0 引言
CAD/ CAPP/ CAM 集成是當今計算機在制造科學與工程中應用的一個重要方向, 但現有的CAD、CAPP、CAM 系統是相互獨立發展起來的, 它們之間沒有一個完整的產品信息模型支持。從目前的研究狀況看, 實現CAD/ CAPP/ CAM 集成的最佳選擇是利用特征技術建立統一的數據模型。其實現的途徑有兩類[ 1～3] : ( 1) 建立一個統一的CAD/CAPP/ CAM 信息模型, 使產品在其生命周期各階段都可以進行數據共享; ( 2) 面向現有的CAD 系統, 通過特征定義和提取信息, 實現間接集成。由于機械產品形式多樣, 制造條件各異, 難于有一個萬能的CAPP 平臺適應各種制造環境。隨著CAD 技術的廣泛應用, 要求在不同的CAD 軟件平臺上, 針對企業技術產品開發相應的專用的CAPP 系統。所以這種間接集成的CAPP 開發方法將逐漸成為企業的一種需求。
MDT ( AutoCAD Mechanical Deskto p) 是在AutoCAD 基礎上開發的通用三維機械CA D 平臺[ 4] , 主要包括機械CAD 參數化特征造型、曲面造型和裝配造型3 大部分, 并提供了ObjectARX 和MCAD API 等強大的二次開發工具, 在我國有著眾多的用戶。在MDT 特征造型的基礎上, 通過特征識別和提取, 并附加工藝信息, 實現間接信息集成并開發箱體類零件CA D/ CAPP/ CAM 系統可為有關企業的CAD/ CAPP 集成提供技術支持。
1 ObjectARX 和MCAD API 開發環境
ObjectARX ( AutoCAD Runt ime eXtension, AutoCAD 的運行擴展庫) 是Autodesk 公司推出的一種用以替代ADS 的新的AutoCAD 二次開發工具。ARX 程序實際上是與AutoCAD 共享地址空間的Window s 動態連接庫( DLL ) , 它可以直接調用AutoCAD 內核數據和函數, 因此能夠獲得比AutoLISP和ADS 更快的速度。并且ObjectARX 還可以充分利用Visual C+ + 提供的Micro sof t 基礎類庫 ( MFC) , 能夠最大程度地利用MFC 所提供的方便條件。ObjectARX 由基本ARX 類庫構成, 是典型的文檔-控制-視結構, 包括AcDb、Adsrx 、AcEd、AcRx 、AcGi、AcGe、ACIS、AcBr 等類[ 5] 。
MCAD API( Mechanical A pplicat io n Prog rammingInterface) 是MDT 應用程序接口函數庫, 增強并擴展了ObjectARX。MCAD API 由一系列接口函數構成, 提供了參數化特征編輯和高層建模技術, 并通過Object Keys 技術與ARX 類庫交互作用, 為程序員提供了通用的C 語言接口函數。MCAD API 具有統一的對象引用機制, 統一了API 函數接口, 強化了幾何抽象, 支持幾何變更事件, 為參數化模型生成過程提供了統一的集成, 并支持屬性的創建、定制、附加、查詢和編輯等功能。
同ADS 程序一樣, 利用ObjectARX 和MCADAPI 開發應用程序時, 必須也有類似ADS main ( )函數的入口函數acrxEnt ryPoint ( ) 和initApp ( ) 、unlo adApp( ) 等程序初始化函數。入口函數acrxEntrypoint ( ) 用于MDT 與應用程序進行信息交換, initApp( ) 函數用于MFC 的初始化和命令的注冊,而unlo adApp( ) 函數用于關閉應用程序時撤消注冊命令和MFC 初始化。
2 基于ObjectARX 與MCAD API 實現CAD/CAPP 的關鍵技術
2. 1 MDT 環境下箱體類零件特征造型和特征庫的建立
MDT 的零件特征分為3 類: 草圖特征、放置特征和陣列特征。草圖特征包括拉伸、旋轉、掃描生成的基本特征; 放置特征包括打孔、倒圓、倒角、曲面切割; 陣列特征包括有圓形陣列特征和矩形陣列特征。
MDT 環境下箱體類零件特征建模過程( 如圖1所示) 的一般步驟為: ( 1)零件設計構思; ( 2) 生成基本特征; ( 3) 分析零件; ( 4)生成其余特征; ( 5) 分析零件; ( 6) 必要時修改特征。基于上述基本特征,
可以綜合利用MDT 命令、ARX 類庫和MCAD API函數根據實際需要創建箱體類零件形狀特征庫。特征庫中的各特征類包括幾何形狀特征屬性和精度特征屬性等。從加工角度看,箱體類零件形狀特征可分為基本特征和復合特征[ 6] 。
2. 2 箱體類零件特征信
息模型的表達根據需要建立基本特征和復合特征信息的框架表達, 即建立特征數據庫和知識庫, 然后利用MDT的屬性和對象鍵( Object Keys) 機制建立工藝信息與零件形狀特征模型的動態關聯關系[ 5] 。
用戶應用程序和MCAD API 之間的交互大部分是通過對象鍵( Object Key s) 進行的, 在API 函數中使用Keys 來引用實體, 如幾何鍵( Geometr yKeys) 用來引用幾何對象( 曲面、曲線、點) ; 使用零件鍵( Part Keys) 和特征鍵( Featur e Keys) 來引用零件和特征對象。而引用對象的必要信息全部存儲在Key 對象中, 當Key 傳遞給API 函數時, MDT 系統就會知道是哪個程序創建該Key, 從而執行相應的代碼, 完成相應的功能。Key 是一個持久的引用對象, 他可保護應用程序不隨對象的改變而改變。屬性( At t ributes) 是與實體相關聯的數據。屬性可通過對象鍵( Object Keys) 機制附加到任何幾何體上, 所附加的屬性在模型的生成過程中始終保持有效。屬性的創建一般有兩種方法: 可實例化屬性( Attribute class) 和繼承屬性( Derived class) 。屬性的操作有: 定義, 創建, 實例化; 附加, 查詢, 存儲和讀入等。
應用程序的數據既可通過屬性附加等方法隨同MDT 數據庫( . dw g 文件) 一起存儲, 也可以存儲在外部數據文件中。對于零件總體特征信息通過屬性機制與特定零件之間建立動態關聯關系, 而與特征有關的工藝信息, 如精度特征等則與相應的特征或特征面之間建立動態關聯關系。對于所需的外部數
據如加工鏈決策庫、刀具資源庫、加工余量數據庫,可利用ODBC( 開發式數據庫互聯) 建立外部數據庫或數據文件。
在MDT 零件特征造型的過程中, 利用MDT屬性和對象鍵( Object Keys) 機制編制的應用程序以交互方式由用戶分別定義總體特征和特征工藝信息, 從而建立面向CAD/ CAPP 的箱體類零件完整特征信息模型。
2. 3 特征識別和信息提取
建立零件特征信息模型之后, 就可以對特征進行信息提取, 最后輸出為以面向對象框架描述的零件特征信息, 作為后續CAPP 的輸入信息。特征信息提取主要包括特征描述信息的提取和特征工藝信息( 特征附加屬性) 的提取。
特征描述信息的提取是通過特征描述器進行的。特征描述器( Featur e Descripto rs) 包含構造特征的所有信息, 內容主要有: ( 1) 特征的一般信息, 如孔的直徑、倒圓的半徑等; ( 2) 特征的定位信息( Locator); ( 3) 特征終止信息( T erminator) 。
特征工藝信息作為特征附加屬性是利用MDT的屬性機制實現的。零件特征提取算法的一般步驟如下: ( 1) 選擇零件, 獲取零件Key, 建立零件對象CPart ; ( 2) 取零件總體特征數據; ( 3) 取所有加工特征; ( 4) 選擇一個特征, 獲取特征Key , 建立特征對象CFeat ; ( 5) 取特征描述數據, 包括特征名稱、特征類型、特征尺寸參數信息、特征的定位信息、特征終止信息等; ( 6) 取特征工藝數據; ( 7) 重復步驟4 至6, 直到掃描完零件的所有加工特征。
在程序中, 對于某一幾何形狀特征而言, 必須提取表示該形狀特征的基本參數。例如, 對于形狀特征盲孔通孔而言, 必須提取其兩個基本參數, 即半徑和孔長。該特征通過父類槽繼承預先建立的孔類框架FHole 的屬性數據、規則和方法, 作為后續特征單元排序和工藝規程生成的推理依據。
3 箱體類零件CAD/CAPP 集成系統的框架結構
零件信息的描述和處理是箱體類零件CAPP 系統的關鍵之一, 其描述方法常受系統工藝設計原理和零件幾何特征等因素的影響。采用MDT 環境下的特征技術則會很好地解決這個問題: 在MDT 環境下對箱體類零件進行特征造型, 并通過人機交互方式輸入工藝信息, 這樣在工藝分析時就可以通過特征識別和信息提取技術來獲得必要的幾何信息和工藝信息。工藝設計是CAPP 系統的核心, 根據特征的面向對象性質, 采用工藝知識的框架形式的表示方法可以建立起工藝信息與零件特征的動態關聯, 從而進行工藝推理。
本CAD/ CAPP 集成系統是作為計算機輔助生產線設計系統中一個子系統而開發的, 其工作流程是: 在MDT 特征造型基礎上, 提取特征幾何信息,通過人機接口界面添加工藝信息, 而后輸入到CAPP 系統中, 通過推理生成加工路線, 為計算機輔助生產線設計提供設計基礎。系統的結構如圖2 所示, 主要包括有控制模塊, 零件工藝輸入模塊, MDT特征造型模塊, 特征識別與信息提取模塊, 工藝設計模塊, 輸出模塊和零件特征工藝庫等模塊[ 3, 7] 。
在應用層主要包括面向用戶的操作界面、加工鏈決策庫、刀具資源庫、加工余量數據庫和切削用量庫等數據庫的操作。由于加工鏈決策庫、刀具資源庫、加工余量數據庫和切削用量庫是外部規則庫, 不同的生產環境會有不同的選擇結果, 因此面向用戶開放, 用戶可以進行增加、刪除和修改。
4 運行實例與結論
以某變速箱殼體為例, 該零件圖如圖3 所示, 其主要加工特征為孔、面和凸臺。通過如圖4 所示的特征信息輸入界面輸入工藝信息, 并保存在程序內部的數據結構中, 從該數據結構中可以提取工藝排序所需的所有特征信息, 輸出到工藝排序的應用程序中, 通過CAPP 系統的推理決策, 可得到加工路線如圖5 所示。
通過天津第一機床廠柔性自動線快速響應設計系統開發過程對MDT 的二次開發工具ObjectARX和MCAD API 的實際使用表明: 它可以使CAD 與CAPP 間接信息集成; 同時, 以Window s 95 或Windows NT 為操作系統, 利用MS Visual C+ + 、ARX類庫、MFC 類庫、MCAD API 函數等構建的應用程序功能強大, 運行速度快, 而且程序分明、代碼簡潔,具有良好的可維護性和可重用性。
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