，即CAPP特征表示的要求為高層信息。

　　其次，用特征構(gòu)成零件的方式不同。CAD中的特征本身都處于同一級中，沒有主輔之分，其從屬關(guān)系只是記錄特征的生成順序;CAPP中的特征則是以主型面為基礎(chǔ)，在主型面上逐級附加輔助型面，即主型面處于同一級上，輔助型面附屬于主型面或上一級輔助型面。

　　在特征調(diào)用的方式上，CAD的特征信息集中，從一個特征的調(diào)用可以同時了解一組特征。而CAPP的特征信息分散，為了了解一個特征的組成及其與相鄰特征之間的關(guān)系，必須同時找到相應的謂詞，才能了解該特征的相應位置。

　　由此可見，若要實現(xiàn)CAD特征造型結(jié)果直接傳輸給CAPP，必須有相應的接口，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特征造型與CAPP接口的實現(xiàn)需要將CAD中的樹結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為對應的主、輔結(jié)構(gòu)，并將CAD中有關(guān)一個特征的集中信息分散在相關(guān)的多個謂詞中。

　　接口的程序?qū)崿F(xiàn)是在CAD特征造型系統(tǒng)中，針對整體回轉(zhuǎn)面刀具，定義CAPP的主特征、表面特征、端部特征的C++數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣，CAD特征造型的結(jié)果中CAPP所需的零件信息生成特定數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)文件，CAPP系統(tǒng)直接按特定的格式讀入，即可實現(xiàn)CAD特征造型結(jié)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(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)換成NC代碼，加載到多坐標(如5坐標)NC機床以實現(xiàn)數(shù)控加工，從而實現(xiàn)整體回轉(zhuǎn)面刀具的CAPP/CAM信息集成。

　　(3)工藝數(shù)據(jù)庫與知識庫建設(shè)

　　工藝數(shù)據(jù)是指CAPP系統(tǒng)在工藝設(shè)計過程中所使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，工藝知識是指支持CAPP系統(tǒng)工藝決策所需的規(guī)則。

　　工藝數(shù)據(jù)與知識的表達是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。用于工藝數(shù)據(jù)與知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有串、表、棧、樹、圖及框架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

　　①工藝規(guī)程的表達　在工藝設(shè)計過程中，系統(tǒng)根據(jù)當前零件信息，在推理機的控制策略下，按一定順序執(zhí)行子任務(wù)，并由對應于各個子任務(wù)的函數(shù)來執(zhí)行。為此，本系統(tǒng)構(gòu)造了以工序為主鏈、工步為輔鏈的“工序-工步二叉樹”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將各種工藝信息用對象與鏈表掛于工序或工步結(jié)點之后，從而完成了工藝規(guī)程信息模型的建立。

　　圖4　工序節(jié)點

　　圖5　工步節(jié)點

　　本系統(tǒng)的工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，能更方便地操作復雜的工藝模型。

　　②數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)訪問接口的選擇　本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選擇了便于桌面管理的ACCESS97。目前常用的數(shù)據(jù)訪問接口有ODBC(Open　Database　Connectivity)、DAO(Data　Access　Object)等方式。由于CAPP系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型的復雜性，不宜采用要求數(shù)據(jù)類型較為固定的ODBC方式。因此，本系統(tǒng)采用了可靈活操作ACCESS數(shù)據(jù)庫的DAO方式，即Microsoft　Jet數(shù)據(jù)庫引擎。具體接口如下：

　　DBEngine.IniPath=″HKEY-CURRENT-USERSoftware

　　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+"basespace.mdb″，True，　vbNullString)

　　(4)技術(shù)文檔管理系統(tǒng)的作用

　　在整體回轉(zhuǎn)面刀具系統(tǒng)的集成信息平臺中，技術(shù)文檔的作用主要為：

　　①保證CAD、CAPP、CAM各系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tài)地實現(xiàn)多級權(quán)限的管理。

　　③對數(shù)據(jù)信息的存取、封鎖和標識管理。

　　④實現(xiàn)對各數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)雙向傳輸管理。

　　四、整體回轉(zhuǎn)刀具CAPP軟件系統(tǒng)的應用效果

　　整體回轉(zhuǎn)面刀具CAPP軟件系統(tǒng)運用特征造型技術(shù)，實現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的集成。該軟件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(tǒng)的運用使工廠的工藝規(guī)程編制和數(shù)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(tǒng)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(chǎn)加工中的實際問題。