1 引言

　　如何準(zhǔn)確而有效地建立零件信息模型是CAD/CAPP/CAM集成的核心內(nèi)容，目前零件信息模型是基于特征造型技術(shù)。最通常的做法是：先按照特征分類建立特征庫(kù)，然后根據(jù)造型的實(shí)際需要進(jìn)行基本特征調(diào)用，利用特征之間的布爾運(yùn)算建立零件模型。這種方法有幾點(diǎn)不足之處。

　　(1)為了方便地構(gòu)造各種復(fù)雜零件模型，特征庫(kù)盡可能包含所有的基本特征，這一點(diǎn)目前做起來(lái)是比較困難的。

　　(2)當(dāng)前特征識(shí)別技術(shù)還不夠成熟，如何對(duì)特征庫(kù)進(jìn)行有效的管理和控制存在一定的難度。

　　(3)在實(shí)際進(jìn)行零件造型過(guò)程中，設(shè)計(jì)者很難在短時(shí)間內(nèi)快速而準(zhǔn)確地選擇所想要的特征，大大影響建模速度。

　　(4)現(xiàn)有的特征分類方法與機(jī)械加工方法并不是一一對(duì)應(yīng)，一種加工方法可能對(duì)應(yīng)幾個(gè)基本特征，根據(jù)特征和加工方法一一對(duì)應(yīng)的原理，應(yīng)將其作為復(fù)合特征存儲(chǔ)在特征庫(kù)中，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，對(duì)于這類矛盾還有待解決。

　　針對(duì)上述不足之處，本文首先明確零件信息模型內(nèi)涵，并在分析連桿加工工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行特征規(guī)劃和設(shè)計(jì)，然后利用特征減造型的方法(Destructive Modeling with Feature)，直接構(gòu)造零件模型，進(jìn)而建立零件信息模型，而不是遵循常規(guī)的特征分類與造型的方法，較成功地實(shí)現(xiàn)特征設(shè)計(jì)與機(jī)械加工過(guò)程的統(tǒng)一，即每一個(gè)特征與連桿每一種加工方法保持一致。

　　2 基于特征的零件信息模型

　　特征是用于完整表達(dá)零件信息的集合單元，是一定形狀、語(yǔ)義和抽象的結(jié)合[1]。一個(gè)完整的零件模型不僅是零件數(shù)據(jù)的集合，還應(yīng)反映出各類數(shù)據(jù)的表達(dá)方式及相互間的關(guān)系。只有建立在一定表達(dá)方式基礎(chǔ)上的零件模型，才能有效地被各種應(yīng)用系統(tǒng)接受，完整的零件信息模型應(yīng)包括：管理特征、形狀特征、精度特征、材料特征和技術(shù)特征如圖1所示。

　　(1) 形狀特征。描述具有一定工程意義的功能幾何形狀信息，分為主特征和輔特征。主特征用于構(gòu)造零件的主體形狀結(jié)構(gòu)。輔特征用于對(duì)主特征的修飾，它附加于主特征之上，也可附加于另一輔特征之上。形狀特征是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造人員考慮問(wèn)題的焦點(diǎn)，也是其他信息的載體。

　　(2) 精度特征。用于描述零件的尺寸公差、形位公差和粗糙度公差等信息，尺寸與公差特征是聯(lián)系設(shè)計(jì)與制造的重要屬性，在特征設(shè)計(jì)中，對(duì)尺寸與公差特征進(jìn)行分析，并直接對(duì)零件信息模型建立尺寸與公差特征，可以清楚地表示形狀特征的非幾何屬性以及形狀特征之間的相互關(guān)系。

　　(3) 材料特征。用于描述零件材料的種類代號(hào)、性能、熱處理方法，表面處理方式等信息。

　　(4) 技術(shù)特征。用于描述零件的性能、功能等信息。

　　(5) 管理特征。用于描述零件的管理特征，如零件名稱、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期、數(shù)量、圖號(hào)、版本等信息。零件的幾何/拓?fù)湫畔⑹腔A(chǔ)。特征層是核心，特征層中各種特征子模型之間的相互聯(lián)系反映了特征間的語(yǔ)義關(guān)系，使特征成為構(gòu)造零件的基本單元具有高層次的工程含義，從而支持CAPP、NC編程，加工仿真對(duì)零件數(shù)據(jù)的需求。

　　3 三維零件信息模型的建立

　　建立零件信息模型的關(guān)鍵是做好特征規(guī)劃，如圖1所示。采用直接建模技術(shù)可以分層次對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不同層次建立相應(yīng)的參數(shù)化特征模塊，每一個(gè)特征由一組唯一決定該特征的參數(shù)來(lái)描述。現(xiàn)以柴油機(jī)中的連桿為例，利用Pro/ENGINEER軟件，對(duì)三維零件信息模型的建模方法和設(shè)計(jì)步驟加以說(shuō)明。

　　3.1 連桿功能和結(jié)構(gòu)分析

　　連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，如圖2所示。它將作用于活塞頂面的膨脹氣體的壓力傳給曲軸，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)受曲軸的驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體。連桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其通常在大頭處分開(kāi)為連桿體和連桿蓋兩部分，連桿桿身是工字型截面，而且從大頭到小頭逐步變小。如果不作任何特征規(guī)劃，直接運(yùn)用特征造型技術(shù)構(gòu)建連桿三維模型，造型很容易失敗，難以獲得較理想的結(jié)果，因?yàn)檫B桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單的特征加減就可以完成的。

圖1 基于特征的零件信息模型的總體模型

圖2 連桿的特征結(jié)構(gòu)

　　3.2 連桿的機(jī)械加工工藝過(guò)程分析

　　連桿特征設(shè)計(jì)與機(jī)械加工密切相關(guān)，每一種加工方法與一個(gè)特征相對(duì)應(yīng)，這是特征規(guī)劃的基本原則。連桿毛坯是鍛造件，連桿體和連桿蓋整體鍛造。連桿的主要加工工藝過(guò)程如下：銑連桿大小兩端面→鉆小頭孔，擴(kuò)至尺寸值，拉小頭孔，并保證尺寸和表面粗糙值→銑大頭定位凸臺(tái)→從連桿上切下連桿蓋→锪連桿蓋上的螺帽凸臺(tái)，鉆螺栓孔，加工螺紋→把連桿和連桿蓋用螺栓固定在一起，鏜大頭孔。

　　3.3 特征規(guī)劃和設(shè)計(jì)

　　通過(guò)以上對(duì)連桿功能、結(jié)構(gòu)及加工工藝特點(diǎn)的分析，將連桿模型分成圖2所示的特征層次，連桿的模型由這些各自獨(dú)立的特征組合而成。

　　3.4 基于Pro/ENGINEER平臺(tái)下連桿的特征造型

　　3.4.1 實(shí)體模型

　　本文連桿的實(shí)體模型采用特征減造型方法。所謂特征減造型方法就是先建立零件的毛坯模型，然后用逐步除去特征的方式來(lái)建立零件模型。下面介紹連桿具體造型過(guò)程 。

　　1. 連桿的毛坯造型過(guò)程

　　(1)確定分模面和拔模斜度，選擇合理的分模面是毛坯鍛造生產(chǎn)的第一步，所以造型過(guò)程也應(yīng)最先確定分模面和拔模斜度。

　　(2) 采用“拉伸”方法，生成連桿的下料模型。

　　(3) 使用“拔摸”方式，生成7°的拔模斜度。

　　(4) 采用“曲面減切材料”的方法，及使用“倒圓角”的功能，產(chǎn)生連桿體中間的連接部分。

　　(5) 采用“減切材料”的方式，得到連桿大頭形狀。

　　(6) 采用“減切材料”的方式，在大頭孔的位置形成沖孔連皮。

　　連桿的毛坯如圖3所示。

　　2.按照連桿的機(jī)械加工工藝過(guò)程，進(jìn)行的連桿造型

　　(1) 用“減切材料”方式生成銑大、小兩端面，保證尺寸要求。連桿的大、小頭端面的加工通常是連桿加工過(guò)程的最初程序，因?yàn)檫@是整個(gè)加工過(guò)程中的主要定位基面，它的加工質(zhì)量對(duì)整個(gè)連桿的加工質(zhì)量都有重要的影響。因此，在造型過(guò)程中，要特別注意大、小頭兩端面的構(gòu)建。

　　(2) 選取同軸“孔”方式生成小頭孔，并保證尺寸和表面粗糙值。

　　(3) 以“旋轉(zhuǎn)減切材料”的方式生成大頭定位凸臺(tái)。

　　(4) 以“CUT”方式切開(kāi)連桿大頭，將連桿分成連桿蓋和連桿體，把連桿分為兩部分是為了能夠滿足后續(xù)加工和裝配的需要。

　　(5) 以“拉伸減切材料”的方式锪連桿蓋上的螺帽凸臺(tái)，“孔”方式鉆螺栓孔，采用“螺旋掃描減切材料”的方式生成螺紋。

　　(6) 把連桿和連桿蓋用螺栓裝配在一起，鏜大頭孔。大頭孔與軸瓦及曲軸、小頭孔與活塞銷能緊密配合，減少?zèng)_擊的不良影響和便于傳熱，必須要保證大頭孔與小頭孔的形狀、公差，所以在造型中要建好大頭孔與小頭孔的模型。

　　至此，連桿的三維幾何模型已建立。

　　3.4.2其他特征構(gòu)建

　　連桿的精度特征建立，利用Pro/ENGINEER直接在幾何模型上進(jìn)行操作。Pro/ENGINEER中材料特征以文本形式附加在模型中，采用“設(shè)置”→“材料”可以直接在文本文件中對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行定義、修改、刪除等操作。根據(jù)連桿的性能要求，選擇連桿的材料為45#鋼。技術(shù)特征和管理特征可以通過(guò)外部程序?qū)ζ溥M(jìn)行添加。通過(guò)以上步驟，已經(jīng)完整地建立了一個(gè)零件的三維信息模型，可自動(dòng)生成零件圖。圖4為通過(guò)建模生成的連桿三維模型。

　　4 數(shù)控程序和加工仿真

　　Pro/ENGINEER在設(shè)計(jì)NC加工制造程序上提供了功能強(qiáng)大的Pro/NC模塊。利用它可以建立一個(gè)三維加工仿真環(huán)境，自動(dòng)編制的數(shù)控加工程序，對(duì)刀具的走刀路線進(jìn)行仿真，觀察工件的切削情況，驗(yàn)證是否發(fā)生過(guò)切及干涉和預(yù)測(cè)誤差，避免加工失敗。 Pro/NC運(yùn)用圖像法編程技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)編程，由軟件引導(dǎo)編程，因此編程思路清晰。避免了人工編程過(guò)程中各種不確定因素的干擾，最大程度地避免了人為誤差。圖像法自動(dòng)編程技術(shù)就是把零件的每個(gè)加工過(guò)程都可以看成對(duì)組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工。利用CAPP將CAD和CAM的信息連接起來(lái)，即CAPP能夠直接從CAD接受零件信息，生成有關(guān)工藝規(guī)程文件，并依此為依據(jù)，生成NC代碼。利用該技術(shù)，使數(shù)控編程人員不再對(duì)那些低層次的幾何信息(如：點(diǎn)、線、面、實(shí)體)進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉?duì)符合工程技術(shù)人員習(xí)慣的特征進(jìn)行數(shù)控編程，大大提高了編程效率。在數(shù)控程序驗(yàn)證后，將設(shè)計(jì)加工制造程序所產(chǎn)生的CL DATA，經(jīng)Pro/NCPOST進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可直接得到適用于實(shí)際加工所需的NC CODE。

　　依照Pro/NC設(shè)計(jì)加工程序的流程，連桿平面的加工過(guò)程仿真如圖5所示。

圖3 連桿毛坯模型

圖4 連桿的三維信息模型

圖5 連桿加工過(guò)程仿真

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)連桿零件的特征進(jìn)行較合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)造了其信息模型，利用Pro/NC模塊完成連桿的加工仿真與自動(dòng)編程，驗(yàn)證了基于特征減造型方法的正確性，基本實(shí)現(xiàn)連桿CAD/CAM的集成，提高設(shè)計(jì)效率。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 魏生民，朱喜林主編. 機(jī)械CAD/CAM[M].第1版. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001

　　2 王賢坤主編. 機(jī)械CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)[M].第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

　　3 王俊祥，黃圣杰編著. Pro/NC三軸銑床加工秘籍[M].第1版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

　　4 蔡青，高光壽.CAD/CAM系統(tǒng)的可視化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1996

　　5 蔡銘，林蘭芳，董金祥，于潔.CAPP系統(tǒng)中零件信息模型自動(dòng)獲取技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2002(5)：433～437