基于特征设计的CAD/CAPP集成技术研究

计算机集成制造系统(CIMS)将生产过程中的各个环节有机地结合成一个完整的系统。这就要求在产品设计过程中，零件的设计和工艺规划必须具有良好的特征集成性和畅通的信息流。

在传统的计算机辅助设计模式中，CAD系统注重产品的机械性能和几何造型方法，而对制造公差和各种技术要求等信息只作为标注信息来处理，在进行CAPP时，往往需要重新进行零件信息(包括几何特征)的输入。这样不仅浪费了大量人力物力进行重复劳动，而且不利于CAPP向CAD系统反馈可制造性评价，达到优化产品设计的目的。

集成化CAD/CAPP系统基于并行工程的设计理念，将零件的设计特征和制造特征封装在一起。在设计阶段基于特征建模，待工艺规划时自动继承CAD系统生成的产品设计信息，并与加工方法相对应，生成CAM所需的数控程序和提供MIS所需的生产管理数据。使零件在整个计算机集成制造中实现信息采集、传递和加工过程的畅通无阻[1]。

1基于特征的建模

1.1特征定义分类

CAD和CAPP作为设计过程的两个阶段，对零件的特征有着不同的含义和表达形式。零件的设计特征主要指形状特征，制造特征信息包括工艺特征。考虑到系统集成的需要，采用以形面特征为基础的多层次描述方法。将设计特征和制造特征之间的差异限定在工程语义的范畴内，并用特征分类、特征参数和特征上有意义的表面要素来表达。根据这一思想，将特征定义为:一个或多个对设计和制造都有意义的几何形体，可由某种基本的切削加工所组成。从而达到设计特征和制造特征的统一。

按照上述定义，可将零件的特征划分为主特征和辅助特征。主特征主要描述零件内、外表面的基本几何形状和形面要素，辅助特征描述零件次要几何形状及在功能、结构、工艺特点上存在组合要求的特征，辅助特征依附于主特征。图1为曲轴零件的特征分类。

1.2图形数据库

对于轴类零件，根据轴类零件的几何特点，将其分解成不同的轴段，轴段在划分的同时要考虑零件的主、辅特征和形面要素。在此基础上建立图形数据库。数据库的建立可采用下列两种方法进行，每种方法对应不同的CAD建模方式。

1)以参数绘图为基础的图形数据库这种图形数据库的实质是包含轴段参数化绘图程序和特征信息字段的特征数据库。数据库中每条纪录包含轴段几何特征的工艺特征变量，同时对应相应的参数绘图程序。利用AutoCAD2000中的编程环境Au-toLisp、ObjectARX编写参数化绘图程序并通过ASE和ASI与外部数据库联系在一起。绘图时，根据参数调用绘图程序的同时从数据库中提取相对应的工艺信息，经确认后与图形几何尺寸封装在一起保存到外部文件中。其特点是技术成熟，操作简便，库结构紧凑，信息传递有序，利于信息反馈。但是添加和修改图形数据库有一定难度，必须熟悉Auto-CAD编程。

2)以尺寸驱动技术为基础的图形数据库这种形式的数据库不包含绘图程序，而是将基本图形连同几何参变量、特征参变量保存在外部数据库中。绘图时，利用尺寸驱动程序通过几何参数改变图形形状，再封装工艺特征信息输出到外部文件中。优点是便于数据库中增加新的轴段数据纪录、修改容易。但必须使用动态数据库。

1.3特征描述及建模过程

特征信息包括:1)特征标识信息，即特征名和特征标识号；2)形状特征信息，内容有特征隐式表示的形状参数、结构参数、位置参数和特征显式表示的面集；3)尺寸和公差信息，即定形尺寸、定位尺寸、尺寸公差和形位公差；4)表面质量要求信息。特征的数据结构如下:

序号主特征代码

(<定形尺寸及公差>[表面粗糙度][形状公差][位置公差][定位尺寸及其他])
([{辅特征代码<定形尺寸及公差>[表面粗糙度][形状公差][位置公差][定位尺寸及其他]}])

有了上述方法描述的特征信息，下一步的工作就是建模。在CAD中绘制轴类零件工作图的过程，归结为基于特征建模的过程，这里介绍分段拼装建模方式生成零件工作图。具体步骤是:在定制好的图形菜单中，按不同的外形特征选出对应的图标，随即弹出该图标下的特征参数对话框进行人机交互输入，然后由绘图模块(参数绘图程序或尺寸驱动程序)绘制图形且作必要的标注，同时将所有信息添加到外部数据文件中，我们称这一文件为图形特征文件。这样，每一张零件工程图都对应一个具体的特征文件，而图中的每一个轴段又对应特征文件中的一条记录。当对轴段进行修改时，文件中相应的记录也随之更改。

2CAPP系统对CAD系统信息的重组处理

轴类零件在CAD过程中产生的信息，除了分段的特征信息外，还包括部分整体信息，如技术要求中的热处理要求、硬度要求等。而CAPP系统要求对所涉及的全部信息进行完整描述，为此，将CAD中产生的信息划分为三类，用三层结构表达零件信息，即零件层、特征层和几何层。零件层包含零件名称、图号、材料牌号、毛坯类型、热处理方式和特征表；特征层包含特征名称、特征代码、形状特征参数、尺寸及公差、形位公差、表面粗糙度和定位尺寸；几何层主要指与加工联系不紧的底层几何信息。

利用CAPP的知识库和推理机，自动生成零件的工步/工序，选择加工设备，安排加工顺序，选择刀具和确定切削用量，最终编制出工艺文件，见图2。

3结语

CAD/CAPP集成系统的优势具体表现在:

1)在零件设计之初就综合考虑了零件加工要素，符合并行工程设计的要求。避免了信息重复输入，提高了零件的设计质量和可加工性。
2)在统一了设计特征和制造特征定义后，便于在企业内部网中进行联合设计，提高设计的效率。进一步可利用Internet网实现远程协同设计。
3)为实现CIMS中CAD/CAM一体化打下基础。