1 CAD/CAPP集成系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，CAD、CAPP、CAM一直處于各自發(fā)展的狀態(tài)，它們之間的信息自動(dòng)交換不能實(shí)現(xiàn)，一直由人工來(lái)彌補(bǔ)。

　　1.1.1傳統(tǒng)利用CAD、CAPP設(shè)計(jì)方法

　　(1)圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)的產(chǎn)生

　　一般情況下傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)由以下兩種形式產(chǎn)生。

　　①傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)一般由人工代入設(shè)計(jì)計(jì)算公式，經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程計(jì)算出來(lái)。

　　②傳統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，工程師一般依靠自己的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸，而并不經(jīng)過(guò)計(jì)算。

　　缺點(diǎn)：第一種結(jié)構(gòu)參數(shù)的產(chǎn)生過(guò)程由于是由人工計(jì)算，其效率低，又由于人工計(jì)算出錯(cuò)率大，所以參數(shù)不可靠。

　　第二種設(shè)計(jì)方法由于是根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，又叫經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，這種設(shè)計(jì)方法沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)計(jì)算，其設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量不高，有時(shí)浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力。

　　(2)CAPP工藝設(shè)計(jì)的方法

　　由CAD系統(tǒng)輸出的三維立體圖形或二維工程圖，由人工將CAD圖樣的有關(guān)信息轉(zhuǎn)換成CAPP系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)信息重新輸入計(jì)算機(jī)，而形成機(jī)械加工所需要的工藝。

　　缺點(diǎn)：一方面設(shè)計(jì)效率低下，另一方面，由于在人工轉(zhuǎn)換信息的過(guò)程中容易造成錯(cuò)誤或信息丟失，使工藝設(shè)計(jì)效率降低。

　　1.1.2本系統(tǒng)的CAD、CAPP設(shè)計(jì)方法

　　(1)本系統(tǒng)圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)的產(chǎn)生

　　本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)是根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自行計(jì)算得出結(jié)果。

　　(2)本系統(tǒng)CAPP工藝設(shè)計(jì)的方法

　　由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法效率低下，容易出錯(cuò)或信息丟失，所以，尋找最理想的把CAD系統(tǒng)的信息輸入CAPP的方法成為研究的重點(diǎn)，經(jīng)研究，實(shí)現(xiàn)CAD系統(tǒng)和CAPP系統(tǒng)之間信息的直接傳遞是解決以上問(wèn)題的最好辦法。

　　筆者設(shè)計(jì)了一種CAD/CAPP集成的方案，本集成系統(tǒng)由CAD特征建模子系統(tǒng)和CAPP子系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CAD/CAPP之間很好的銜接，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品造型和工程圖的自動(dòng)繪制和工藝的自動(dòng)生成。

　　圖1 CAD/CAPP集成總體設(shè)計(jì)方案

　　1.2軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要是利用VC++對(duì)軟件界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，在界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，給界面添加修改程序代碼，完成代碼設(shè)計(jì)。

　　2變截面高速軸CAD/CAPP集成CAD子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 CAD子系統(tǒng)工作過(guò)程

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的構(gòu)思到最終形成技術(shù)文件的活動(dòng)，主要用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

　　這種系統(tǒng)是由設(shè)計(jì)者輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及要求，根據(jù)事先建立的數(shù)學(xué)計(jì)算原理模型及設(shè)計(jì)參數(shù)，然后由計(jì)算機(jī)根據(jù)模型里相應(yīng)的公式及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化好的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，可以根據(jù)需要對(duì)之進(jìn)行修改，然后把這些數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)制圖模塊生成所需要的圖形，如果對(duì)所生成的圖形不滿意，還可以對(duì)之進(jìn)行修改，達(dá)到滿意為止。

　　在集成系統(tǒng)的CAD系統(tǒng)中，人與計(jì)算機(jī)之間信息交流是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)，圖形是機(jī)械工程師之間信息交流的一種重要語(yǔ)言，是表達(dá)設(shè)計(jì)和制造信息的主要方式，計(jì)算機(jī)對(duì)圖形的處理是CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

　　2.2本CAD/CAPP集成系統(tǒng)中CAD圖形的來(lái)源

　　CAD部分的圖形按來(lái)源可分為以下三種來(lái)源：一種來(lái)源于參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)出的圖形，二是來(lái)自原有存放在圖形庫(kù)中的工程圖，第三來(lái)源為原存放工程圖紙的掃描圖形，這三種來(lái)源共同構(gòu)成CAPP輸入圖形的來(lái)源(見(jiàn)圖1)。

　　2.2.1 CAD系統(tǒng)中參數(shù)化圖形的設(shè)計(jì)

　　CAD子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是利用VC++制作界面和編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　(1)變截面高速軸優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)學(xué)原理

　　1)最優(yōu)化參數(shù)的確定

　　本文選取軸的質(zhì)量最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別對(duì)軸的大直徑d2、小直徑d1、軸每段的長(zhǎng)度l進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);變截面高速軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

　　圖2變截面高速軸簡(jiǎn)圖

　　2)目標(biāo)函數(shù)的確定

　　以軸的質(zhì)量做為目標(biāo)函數(shù)，則目標(biāo)函數(shù)為：

　　3)約束函數(shù)的確定

　　①動(dòng)力穩(wěn)定性約柬?xiàng)l件

　　說(shuō)明：E為彈性模量;Q為輪的質(zhì)量;ω為軸的旋轉(zhuǎn)角速度;k為安全系數(shù)。

　　②兩直徑約束條件

　　4)最優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的確定

　　由上面可得最優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如下：

　　把未知條件帶入即可優(yōu)化設(shè)計(jì)出最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型參數(shù)。

　　2.2.2 CAD系統(tǒng)部分中原有的圖形來(lái)源

　　CAD系統(tǒng)部分中原有的圖形來(lái)大部分來(lái)源于經(jīng)過(guò)“優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)一調(diào)用SolidWorks繪制三維圖形→二維工程圖”這個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)出的圖形，是通過(guò)經(jīng)過(guò)“優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)→調(diào)用SolidWorks繪制三維圖形→二維工程圖”生成的圖形保存在圖形庫(kù)中得到的。

　　2.2.3 CAD系統(tǒng)部分中的掃描圖形

　　這部分圖形是由于在采用本CAD/CAPP系統(tǒng)以前，由手工畫(huà)圖存放的紙質(zhì)工程圖紙形成，這些工程圖紙對(duì)生產(chǎn)還有很大的用處，使用這些已經(jīng)繪制好的圖紙可以節(jié)省圖紙的重繪時(shí)間，提高工作效率，所以，有必要再使用;那么利用方法就是把這些紙質(zhì)圖形經(jīng)過(guò)掃描保存電子版加入CAD子系統(tǒng)中的圖形庫(kù)。

　　2.3 CAD子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

　　變截面高速軸的CAD部分主要由以下幾部分組成：

　　(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì);

　　(2)圖形的自動(dòng)繪制。

　　工作過(guò)程為：輸入相關(guān)參數(shù)，然后經(jīng)過(guò)最優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算得到軸的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后把這些參數(shù)輸入由VC++制作的輸入界面，點(diǎn)擊“確定”按鈕，那么此VC++就可調(diào)用SolidWorks繪制所需要的三維圖形，然后由這些單位圖形轉(zhuǎn)化為二維工程圖。本CAD子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程見(jiàn)圖3所示。

　　圖3 CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

　　2.3.1 軟件設(shè)計(jì)

　　(1)變截面高速軸基本參數(shù)輸入模塊

　　此模塊采用人機(jī)交互方式，利用VC++對(duì)人機(jī)交換窗口進(jìn)行制作，并在程序編輯模塊中添加修改代碼，來(lái)完成調(diào)用SolidWorks自動(dòng)畫(huà)出所需要的圖形，這就完成了CAD子系統(tǒng)的設(shè)計(jì);其功能為：輸入軸的基本參數(shù)后，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);所輸入主要參數(shù)有軸的小徑、軸的大徑、軸的長(zhǎng)度等。

　　3 變截面高速軸CAPP系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)

　　3.1 CAPP子系統(tǒng)工作過(guò)程

　　3.I.1半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本子系統(tǒng)是一個(gè)半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng);本系統(tǒng)主要有兩個(gè)作用：一方面，新零件圖可由半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)生成新的工藝文件，另一方面，對(duì)于以前曾經(jīng)生成過(guò)零件圖的工藝可以通過(guò)檢索式CAPP檢索得到，不再需要重新生成。

　　(1)CAPP系統(tǒng)的工作過(guò)程

　　CAPP系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：

　　調(diào)入CAD系統(tǒng)的圖形，拾取零件圖的特征，然后通過(guò)掃描、搜索、遍歷特征數(shù)據(jù)庫(kù)，給零件特征匹配相應(yīng)的特征，然后給零件的特征匹配合適的加工工藝步驟，在此步完成后，給各個(gè)特征的加工工藝步驟按照一定的規(guī)則排序，初步生成加工工藝卡，然后通過(guò)人機(jī)交換界面對(duì)之必要的修改，生成詳細(xì)工藝卡，生成流程見(jiàn)圖4。

　　圖4 半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)工作流程

　　由上述步驟生成的工藝卡經(jīng)過(guò)一定的編碼規(guī)則編碼后存入本CAPP工藝庫(kù)，生成檢索式CAPP需要的工藝庫(kù)，當(dāng)再需要的時(shí)候，只要輸入這個(gè)工藝卡的編碼就可以檢索出此工藝卡，當(dāng)需要與此軸形狀或工藝很相近的零件的工藝時(shí)，可以檢索出后稍加修改即可使用，這樣可以節(jié)省時(shí)間，提高工作效率。

　　3.1.2關(guān)鍵模塊介紹

　　(1)工藝庫(kù)的建立

　　由上圖l可見(jiàn)工藝庫(kù)的存在是很有必要的，原因就是：由于變截面高速軸有大量的重復(fù)性重復(fù)性工藝設(shè)計(jì)工作，為了提高工作效率，有必要建立零件的工藝庫(kù)，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)就可以調(diào)用該工藝庫(kù)中的工藝相似的工藝，通過(guò)人機(jī)界面來(lái)判斷是否需要修改，需要修改的，稍微修改即可使用，本工藝庫(kù)的工藝文件主要來(lái)自于半創(chuàng)成式CAPP生成的工藝文件，是通過(guò)保存半創(chuàng)成式CAPP生成的工藝文件實(shí)現(xiàn)。

　　3.1.3 變截面高速軸CAPP軟件設(shè)計(jì)

　　此模塊仍然采用人機(jī)交互方式，利用VC++對(duì)圖形輸入窗口進(jìn)行制作，同樣在程序編輯模塊中添加修改程序代碼，來(lái)完成實(shí)現(xiàn)調(diào)入所需要的圖形的功能和生成初始工藝卡、能夠添加修改生成的工藝卡的功能，這就完成了CAPP子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，其功能為：調(diào)入圖形，點(diǎn)擊“生成工藝卡”按鈕，則自動(dòng)生成對(duì)此零件的加工工藝卡，因此工藝卡是利用插入Excel格式的文件，所以，若對(duì)生成的工藝卡不滿意，則可以對(duì)之修改。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　筆者設(shè)計(jì)的這種CAD/CAPP集成系統(tǒng)，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用VC++對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)圖形的自動(dòng)繪制，設(shè)計(jì)半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)構(gòu)成本CAD/CAPP集成系統(tǒng)的CAPP子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝卡的自動(dòng)生成，本系統(tǒng)節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)化設(shè)計(jì)的水平。