【文章內(nèi)容簡介】 。基于Solidworks 為平臺，以 VB 為開發(fā)工具，詳細(xì)設(shè)計了產(chǎn)品 CAD 三維參數(shù)化設(shè)計子系統(tǒng)。 第五章闡述了產(chǎn)品 CAPP 系統(tǒng)的知識庫結(jié)構(gòu)、制定、建立和管理，分析了產(chǎn)生式規(guī)則的特點，介紹了推理機(jī)的推理過程及工作原理，并以傳動軸為例，給出了 CAPPWorkS 環(huán)境下該產(chǎn)品的工藝設(shè)計界面和加工工藝卡片。 第六章是全文工作的總結(jié)和展望。 課題支撐 國家重點科技攻關(guān)計劃項目:支持網(wǎng)絡(luò)制造的協(xié)同交互與資源共享平臺研究 與產(chǎn)業(yè)化。(項目編號:ZOO3BAIO3C) 本章小結(jié) 本章主要闡述了課題研究的目的意義，與課題相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和本課題研究的主要內(nèi)容等。 4 / 51 第 2 章面向并行工程的機(jī)械產(chǎn)品 CAD/CAPP 的理論研究 CAD/CAPP 技術(shù)發(fā)展概述 CAD 技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展方向 CAD(Compute:aidedDesig:)即計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，開始于 20 世紀(jì) 60 年代。早期的 CAD 系統(tǒng)主要用于繪圖，其技術(shù)特征是利用解析幾何的方法定義有關(guān)點、線、面等因素。 第二代 CAD 系統(tǒng)在技術(shù)上有了較大的發(fā)展，主要是二維交互繪圖系統(tǒng)及三維集合造型系統(tǒng)，在幾何造型方面分別采用了三維線框模型、曲面模型和實體模型，采用實體幾何構(gòu)造法(CGS 法)和邊界表示法(B 一 erp 法)，并在系統(tǒng)內(nèi)部采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)。 第三代 CAD 系統(tǒng)始于 80 年代中期，在建模方法上分別出現(xiàn)了特征建模和基于約束的參數(shù)化和變量化建模方法，從此出現(xiàn)了各種特征建模系統(tǒng)以及二維三維的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，而且出現(xiàn)了這兩種建模方法互換融合的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是在二維與三維模型之間及以 M 系統(tǒng)之間有內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及共同的數(shù)據(jù)庫，做到了二維三維模型修改時的相互關(guān)聯(lián)。 現(xiàn)在，CAD 技術(shù)正經(jīng)歷著由傳統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)代技術(shù)的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代 CAD 技術(shù)是指能在大系統(tǒng)環(huán)境下，支持產(chǎn)品自動化設(shè)計的設(shè)計理論和方法、設(shè)計環(huán)境、設(shè)計工具和相關(guān)技術(shù)的總稱。能使設(shè)計工作實現(xiàn)集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本和縮短設(shè)計周期的目的。因此現(xiàn)代 CAD 技術(shù)的發(fā)展方向有: (1)以 D 系統(tǒng)的集成化。并行工程環(huán)境下的產(chǎn)品設(shè)計要求各設(shè)計過程以共享信息平臺為基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中能進(jìn)行即時信息交互，因而作為產(chǎn)品設(shè)計的先導(dǎo)，CAD 系統(tǒng)必須同 CAPP，CAM，CAE，DFX 等系統(tǒng)進(jìn)行信息集成。 (2)ACD 系統(tǒng)的可視化。CAD 系統(tǒng)設(shè)計的可視化是為了使設(shè)計更具有真實感，使設(shè)計的產(chǎn)品更能盡善盡美。設(shè)計者建立一個虛擬環(huán)境，讓自己處于設(shè)計的虛擬環(huán)境中。 (3)CAD 系統(tǒng)的智能化。傳統(tǒng)的 CAD 系統(tǒng)缺乏綜合能力和選擇能力，要求用戶具有較高的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗，這給設(shè)計帶來了許多局限。因而現(xiàn)代CAD 系統(tǒng)必須具有人工智能的功能要求。 (4)CAD 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)為 CAD 系統(tǒng)實現(xiàn)不同地點不同時間的設(shè)計提供了工程信息的共享，為協(xié)同設(shè)計的 ACD 系統(tǒng)提供了前提條件。 技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展方向 CAPP 的開發(fā)、研制是從 60 年代末開始的，在制造自動化領(lǐng)域，CAPP 的發(fā)展是最遲的部分。世界上最早研究 CAPP 的國家是挪威，始于 1969 年，并于 19695 / 51年正式推出世界上第一個 CAPP 系統(tǒng) AUTOPROS。1973 年正式推出商品化的AUTOPROS 系統(tǒng)。在 CAPP 發(fā)展史上具有里程碑意義的是 CAM 一 I 于 1976 年推出的CAM 一 I’sAutomatedPorecssPlnnanig 系統(tǒng)。取其字首的第一個字母，稱為CAPP 系統(tǒng)。目前對 CAPP 這個縮寫法雖然還有不同的解釋，但把 CAPP 稱為計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計己經(jīng)成為公認(rèn)的釋義。 CAPP(eomputeraidedproeessplnnaing，計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計)的作用是利用計算機(jī)來進(jìn)行零件加工工藝過程的制訂，把毛坯加工成工程圖紙上所要求的零件。它是通過向計算機(jī)輸入被加工零件的幾何信息(形狀、尺寸等)和工藝信息(材料、熱處理、批量等)，由計算機(jī)自動輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝文件的過程。 計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計也常被譯為計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃。國際生產(chǎn)工程研究會(CIRP)提出了計算機(jī)輔助規(guī)劃（CAP 一 ocmPuteraiddePlnnaing)、計算機(jī)自動工藝過程設(shè)計(CApp 一 eoute，uatomatedprocessplnnaing)等名稱，CAPP一詞強(qiáng)調(diào)了工藝過程自動設(shè)計。實際上國外常用的一些，如制造規(guī)劃(mnuaafcturnigplnnaing)、材料處理(materialproe(。ssing)、工藝工程印roeessengineering)以及加工路線安排(mahcineornig)等在很大程度上都是指工藝過程設(shè)計。計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃屬于工程分析與設(shè)計范疇，是重要的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作之一。 由于計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS 一eomputerintegratedmnauafcturingsystem)的出現(xiàn)，計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃上與計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD 一 ocmputeraideddesign)相接，下與計算機(jī)輔助制造(CAM 一ocmPuteralddemnauafcturing)相連，是連接設(shè)計與制造之間的橋梁，設(shè)計信息只能通過工藝設(shè)計才能生成制造信息，設(shè)計只能通過工藝設(shè)計才能與制造實現(xiàn)功能和信息的集成。由此可見 CAPP 在實現(xiàn)生產(chǎn)自動化中的重要地位。 一個 CAPP 系統(tǒng)，可以完成以下的基本功能: 自動選擇毛坯和材料。 自動選擇加工方法。 自動選擇機(jī)床: 自動選擇裝夾定位方法(基準(zhǔn)和夾具)。 自動選擇刀具、量具。 自動確定切削用量和制造公差。 自動確定工時定額。 自動編制工藝過程的工作文件(工藝過程卡、工序卡等) ?！　APP 的出現(xiàn)，為縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高工藝文件質(zhì)量，并使廣大工藝人員繁瑣和重復(fù)的勞動中解放出來提供了一條切實可行的途徑，CAPP 系統(tǒng)的使用，不僅可以大大提高工藝規(guī)程的生產(chǎn)速度和質(zhì)量，而且 CAPP 系統(tǒng)對操作人員的工藝設(shè)計水平的要求大大降低，即使一般技術(shù)水平的工藝人員也能借助于 CAPP 系統(tǒng)設(shè)計出較高質(zhì)量的工藝規(guī)程。與傳統(tǒng)的工藝規(guī)程設(shè)計方法相比，采用 CAPP 技術(shù)不僅可以提高設(shè)計速度達(dá)到優(yōu)化設(shè)計，而且還可以克服加工工藝的不一致性、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點?！　」に囋O(shè)計的難度很大，經(jīng)驗知識很多，不同企業(yè)其工藝環(huán)境、工藝要求、工藝設(shè)計思想也不相同，因而很難實現(xiàn)統(tǒng)一的以即系統(tǒng)，軟件開發(fā)人員和工藝設(shè)計人員都在為實現(xiàn)統(tǒng)一的 CAPP 系統(tǒng)努力。目前，CAPP 系統(tǒng)有:檢索式、派生式、創(chuàng)成式、智能式、基于實例的 CA 即系統(tǒng)等?！　APP 系統(tǒng)從 20 世紀(jì) 60 年代中期開發(fā)以來，已研制出很多 CAPP 系統(tǒng)，有不6 / 51少以即系統(tǒng)已投入實際使用，而且在企業(yè)中發(fā)揮了重要作用。其中回轉(zhuǎn)類零件的CAPP 技術(shù)最為成熟，為單件小批量生產(chǎn)的工藝設(shè)計帶來了方便，實現(xiàn)了工藝設(shè)計的電子化。國內(nèi)于 20 世紀(jì) 80 年代初開始這項研究，已經(jīng)開發(fā)許多 CAPP 系統(tǒng)(如武漢的開目 CAPP，華中 InteCAPP 等)。　　近年來，CAPP 的發(fā)展趨勢體現(xiàn)‘:在并行工程思想的指導(dǎo)下實現(xiàn) CAD/CA 即/CMA 的全面集成，進(jìn)一步發(fā)揮 CAPP 在整個生產(chǎn)活動中的信息功能調(diào)節(jié)作用。這包括與產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)雙向的信息交換與傳送，與生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)有效集成，與質(zhì)量控制系統(tǒng)建立內(nèi)在聯(lián)系等?！　〔⑿泄こ淌窃?CAD、CAM、CAPP 等技術(shù)支持下，將原來分別進(jìn)行的工作在時間和空間上交叉、重迭，充分利用了原有技術(shù)，并吸收了當(dāng)前迅速發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的優(yōu)秀成果，使其成為先進(jìn)制造技術(shù)中的基礎(chǔ)。并行工程的技術(shù)難題之一就是建模:在并行工程中產(chǎn)品的設(shè)計階段就考慮制造因素，使得產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計同時進(jìn)行，因此，無論在產(chǎn)品的初期方案設(shè)計或詳細(xì)設(shè)計階段都要及時地進(jìn)行產(chǎn)品可加工性及可裝配性的評價并生成合適的工藝，這就必然涉及到從實制造資源角度評價所涉及產(chǎn)品的制造工藝性能，同時還要工廠、車間、工段的生產(chǎn)能力、設(shè)備布局及負(fù)荷情況等，這樣制造環(huán)境的數(shù)據(jù)和知一識模型就是達(dá)到并守_J 幾必不可少的部分。傳統(tǒng)的 CAPP :設(shè)計一并行交互的能力不能對產(chǎn)品或零件進(jìn)行可制造性評價并反饋結(jié)果，為實現(xiàn)計算機(jī)輔助并行工程，面向并行工程的 CAPP 是關(guān)鍵。為了達(dá)到這一目的，零件信息模型應(yīng)是一個動態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計者可以在設(shè)計中的任何階段將設(shè)計結(jié)果移交工藝評價模塊，并根據(jù)評價結(jié)果修改模型或繼續(xù)設(shè)計。該模型應(yīng)將零件功能與零件特征間建立一種映射關(guān)系。此模型還應(yīng)便于多知識源的協(xié)同處理，一般可采用“黑板結(jié)構(gòu)” ，即一組負(fù)責(zé)相應(yīng)功能的知識源系統(tǒng)在“管理者”的協(xié)調(diào)控制下，對領(lǐng)域黑板上的當(dāng)前零件信息模型進(jìn)行操作。 機(jī)械產(chǎn)品并行設(shè)計的理論分析 以齒輪產(chǎn)品為例，尤其是可靠性和其他性能要求極高的航空動力傳輸用齒輪產(chǎn)品的開發(fā)，是一項涉及到多類設(shè)計人員協(xié)同工作的系統(tǒng)工程，目前針對具有明顯并行設(shè)計特點和協(xié)同設(shè)計功能要求的齒輪設(shè)計制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)運行系統(tǒng)還沒有建立，基于網(wǎng)絡(luò)面向并行工程的齒輪協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)和相關(guān)的研究成果也沒有正式的報道。筆者在這方面進(jìn)行了初步開發(fā)和研究，從總體上對面向并行工程的齒輪設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析?！　〔⑿协h(huán)境下的 CAD/CAPP 與傳統(tǒng)的 CAD/CAPP 具有顯著的區(qū)別:　　(l)并行設(shè)計的 CAD/CAPP 必須在產(chǎn)品的設(shè)計階段進(jìn)行可制造性分析。通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性評價和可加工性評價，在生成工藝計劃的同時提供改進(jìn)設(shè)計方面的信息反饋，使產(chǎn)品設(shè)計更為合理。　　(2)并行設(shè)計中 CAD 與 CAPP 之間的雙向信息交互通訊具有動態(tài)隨機(jī)性。在產(chǎn)品設(shè)計的任何時候。CAPP 隨時對 CAD 的設(shè)計合理性作出評價，并將改進(jìn)意見反饋給 CAD 即時改進(jìn)當(dāng)前狀態(tài)下的設(shè)計。根據(jù)對并行工程環(huán)境及齒輪產(chǎn)品設(shè)計和工藝的分析，將面向并行工程的齒輪 CAD/CAPP 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)功能設(shè)計?！　』?DPM 框架的并行協(xié)同設(shè)計接口與 CAD，CAM 等交接信息，進(jìn)行前置處理、進(jìn)程控制或過程控制等，實現(xiàn) CAD 與 CAPP 之間雙向信息通訊和沖突協(xié)調(diào)。前置處理從 CAD 中提取零件的特征信信息，將零件特征賦于參數(shù)化信息，進(jìn)行特征信息的提取。將零件設(shè)計特征域的幾何特征、精度特征、材料特征、技術(shù)特征等轉(zhuǎn)7 / 51換成制造特征域的制造信息。過程控制對過程進(jìn)行管理使數(shù)據(jù)一致，交換容易實現(xiàn)。通過特征信息實現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計階段得到制造工藝信息。　　并行設(shè)計環(huán)境下的 CAD/CAPP 系統(tǒng)根據(jù)零件特征信息模型，按預(yù)訂的規(guī)則對工序和工步的組合排序，選擇機(jī)床和刀、夾、量具，確定切削用量，計算每個工序的機(jī)動和輔助時阿，從后置處理中，提取出零件的形狀特征信息及精度特征信息，最后生成所需的技術(shù)和數(shù)據(jù). 基于并行工程的零件可制造性的理論分析 制造性能設(shè)計(DMF)或稱面向制造設(shè)計，是并行工程中的一個重要概念，是一種面向產(chǎn)品制造與裝配的設(shè)計方法，即體現(xiàn)了可生產(chǎn)性原則的設(shè)計方法，包括零件制造性能設(shè)計(DFF)和產(chǎn)品裝配設(shè)計(DFA)兩方面的內(nèi)容。按 DAF 方法設(shè)計產(chǎn)品，可以減少不必要的零、部件，提高裝配效率和減少裝配成本。而 DFF 則使零件的設(shè)計(材料、形狀、尺寸公差及表面完整性等)與現(xiàn)有制造技術(shù)相兼容，并對工時和成本作出優(yōu)化判斷。這里研究的內(nèi)容是 DMF 中的 DFF 部分，即零件的可制造性能設(shè)計。對于零件的可制造性目前無統(tǒng)一的嚴(yán)格定義，在不同的環(huán)境下，從不同的角度分析有不同的含義，如可理解的能代表制造性能主要方面的是:兼容性、障礙性、可達(dá)性、復(fù)雜性、標(biāo)準(zhǔn)化和有效性。其基本意義是:在相對資源環(huán)境下，以滿足功能要求為前提，以相對較低的生產(chǎn)成本、最短的制造時間、最易實現(xiàn)的技術(shù)操作為依據(jù)的可制造性能。由此可見，零件的可制造性能設(shè)計(DFF)早日的基木思想著重產(chǎn)況，開發(fā)至進(jìn)入市場的時間、產(chǎn)品質(zhì)量和成本，其功能是檢查零件設(shè)計與現(xiàn)有制造過程的兼容性，即分析零件的材料，幾何形狀，尺寸和公差與現(xiàn)有制造條件的兼容性。生產(chǎn)實踐表明一個零件的可制造性很大程度上受材料性能、幾何形狀、尺寸公差和現(xiàn)有加工方法等的影響，其中，零件材料和幾何形狀是最關(guān)鍵的可制造性因素。零件材料對產(chǎn)品性能、制造設(shè)備和成本有較大8 / 51的影響。零件的幾何形狀(或幾何特征)決定制造設(shè)備和制造成本，較簡單的幾何形狀或通用特征將具有較低的生產(chǎn)成本。每一產(chǎn)品設(shè)計中都要確定尺寸公差、形狀公差和表面質(zhì)量，它直接影響加工方法的選擇和成本的高低。因此，在設(shè)計一個產(chǎn)品的零件時，應(yīng)考慮對制造過程有影響的因素:幾何特征、材料、有效的制造資源、產(chǎn)品質(zhì)量和其它要求等 并行工程下零件的可制造性評價并行工程環(huán)境中，通過避免設(shè)計錯誤和取消難以加工的特征，顯著地減少開發(fā)一個新產(chǎn)品的上市時間(T)，提高產(chǎn)品質(zhì)量(Q)，降低成本工和提高產(chǎn)品售后服務(wù)質(zhì)量(S)。零件的可制造性能設(shè)計是實現(xiàn)并行工程這一目標(biāo)的重要保證。前已述及，影響可制造性的因素很多，且其中的大多數(shù)因素是在設(shè)計階段確定的，所以在它們被確定以前必須進(jìn)行評價，使在設(shè)計以后的各個環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的制造問題能夠及時反饋到設(shè)計部門得到修改，避免返工。鑒于此，工程下的零件制造性能設(shè)計框架如圖 2 一 2 所示: 結(jié)構(gòu)工藝性　　結(jié)構(gòu)工藝性是機(jī)械