三维环境下CAD/CAPP集成方法研究与实践

   1 概述

    传统的CAPP系统往往建立在二维CAD的基础上，或者基于二维的图形信息进行工艺设计。二维环境下的CAPP有很多缺点，包括:基于二维视图的工艺设计知识的表达、获取、组织与管理比较困难，不能有效的总结设计经验和设计方法;复杂的产品以及零部件只能以二维视图显示，但是零件的关键特征属性难以在二维视图中表现，这使得工艺性评价以及审查流于形式等。随着计算机技术发展及其在制造业中的深人应用，产品设计开始更多地采用三维CAD技术，而且CAD/CAM往往建立在统一的信息平台的基础上。同时，研究与开发三维环境下CAPP系统，使 CAD、CAPP及CAM共享统一的三维产品模型，并充分利用CAD/CAM的设计与分析功能，将会是CAPP发展的一个主要方向。基于三维CAD的CAPP系统，其关键技术之一是实现三维CAD。和CAPP系统之间的集成，实现系统间的信息交换和共享。

    这里研究了三维环境下CAD/CAPP的几种集成方法，并对这几种方法进行了分析、比较和总结，最后给出了一个CAD/CAPP系统集成开发的实例。

    2 集成内容

    三维环境下CAD/CAPP系统集成的内容主要可以分为两个部分:

    2.1 产品设计信息

    包括零件各基本几何形体的表面特征，结构特征，零件的尺寸，基本集合形体在零件中所处的位置等。

    二维CAD很难表达复杂的产品结构和曲面外形，其图形的基本元素是点、直线和曲线，从这些基本元素的拓扑中得到计算机能够理解的零件准确图形特征比较困难。而三维CAD能够很直观的表达产品的外观形状和结构，其建立的零件特征模型能够更加有效的提供CAPP所需要的图形信息。

    2.2 加工工艺要求

    包括表面粗糙度，形状位置精度要求，形位间的相互位置精度等。

    特征是一个包含工程含义或意义的几何原型外形。特征在此已不是普通的体素，而是一种封装了各种属性和功能的对象。三维CAD可以通过添加特征属性来给零件特征模型添加加工工艺要求。二维CAD虽然也能给实体添加属性 但是其实体以点、线为主，而加工工艺要求往往是针对加工型面的，这样二维 CAD将很难提供加工工艺要求。在三维 CAD中，加工工艺要求基于零件特征定制，能够方便、准确的被表达。

    3 集成方法

    CAD/CAPP系统集成，分为信息集成、过程集成、功能集成。目前的CAD/CAPP系统集成大多停留在信息集成的基础上。其主要集成方法主要有以下几种:

    3.1 基于中间文件的系统集成

    基于中间文件的CAD/CAPP集成方式如图f所示。标准中间文件是指和CAD、CAPP子系统无关的公共接口文件，该接口文件通过公共的标准格式来建立。目前比较著名的数据交换标准有PDES、STEP、lGDS等。下面以STEP(Stand for Exchange ofPorduct Model Data)为例来说明三维环境下CAD/CAPP的集成方法。

    STEP标准是国际化标准组织制订的产品数据表达与交换的标准，由不同的应用领域，可以选择不同的STEP应用协议来规范产品信息模型数据。SETP零件模型由EXPRESS描述语言定义，由于EXPRESS不是编程语言，需要将EXPRESS描述的零件模型映射具体的编程语言。对于CAD中的零件设计信息，由EXPRESS建模后通过 STEP文件处理器生成STEP中性文件。CAPP系统读人中性文件，经由CAPP系统的前置处理器扫描、识别和提取零件特征及工艺信息。对于CAD端不能提供的其他工艺要求信息可以在CAD后置处理器中添加到STEP文件中，也可以在 CAPP前置处理器中添加到已经识别出的零件设计特征模型中。

   3.2 基于产品数据管理(PDM)的集成

    基于PDM的CAD/CAPP案成方式如图2所示。PDM(ProductDataManagement)技术是以软件技术为核心，通过计算机网络和数据库技术，将所有产品相关信息和过程集成在同一数据平台上，进行统一的管理。

    在该集成方式下，CAD和CAPP系统之间的数据传输由PDM来承担。但是 PDM仅仅实现了子系统间信息传递的管理和控制，信息的载体仍然是文本。文本的表现形式可以是专用文件(面向特定的CAD和CAPP系统)，也可以是通用文件(按照统一的数据交换标准建立的中间文件)。

    3.3 直接集成

    这种集成方式针对特定的CAD和CAPP系统，把CAD和CAPP作为一个整体来规划和开发。CAD系统不再是基于几何造型的系统，而是基于特征造型的系统，对特定 CAD系统生成的零件几何特征模型。通过特征识别系统提取出其中的几何信息和特征信息，转化成CAPP系统中零件数据专用格式。CAPP的功能直接在CAD平台上进行开发实现，整个系统高度集成。对于CAD生成的零件模型中没有而CAPP系统中需要的加工工艺信息，以人机文互方式输入。

    4 集成方法分析和比较

    上述几种集成方法都有各自的优缺点，在具体应用时应该针对不同的情况进行恰当的选择。下面对各种方法分别进行分析。

    (1)基于中间文件的集成方式优点在于通用性好，非常灵活。由于采用相同的数据交换标准，各个子系统之间是独立的，CAD和CAPP系统可以独立开发。在开发过程中，不需要考虑子系统间的配合，只需遵守集成系统统一的数据交换标准。如果一个CAD系统发生变化，只要保证它的零件模型数据按照相同的中间文件格式，则接口几乎不需要修改。而且其他子系统不需要作相应的调整;如果一个CAPP系统有所变化，也只需要修改原有的转换程序或者加人新的转换程序，接口和其他子系统也无需修改。

    由于中间文件的数据交换标准非常的复杂，使得系统开发的工作量大，研制周期长，开发成本较高。该集成方式实现了CAD/CAPP系统的数据交换，也就是信息集成，但是不能够实现系统的过程集成和功能集成。这样的集成方式适合于多个CAD系统和多个CAPP系统的用户。

    (2)基于PDM的集成方式的核心思想是设计数据的有效，设计过程的优化和资源共享。其优点在于有效、实时地控制产品各种复杂的数字化信息，能够提供准确的文档查询，提高数据传输速率，增加文档数据的利用率，有效地实现文档管理，增加数据的安全性。通过PDM,CAPP和CAD系统不再是孤立的模块，而是在产品开发环境下的有机组成部分。设计人员和工艺人员通过PDM传递信息，接受信息，控制各自系统的数据。在CAD系统中，设计人员能够实时查看工艺人员的工艺数据，利用PDM系统中已经管理了的数据资源;在CAPP系统中，工艺人员能够随时了解整个开发项目中的进展情况，调整自己的工作进度。

    这样在产品设计阶段实现“资源共享”和“协同工作”.有效地实现了CAD/CAPP系统的信息集成和过程集成，将产品设计过程和工艺开发过程有机地结合起来。

    由于PDM管理的是系统间传输的文本，从信息集成的角度上来说，PDM并不能提供新的集成手段，信息集成的方式仍然是基于中间文件。

    (3)直接集成最大的特点在于CAD和CAPP是一个高度集成的整体。由于子系统的功能都是集成在CAD软件平台上.有效地实现了CAD/CAPP系统的信息集成和功能集成。其优点是针对专用的CAD/CAPP系统研制专用接口，包括专用的特征识别程序的研制以及专用零件定义数据格式的设计，相对简单，工作量小，研制周期短，运行效率高。其缺点是依赖于特定的特征造型技术，有一定的局限性;不够灵活，已有的CAD或CAPP系统发生变化时，整个集成系统需要修改或者重新研制。

    这种集成方式适合已有某种三维造型CAD系统及CAPP系统，并且面向某种类型零件的用户。

    5 实例

    作者及所在的课题组应用直接集成的方法。研究与开发了一个基于三维CAD的CAPP原型系统。三维CAD系统选用Uigraphics软件，系统集成框架如图3所示。

    CAD/CAPP系统的集成接口通过UG/OPENAP[技术实现。UG提供了强大的特征建模功能，其部件文件(prt文件)在某种程度上是一个数据库，不仅包含了零件的几何信息，而且包含了大量的非几何信息，UG将这些信息以对象的形式存储在部件文件中。UG/OPEN API技术提供了很好的功能支持，能够对部件文件以及文件中的对象进行创建、访问和修改，用户可以自定义对象，添加对象属性。对部件文件的对象操作也就是对数据库中的零件信息的操作。添加对象属性提供了加工工艺数据输入的功能。

    整个系统的开发在UG上围绕产品信息模型进行。在设计阶段根据设计特征完成几何特征模型的建立。利用UG/OPENAPI的UDO和UF_ATTR，通过人机交互的手段在几何特征模型上添加加工工艺要求，生成完整的产品信息模型。然后遍历模型得到其中的几何信息以及加工工艺信息。生成CAPP数据文件，为CAPP子系统提供完整的零件信息。

    6 小结

    基于三维CAD进行工艺设计，是CAPP系统的一个重要发展方向。其关键问题之一是解决三维设计信息在CAD/CAPP之间的传递问题。这里介绍的是CAD/CAPP集成方法，除此之外，还有很多值得研究的内容，包括三维CAD的二次开发环境和工具，基于三维的工艺知识资源库，基于三维特征的工艺性评价等等。
       

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