基于Pro/E面向数控加工的箱体零件CAPP系统
引言目前，CAD/CAPP集成的主要问题是现有CAD系统输出的零件信息，从几何角度来看是一些点、线、面的信息，有的有拓朴关系，有的甚至没有。显然，这些几何信息必须重新组织成CAPP系统所需的、具有加工意义的加工特征及加工表面。此外，CAPP系统还需要材料、表面粗糙度、尺寸公差及形位公差等非几何信息。但目前大多数CAD系统不能给出这些信息，需要用交互方式补充输人，工作量大。尤其对于箱体零件，加工特征很多，零件信息输人工作量大。
本文所介绍的CAPP系统采用Pro/E作为开发平台，充分利用其强大的特征造型能力，采用c语言进行编程实现箱体零件的特征自动识别与提取，建立知识库与规则库，实现数控程序的自动生成。
1系统的构成
本文所介绍的CAPP系统的总体结构如图1所示，设计遵循以下原则。
1)以基于特征设计的方法构造零件设计模型。采用特征设计是实现自动提取的前提。在特征识别时，难免会遇到对低层几何信息的分析与识别。但只要建立特征为单元的儿何推理机制，就可防止出现特征识别的困难-从离散的几何、拓朴关系中识别特征。
2)采用CAPP专家系统自动生成数控加工程序，人工干预少，自动化程度高。利用Pro/E的特征造型技术，对箱体零件采用多方位的特征描述方法，参照Pro/E软件定义特征的数据结构，定义加工特征库。通过访问软件的数据库，辅以必要的人机交互输人、计算、提取所需特征的几何信息和工艺信息，存储于加工特征库中。根据CAPP系统的规则库，通过推理机制确定数控工艺路线。调用本系统的数控程序生成模块，根据数控工艺路线，生成数控程序文件。
1.1本系统主要功能模块简介
1)设计特征模型:采用美国PTC公司开发的机械设计自动化软件Pro/E，其采用全参数化，基于特征的设计，采用单一的数据库。在造型上，除了提供常用的特征，如凸块、孔、槽、倒角、圆角、切块、筋、基准等之外，还允许采用用户自定义形状特征和组合复杂形状特征，如形面、壳体、三维扫描、过滤、薄壁和其他组合形状特征。Pro/E的造型过程如图2所示。
图2
除强大的特征造型功能外，Pro/E软件提供了二次开发工具包，允许用户利用已有软件进行开发，允许用户直接访问数据库，对数据库进行操作。
2)特征提取模块:通过对零件特征的分析，提取所需的加工特征。由于木系统主要针对箱体零件，面向数控加工，故主要对面和孔的特征提取算法作一探讨，定义特征结构主要考虑后续工艺设计和数控编程的需要，尽量减少不必要的参数，因此特征的结构尽量简单和实用。
面作为重要的加工特征，在Pro/E造型过程中为设计特征的组成部分。特征由面组成，但并非所有面都需要加工，因此，对于面特征的提取采用鼠标拾取方式。面的数据结构如图3所示。图3中面所在的层是反映在每一方位上，可以有多个加工面，根据加工面与坐标零点距离的大小，分为若干层，距离最远的为第一层，其次为第二层，依次类推。图3中，U、V为用一最小的矩阵包容此加工面，即矩形的最大、最小x,y,z坐标值。
孔的类型很多，有通孔、盲孔、螺纹孔、台阶孔等，虽然类型各不一样，但都包含圆柱孔的几何特征，因此，首先，对普通圆柱孔作一分析，在Pro/E中每生成一特征孔，软件的特征造型模块将自动为每一孔特征生成一从属于此孔的轴。即使两孔完全重合，Pro/E仍将它们定义为不同的孔，这就有几何尺寸一致，但标识符、指针不同的轴从属于不同的孔特征。根据以上分析，定义如图4所示的普通圆柱孔的数据结构。定义圆柱孔的结构之后，任何类型的孔都可在其基础上进行扩展或组合。定义孔的数据结构之后，可根据不同的面、孔类型建立加工特征库。在特征识别时，可排除不需要的特征，将需要的特征根据不同的类型。便于以后调用。
1.2本系统的特征选择模块和程序生成模块
1)加工坐标系选择模块:自动产生一缺省坐标系。在特征提取时，特征的所有几何尺寸都是以此缺省坐标系作为基准的，此缺省坐标系在加工中与加工坐标系可能不一致。因此，需要建立加工坐标系。此模块的作用就是拾取加工坐标系，生成变换矩阵。
2)加工面选择模块:采用人机交互方式，用标拾取加工面，确认后从Pro/E的统一数据库中拾取标识符、指针、法向矢量，得其方位号。根据层次输人层号，拾取形位公差、表面粗糙度。若未提取出，人机交互输人，存人加工特征库中。
3)数控工艺路线生成模块:以创成为主，人工干预为辅，生成详细的工艺路线，如图5所示。箱体零件的加工面主要是孔和面，加工方法比较单纯，加工顺序比较稳定，确定零件加工过程所需的决策逻辑不复杂。本知识库采用产生式规则来表达有关工艺设计知识，知识库与任务紧密相关，用层次规划对不同的知识进行分层，采用分层的方法来组织管理和运用知识，形成结构化的知识库。
加工方法的确定是通过知识库分析，整理得到形面类型、尺寸、精度等级及表面粗糙度等相对应的某一固定顺序的加工操作序列的加工链。加工链是加工某表面所要采用加工方法的总和。加工链同时给出了特定形面各种加工方法在工艺路线的先后顺序。
对于特定形面在咨询该知识库时，通常只是一种规则被合理触发，从而找到相匹配的加工链。
4)数控程序生成模块:根据数控工艺路线，调用加工特征的参数及工艺知识库的知识，生成数控机床的数控程序文件，如图6所示。
5)规则库:存放领域的专家知识规则形式，且各个模块之间相互独立。此系统的各个模块作为Pro/E的子模块，与Pro/E软件集成在一起，以菜单的形式出现.
2.结语
利用Pro/E的特征造型模块对零件特征信息描述详细的优势，开发了一种基于Pro/E面向数控加工的箱体零件CAPP系统，实现了从设计特征到制造特征的自动识别与提取，成功地解决了CAD信息向CAPP系统的转换，实现了CAD与CAPP集成。以基于特征设计的CAD软件作为CAPP系统的开发平台，可以有效地解决零件信息描述和输人问题。
文章关键词： 数控加工
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