机械设计及理论硕士论文-基于ProENGINEER的注塑模零件工艺决策研究.pdf

浙江大学硕士学位论文基于ProENGINEER的注塑模零件工艺决策研究姓名：刘震宇申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：王耘胡树根20050101浙iC大学硕士学位论文摘要摘要随着CADcAM技术在模具工业中的推广应用，利用汁算机技术改变模具行业中传统的工艺设计方式，使cAPP在模具CAD和cAM中起到真正的桥梁作用，正成为现代模具制造技术研究的热点。为改善注塑模具的零件信息从设计到制造过程中流动的连贯性，加强r艺设计过程中的信息化程度，提高模具工艺设计效率，本文针对注塑模具零件CAPP中的两个关键技术问题加工特征信息提取与工艺决策进行了以下研究：本文在对ProE环境下的模具零件建模特点进行分析总结的基础上对迥料模具零件的加工特征进行了系统分类，得到模具零件加工特征的预定义特征库：提出了在对ProE环境下采用特征映射和人机交互定义实现模具零件由设计特征到加工特征的转换的混合方法，解决了ProE模具设计环境下模具零件CADCAPP集成问题，完成了零件加工特征信息提取。针对零件规工特征信息的单特征描述方法对于零件的特征阀信息描述的不足，本文使用关联特征约束来描述零件各个特征间的工艺约束条件，并分析了关联特征约束对工艺决策的影响。通过将关联特征约束引入工艺信息描述，得到零件的综合信息模型。为解决零件工艺规划中的“瓶颈”问题零件工艺路线决策问题，本文使用零件典型加工路线来表达加工决策中的工艺约束要求，将关联特征约束引入零件工艺决策，提出了一种基于综合信息模型的工艺路线决策算法，并使用遗传算法予以了实现。最后，在上述理论方法的基础上，本文在ProT00LKIT环境下使用MsVC60开发出了MOLDAPPS原型系统，该系统完成了计算机辅助工艺设计的核心部分加工特征信息提取和加工工艺路线决策两部分的工作，并通过实例验证了论文所述方法的有效性。本文的特色和创新之处在于：l、在对模具零件加工特征进行系统分类的基础上，提出了一种在ProE环境下实现模具零件加工特征提取的方法，对希望从事模具cADcAPP系统集成的研究人员具有一定参考价值。2、提出了零件综合信息模型概念以弥补单特征描述对零件工艺信息描述的不足。通过使用关联特征约束来描述零件特征问的工艺约束，将关联特征约束引入所提取的加工特征信息，德烈零件蛉综合信息模型。3、提出了一种针对模具零件的捐工工艺路线决策算浙江大学硕士学位论文摘要法。本文使用零件典型加工路线来表达工艺路线排序中的工艺约束要求，在分析了关联特征约束对工艺决策影响的基础上，将关联特征约束所产生的相关规则引入零件：(艺决策，提出了一种基于综合信息模型的工艺路线决策算法，并使用遗传算法予以了实现。决策关键字：注塑模具，特征映射，加工特征，关联特征约束，遗传算法，工芑=浙江大学硕士学位论文摘耍ABSTRACTW砘thepopularizationofCADCAMindie&moldindustry，toemployCAPPinchangingthetraditionalprocessplanandmakingarealintegrationofCADCAMisnOWbecomingaresearchfocusindie&mouldtechnologyInordertoimprovetheconsistencyofinationflowfrom岫ectionmoulddesigntoproductionandtoenhancetheautomationofprocessplan，theauthormadearesearchontwokeytechnologiesofinjectionmouldCAPP：inationretrifiomCADandprocessroutinedecisionTheresultsarelistedbelow：FirstlytheaulhoranalyzedthecharacteristicofpartmodelinginProESmould-designmoduleBasedontheanalysisresults，themachiningfeaturesofinjectionmouldpartswereclassifiedandthepredefinitionofthemachiningfeaturesweregivenAhybrid，whichcombinesautomaticfeatureconversionwithinter-activedefinitionoffeature，WaspresentedandimplementedThecanretrievetheinationofmachiningfeatureeffectivelythustosolvetheproblemotCADCAPPintegrationFollowresearcheshavebeenmadeonthebottleneckofCAPP，theprocessroutinedecisionofpart：Aimedatthelimitationofcharacterizationofpartsinationforprocessplanusillgsinglefeaturerepresentation，theconceptofinter-featureconstraintsWaSpresentedThebasictypesofinter-featureconstraintswereclassifiedandtheeffectsofeachtypeonprocessroutinedecisionwerediscussedindetailAnalgorithmbasedonconstraints-matchingwaspresentedtosolvetheproblemofprocessroutinedecisionInthisalgorithm，theconstraintsofgeneralmachiningprocessalerepresentedbyastandardprocessroutineandtheinter-featureconstraintsareconsidered嬲apunishfactorThealgorithmwasimplementedusingGeneticAlgorithmandtheresultWastestedFinallyonthebasisoftheoriesmentionedaboveaninjectionmoldingCAPPprototypesystemwascompletedandthemainproblemsofCAPP：inationretrifromCADandprocessroutinedecisionwasaccomplishedinthesystem11lecharacteristicsandinnovationsof廿lispaperare：firstlybasedonthedetailclassificationofmachiningfeaturesof蝎ectionmouldparts，ahybrid，whichCanl-etrievethemachiningfeatureinationonPmEsmold-designmodulewasgivenSecondly，theconceptofinter-featureconstraintsWaspresentedtoovercomethelimitationofpartsrepresentationusingsingle-featureforprocessplanTh醐ly，allalgorithmbasedonconstraints-matchingwaspresentedInthisalgorithm，3浙江大学硕士学位沦文摘要theconstraintsofgeneralmachiningprocessarerepresentedbyastandardprocessroutineandtheinter-featureconstraintsaleconsideredasapunishfactorThealgodfltmWaSimplementedusingGeneticAlgorithmandtheresultwastestedKeywords：injectionmould，featureconversion，machiningfeature，inter-featureconstraints，GeneticAlgorithm，processroutinedecision4学号兰!兰!翌!生兰独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘茔或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：动l露旁签字日期：。歹年刁月4-Fl学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全r解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝垒盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：匆17蠡戽导师签名象弓签字日期：口芍年月年日签字日期：。i年弓月弓曰学位论文作者毕业后去向：工作单位：啼半，商讯孵I与宿僻，五司上淳研苫啼一电话：占j，一6彤j驴孕通讯地址：上i丢中哮；亏哈gs7刍邮编：j。7m刁1形，浙江大学硕士学位论文第一璧绪论第一章绪论本章简要总结了注塑模具计算机辅助技术，分析了传统的模具工艺设计方法的弊端，介绍了注塑模具计算机辅助工艺设计研究现状和热点；重点分析了其中特征技术和工艺决策方面的研究现状，指出了现有技术研究中存在的不足，最后确定了课题的研究平台和研究内容。在现代社会，塑料制品的使用越来越广泛，在很多方吼，它已成为金属制品的替代物。塑料模具作为成型方式中的一种，是家用电器、汽车和航空航天等领域中塑料制品的重要生产工具。由于模具成型方式具有生产效率高，产品质量稳定。可节约材料及生产成本低等特点，发展模具工业已成为当代促进塑料制品及机电产品优质廉价生产的重要手段，随着国民经济的高速发展和模具使用的日益广泛，模具工业已成为国民经济的重要基础工业。11课题背景与意义111注塑模具CADCAM技术传统的注塑模设计与制造一般分为塑件设计，模具设计和制造，试模和修模，注塑生产这四个阶段。其设计制造流程如图11所示”。图11传统的注塑模设计制造流程传统的注塑模设计是以经验为主，不断试探的过程。它主要依赖于设计人员的经验和工艺人员的技巧，设计合理与否只有通过试模才知道，制造的缺陷主要依靠反复修模来纠正。这不仅难以保证模具的质量，而且使模具的设计与制造的周期过长，质量不稳定，成本离，特别是对于大型精密、复杂的中高档模具，问题更为突出。显然这种传统的模具设计制造方法已不能满足现代模具生产的需要。浙江大学硕士学位论文第一章绪论随着计算机技术的迅速发展，为了提高塑料模具的质量，缩短模具的设计和制造周期，发达工业国家从20世纪80年代中期就开始r“泛使用注塑模CAD，CAECAM技术，从而彻底改变了传统的注塑模设计和制造方式。利用CADCAECAM技术设计和制造注塑模的流程如图12所示”。图12利用CA功，CAECAM技术设计制造注塑模流程从六十年代中期到七十年代中期，英国、美国、加拿大的学者就开展了注塑模计算机辅助系统的研究。经过20多年的科学研究，注塑模CADCAECAM技术进入了实用化阶段，出现了许多适用于注塑模的商品化CADCAECAM系统。在国际上具有代表性的通用CADCAM通用软件，包括法国达索(DassaultSystem)公司的CATIA，美国EDS公司的Urtigraphics(UGII)，美国PTC公司的ProEngi辩cr(ProE)等，都有专门针对注塑模具设计与制造的模块。专用的注塑模具CDCE，CAM系统有美国ACTech公司的商品化软件CMOLD，澳大利亚模具流动公司的MoldFlow，德国IKV塑料工程研究所的CADMOULD以及美国SDRC公司的流动分析软件POLYFILL等。国内模具C觥胱加的研究起步较晚，从70年代末期才开始这方面的研究工作。经过多年的研究，也取得了很好的成果。上海交通大学国家模具CAD工程研究中心研究、开发出了一批具有国内先进水平的CADCAECAM通用软件，其中包括塑性成形数值仿真系统、冲裁模cADCAE系统等。华中理工大学模具国家重点实验室开发了注塑模CADCAECAM系统HSC20，它以AUT()CAD为平台开发而成，包括模具结构设计、结构工艺参数计算校核、塑料注射流动、数控线切割编程等模块。另外，北京航空航天大学、合肥工业大学、大连理工大学、郑州工业大学等在注塑模CADCAECAM系统研究方面也做了许多工作。浙江大学硕十学位论文第+章绪论112计算机辅助工艺规划(cAPP)模具是一种典型的面向订单的单件产品，几乎每一次生产都带有试制性，需要经过设计、劁造、试模、修模的多次反复。虽然现在的大部分企业在模具设计与制造中应用了CAD，cAM软件，但其零部件的工艺设计还停留在传统的工艺人员手工编制的水平上，工艺文件的质量主要取决于工艺人员的经验。这些状态越来越不适应模具企业的现代化生产和管理要求，存在的问题主要有(2)：1)工作效率低。在工艺规程设计中，工艺人员花费在书写j二艺文件上的时间占30。每个零件的工艺内容必须重新填写，不能有效地利用原有的设计方案。2)工艺规程一致性差、质量不稳定。工艺规程设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验，工艺标准化程度低。3)存在大量重复性劳动。生产每个产品都要重新设计一个艺规程，不能_危分利用过去已有的工艺规程。4)对工艺设计人员的要求高。模具工艺设计时，涉及的内容多，经验依赖性强，年轻的工艺设计人员很难在短时间内胜任设计的任务。5)工艺信息管理困难。工艺设计的结果以工艺卡片的形式输出，数据分布在不同卡片上，分布零散，很难实现集中管理和信息的共享。6)工艺设计流程控制困难。手工编制的方法难以对工艺设计进行项目组织，很难对设计的流程和进度进行有效控制，更难以实现并行没计。此外，为了适应CIMS(计算机集成制造系统)的要求，丁艺设计还需要与其它系统有机集成，如为制造资源计划(MRPII)系统提供材料清单(BOM)，为产品数据管理(PDM)系统提供工艺文件等。缺少了计算机辅助工艺设计(CAPP)这个桥梁，CAD与CAM之间就成了信息孤岛，相互脱节、彼此孤立，不能充分发挥计算机辅助技术(CAX)的作用。为方便而实用的解决上述问题，种可行的方法就是在现有的CADCAM软件上开发一个CAPP系统，通过CADCAPPCAM的有机集成，将工艺设计的结果放到外部数据库中，与PDM，MRPI!等系统数据共享，从而实现零件的成犁分析、模具设计、工艺设计、数据管理、生产安排、模具制造的一体化。集成化的CAPP体系结构如图13所示。浙江大学硕士学位论文第一章绪论圈13CAPP与其他系统集成的体系结构CAPP的开发、研制是从60年代末开始的，1969年挪威工业公司正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS，1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是美国国际计算机辅助制造公司(CAM，1)于1976年推出的CAM-ISAutomatedProcessPlanning系统，取其字首的第一个字母，称为CAPP系统。由文献(3l所述，总结得到CAPP系统的主要分类见下图14，该图也基本概括了CAPP系统的发展过程：L派生引茹协。系I嗉统t(ge搬统L综合式c褰眦a，系一基于成组技术的CAPP系统L基于特征的cAPP系统基于传统过程性程序结构与决策形式的cAPP系统基于知识的CAPP系统CAPP工具系统或骨架系统基于神经元网络的CAPP系统派生式和创成式相结合的CAPP系统基于实例与知识的混合式CAPP系统其他混合式CAPP系统图1，4CAPP系统的主要分类4j_】濮俱隧恢厘一刚一肼L晤置蛾刚一一胛|丁_i一俯憎忪趣一卜厂一一一只曩引迹生茂墨器嚼引引一磊一r一|耋二_JL侄恢计一数。一L_工艺规划坠堑礁j诬博一1L模具零件设计面一i1商引引一浙江大学硕士学位论文第一章绪论计算机辅助工艺规划(CAPP)系统的核心主要包括两大部分：信息模型层面和功能单元层面。信息模型层面中的零件模型的信息获取和功能单元层面的零件加工工艺决策，是当前CAPP系统开发中所面临的两个主要技术难题：(1)零件信息的获取。工艺过程设计最原始的信息是产品零件的结构形状和技术要求，因此实现计算机辅助工艺设计首要的问题是零件信息的获取。CAPP技术和CAD技术是相互独立发展起来的，其信息格式存在较大差异(3)。如果CAPP系统通过读取中性文件(如DXF和STEP格式)来获取CAD模型的信息，格式转换时发生信息的丢失的可能性较大，而且要花费大量的时间和精力编写读取文件的接口程序，最后得到的结果也很不确定。理想的做法是采用特征识别或基于特征设计的方法，实现CA功mP的集成。随着特征技术的发展，CADCAPP的集成技术研究正在深入进行中。(2)工艺决策。模具工作零件的制造工艺对模具的制造质量、模具寿命、制模周期和制造成本有很大影响。模具多为单件或小批量生产，再加上工作零件形状的复杂性、特殊性及设各状况、技术水平的不同，很难将其工艺按固定的模式进行编制，其工艺决策一直是CAPP中的瓶颈问题。12相关技术研究现状121特征技术特征一词最早出现在1978年麻省理工学院Gossard教授指导的一篇学士论文“CAD中基于特征的零件表示”中。自此以后，特征技术研究不断深入并在实际生产设计中得到了广泛的应用。1211基于特征的cADCAM技术简述CAD，CAM是当代最重要的工程技术之一，它的应用从根本上改变了过去手工绘图设计、按图纸组织生产的技术管理方式，使得包括二维的工程绘图、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟等在内的产品设计工作可以在计算机上交互进行，有力促进了高新技术的发展和新产品的更新换代。CADCAM技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一pJ。早期的CAD和CAM软件是分别作为独立的系统发展起来的，它们之间缺乏有效的连接。随着技术的进步和生产的需要，人们希望把CADCAM集成起来，并能够根据产品全生命周期不同阶段的需求来建立产品模型。为实现CADCAM的有效集成，人们提出了基于特征的产品建模技术。特征建模技术使用“特征”这一符合人的思维方式的高层次产品建模语言5作为基本的信息单元，能够从几何和功能属性上进行产品建模，使设计或制造工程师能浙江大学硕士学位论文第一章绪论更好地表达他们的意图。因此，特征技术也就为新一代智能化、集成化产品建模系统的核心技术，并为许多主流的CAD系统所采用(6，7)。1988年末公布的STEP标准草案3，9舯1将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使得特征技术从此获得了国际标准的法定地位。九十年代初JJShah对特征技术的发展作了一个全面的综述(1“。近十年来，特征技术研究不断深入并在实际生产设计中得到了广泛的应用。特征技术所涉及的研究范围概括起来主要包括：特征的定义)：特征的概念自70年代末提出以来，至今仍未有-个严格完整的定义，但在下述方面有比较一致的看法：特征是一组信息的集合，它具有属性，与特定的活动如设计、制造活动相关，包含具有一定工程意义的几何实体或其他信息。特征的分类(JlJ213)：按照产品类型、特征的应用领域和特征的几何形状为原则给出的特征分类。特征建模方法(10It)：特征建模的主要方法有交互特征定义、自动特征识剐和基于特征设计三种。交互特征定义是在已有的产品几何模型基础卜，通过用户交互选取构成特征的拓扑几何元素提取特征；自动特征识别是基于已有的实体模型，通过特定的识别程序自动识别满足要求的特征；基于特征设计是以预定义的形状特征作为建模的基本元素直接建立产品模型。特征转换(】3)：也称为特征映射，是指把产品模型的部分结构在不弼的应用领域进行变换的过程。1212特征技术研究现状1特征识别技术特征识别的作用是从零件的实体模型中抽取具有特定工程意义的形状信息。特征识别的研究工作始于英国剑桥大学CAD中心，该中心的Qayer在1975年首次尝试了特征信息提取方面的研究04)；1980年该中心的Ky叫皴ou在他的瞎士论文中首次提出了特征识别思想(”)。到目前为止，特征识别方法的种类已经很多，不同的文献提供的方法也不尽相同总体上可以分为四类：基于边界匹配、基于体分解的特征识别方法、基于痕迹特征识别和混合式特征识别。浙江大学CADCG实验室的高曙明教授曾对自动特征识别技术进行过系统总结)，表11列举了其中几种有代表性的方法。6祈江大学硕士学位沦文第一章结论研究者特征识别方法输入的类型识别能力HederscIn(1旬规则匹配零件和毛坯3DWootmKirn(1。立体交替和分解Brep模型3DHederson(20神经网络Brep模型3DJoshi，Chang(21)属性面邻接图Brep模型3DVandenbrand铲)基于痕迹特征Brep模型3DGaoS，Shall脚)最小条件子图B-rep模型3D基于切削体最大凸分S蛐f280930CSG模型3D解Gadh(27)不等深过滤器Brep模型3DMarefat01)产生测试法Brep模型3D表11特征识别方法伴随着特征识别研究工作的逐步深入，近年来也出现了一些自动特征识别系统。这些系统可以分为两类：一类是研究型原型系统，典型的如Kimo劭等人蹦于验ff_ASVP算法的原型系统，Han(33)等人用于验证基于痕迹算法的原型系统IF2等，这些系统侧重于算法的验证，因而距离实用还相差太远；另一类是商品化系统，典型的有印度GSSL公司开发的AFR(3“，该系统已被SolidWorks、SolidEdge采用。Teenomatix公司的PART是荷兰的Twente大学开发的一个基于特征的棱柱类零件的CAPP系统。PART系统可以基于零件的BRep实体表示通过交互机床选择、自动特征识别直至自动生成刀具轨迹和NC代码。其特征识别模块能够识别复杂特征并把它们分层，提取的特征有简单特征和复合特征(3”。此外，Honeywell公司的FBMach，CIMPLEX公司的GenerativeNC(GNC)tg都采用了特征识别技术。由于自动特征识别技术还没有达到完全实用化程度，因此现有CADCAM软件主要采用交互特征定义方法在CAD模型基础上交互定义出相应的加工特征模型。交互特征定义通过人工交互的方式选取零件的面构成特征的组成面，因而其结果取决予用户的正确选择。遂种方法的主要缺点是自动化程度太低，基本无智能性。2基于特征的设计技术针对特征识别的局限性，Wilsont31)i孝经指出：更合理的方法是使设计人员能按预先定义好的形状特征来建立模型，而不是事后识别形状特征。这反映了特征设计的核心思想。基于特征的设计自80年代中期被提出以来已成为产品建模的浙江大学硕士学位论文第一章绪论主要方法之一。不少特征造型原型系统相继问世。在基于特征的设计中，通常使用的方法有：基于加工特征的分解(deswactionbyfeatures)和基于设计特征的综合(synthesisbydesign)。基于加工特征的分解方法在产品建模时总是从一个待加工的毛坯出发，通过布尔减运算逐个减去所选用的特征，最后生成产品的特征模型。基于设计特征的综合方法与基于加工特征的分解方法不同，所采用的特征可以是正特征也可以是负特征。目前大多数商品化系统都采用基于设计特征的综合的方法一个重要的原因是这种方法使设计人员能够直接使用他们习惯的设计特征和功能特征进行设计(6，7)。基于特征的设计是在较高层次上构造产品模型，它可以捕捉设计者的设计意图，能更好地支持产品信息的集成，有剥于提高CAD系统的智能化程度。在主流CAD系统中基于特征的设计技术得到广泛的认同和采用，典型的著名CADCAM通用软件，如法国达索(DassaultSystem)公司的CATIA，美国EDS公司的Unigraphies(UGI)，美国PTC公司的ProEngineer(ProE)，英国剑桥CS交互系统公司开发的MEDUSA，美国CV公司开发的CADDS。法国MatraDatavision公司开发的EUCLID，美国SDRC公司的IDEAS，美国Autodesk公司的MDT等都采用了基于特征的设计技术。3产品多领域特征模型与建模方法为支持产品生命周期的各个阶段，各领域的工程人员以各自关注的特征描述其产品，利用特征技术把各领域的信息有机地结合起来的产品模型就是产品多领域特征模型。它是所有领域特征模型的总和，所有领域模型都有共同的几何信息。产品模型、几何模型及各领域特征模型之间的关系如图15所示。图15产品模型、几何模型及各领域特征模型之间的关系产品多领域特征模型的描述是实现设计、加工等不同应用集成的关键，这一共享的产品模型对不同的应用场合提供了不同的视图，一个完整的产品多领域特征模型应该具备以下几方面性质：由面向产品开发不同领域的多个特征模型组成：在产品多领域特征模型8浙江大学硕士学位论文第一章绪论中，对于产品开发过程中的每一个不同领域都有一个特征模型与之对应。不同领域的特征模型之间相I瓦关联：为了支持产品生命周期的各个阶段，各领域的工程人员就各自关注的特征模型描述其产品。同时，各领域的特征模型之间又具有互动性，即当某顷域的特征模型发生改动时，应该能够将这种改动通知到其他所有领域的特征模型中并做相应修改。这种互动性要求不同的特征模型之间相互关联。不同领域的特征模型之间保持一致：虽然各个领域所关心的特征模型不同，但他们表示的却是同一产品，因此各不同领域的产品信息必须保持一致，主要是产品形状信息必须一致，即不同特征模型所描述的产品最终形状必须相同。建立产品多领域特征模型的一种直接而简单的想法是：各领域以各自领域的特征模型表示，每两两应用领域之间都构造特定的特征转换算法，这样做的问题是导致系统庞大、信息冗余且扩展困难。同时有效的特征转换算法也不容易设计。所以目前这样的方法很少被采用。4分布，协同环境下的多领域特征建模随着计算机网络环境的普及和并行工程的深入研究与发展，计算机技术领域出了许多新的研究课题，如并行计算技术与计算机支持的协同工作(CSCW)等，并取得了一定的成果。基于这些研究成果，许多CADCAM研究者对多领域特征建模提出了新的集成方式：在分布式的网络环境下，设计人员与工艺人员胁同地完成同一零件的设计、工艺规划和加工过程，以最大限度地缩短生产周期。多领域特征建模的并行集成不但要求传统技术方法作转变，以适应新的工作环境与工作方式，而且导致了许多新的研究课题的产生，如并行协同设计的工作机制、并行协同设计的过程控制等。122工艺决策技术1221工艺决策简介早期的商业化CAPP系统大多是基于成组技术和数据库技术的数据检索式系统，工艺路线本质上是手工生成的。经过多年的发展，CAPP经历了检索式、派生式、刨成式和综合式等几个阶段的发展，取得了很大的进展，出现了一些较为成熟的CAPP系统，如Tecnomatix公司的PART(荷兰的Twente大学开发的一个基于特征的棱柱类零件的CAPP软件系统)。PART系统可以基于零件的BRep实体表示并通过自动特征识别、交互机床选择直至自动生成刀具轨迹和NC代码(35l。我国在20世纪80年代初期才开始进行CAPP系统的研究。1982年同济大学率9浙江大学硕士学位论文第一章绪沦先开发了以检索和派生式方法为主的ToJICAP系统。后来北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学等单位也陆续开发了适用于特定类型的CAPP系统。1988年5月在南京航空航天大学召开的国内第一次CAPP的专题讨论会更是引发了国内的CAPP研究热潮140)。目前国内也有较多的商业化CAPP软件，华中理工大学开发的IMCAPP和北航海尔开发的CAXA都取得了一定的成功，是国内相关软件中的佼佼者。面向模具特别是注塑模具生产的CAPP系统则比较少，其发展水平和实际应用还存在很大的差距。这与模具丁艺设计自身的复杂性和计算机技术的发展水平有很大的关系。目前，虽然有些商品化的CAPP软件提供了电子表格填写式的解决方案，但工艺过程设计与CADCAM系统缺乏有机集成，零件信息不能共享。模具零部件中经常有复杂的曲面特征，工艺人员在工艺设计过程中对加工刀具选择和余量的确定等步骤需要了解零件的详细信息，这种电子表格式的CAPP系统显然不能满足模具工艺设计的需要。1222工艺决策技术研究现状工艺决策(又称工艺自动规划，ProcessAutomatedPlanning)概念是由美国Purdue大学TCChangp9)教授首先提出的。工艺决策是CAPP系统中的核心问题。国内的研究习惯把工艺决策分为加工方法生成和工艺路线决策两方面，国外则把刀具轨迹模拟和加工过程模拟等也作为工艺决策的一部份(40J。现在的主流CAPP系统中的工艺决策方法可概述如下：基于GT的派生式CAPP系统在进行工艺设计时，系统以被设计零件的GT码为依据，首先搜索到该零件所属的零件族矩阵文件或样件，每一个零件族矩阵文件或样件对应着一个标准工艺规程即样件工艺规程；然后调用有关工艺数据，对所搜索到的工艺规程文件进行必要的补充，最后得到当前零件的工艺规程。基于特征的派生式CAPP系统用特征来描述零件信息，用工序一工步二叉树来描述零件的工艺规程，用基于特征的推理代替基于零件族矩阵的工艺规程筛选策略，即以基于特征的零件信息模型为依据，在基于特征的标准工艺规程中自动筛选和匹配出当前零件的工艺规程。刨成式CAPP系统将工艺决策中的各种决策逻辑或者植入程序代码(一般刨成式CAPP方法)，或者以规则的形式存入相对独立的工艺知识库，供主控程序调用(CAPP专家系统方法)。在向创成式系统输入待加工零件的信息后，系统可以模仿工艺人员的手工编制过程，利用决策逻辑和制造工程数据信息(包括各种加工方法的加工能力和对象、各种设备及刀具的适用范围等)自动做出各种工艺决策，自动生成零件的工艺过程方案，输出各种工艺规程文件，用户不需或略加10浙江大学硕士学位论文第一章绪论修改即可。关于工艺决策方面的研究，是在1985年TCChang39T42教授提出自动排序的创成式系统后，才逐步开展开来的，国内则是在九十年代中期才开展相关方向的研究。近几年来，专家系统、模糊技术、遗传算法以及神经网络等智能处理技术被广泛应用于工艺决策方面的研究。取得了一些成果。整体看来，工艺决策中实际应用最多最成熟的仍然是专家系统技术07，42)。当前工艺决策技术正从“知识+推理”向“人机协作+智能综合”的类型阶段发展(4“。表I2总结了近年来一些有代表性的方法：研究者工艺生成方法处理零件类型TCch粕g(“专家系统+交互创成回转体类零件HorvathMarkusVancza(43KBR+遗传算法箱体类零件CAChang，VAngkasith”神经网络箱体类零件MSShartraugam等45遗传算法-+CBR回转体类零件蔡力钢，李培根0647)分级约束规则回转体类零件王先逵等柙jo)模糊逻辑回转体类零件表I2加工决策方法针对注塑模具的工艺决策。也有人作过一些研究工作55，5t58删，目前比较典型的方法是使用特征编码对模具零件进行描述，在工艺决策时，由用户输入模具零件的特征信息，CAPP系统对模具零件的特征信息进行解释，自动拟订模具零件的工艺路线和具体工艺方案5959)。由于模具零件多，输入模具零件信息特征工作量大，用户使用困难。将专家系统、神经网络、模糊技术和遗传算法等智能技术应用于模具零件工艺决策的研究，目前尚没有见到相关报道。总体来讲，模具零件的工艺决策仍处于“知识+推理”阶段，智能化程度较低。13主要研究工作13I系统开发平台的选择由于模具由数十个甚至上百个零件组成，在加工工艺上互相制约，工艺经验和知识难以提取，导致cAPP技术在模具制造中应用研究的相对落后。至今，模具工艺设计仍采用传统的设计方式，依赖于工艺设计人员的经验，模具CAD系统和模具CAM系统仍是信息孤岛，中间缺少起桥梁作用的模具CAPP系统，极大限制了模具行业的发展。在模具CAPP系统开发过程中，本着方便、实用的原则，选择成熟的浙江大学硕士学位论文第一章绪论CADCAM软件作为开发平台，利用软件的开发接El来获取零件CAD模型的几何参数信息，同时将工艺设计的结果直接传递给CAM，实现CADCAPPCAM的无缝集成，是目前普遍采用的开发模式。ProENGINEER是目前在注塑模具设计中得到广泛应用的基于参数化的特征造型系统之一，其具有鲜明的特点(6)：l：ProE提供的特征基本覆盖了STEP标准的形状特征分类：盟入，凸出，过渡，贯通，区域和变形；2：P，E中特征之间的父子关系以及特征树结构使造型的累积过程更易于理解；3：建模过程模仿零件加工过程，更易于转化为制造所接受的特征；4：Pfo但中引入了完善的基准体系，使特征定位更加灵活，也符合制造特征的定位；5：ProE的ProMOLDDESIGN模块功能强大，可以提供相当方便实用的注塑模具设计及分析工具；6：ProE提供了强大的二次开发工具ProTOOLKIT，可以访问软件的最底层数据库资源，可以通过DLL方式与c语言编译器链接。综上所述，本文选用ProENGINEER2001版本的ProTOOLKIT开发接f在WIN2000操作系统下，使用VisualC+60作为程序编制工具来进行系统开发。132研究内容为了改善模具零件信息从设计到制造过程中流动的连贯性，加强工艺设训过程的信息化程度，提高模具工艺设计效率，本文对模具CAPP系统中信息获取和工艺决策两个关键技术进行了深入研究，研究内容包括：1对ProE环境下的模具零件建模特点进行分析总结，对塑料模具零件的加工特征进行系统分类，得到模具零件加工特征的预定义特征库。2提出在对Pfom模具设计环境下零件由设计特征到加工特征的特征转换方法，完成加工特征信息提取，解决模具CADCAPP集成问题。3针对零件加工特征信息的单特征描述方法对于零件的特征间信息描述的不足，分析总结零件特征闻的工艺约束条件类型，分析这些约束条件对零件工艺决策的影响。将特征间的工艺约束条件引入工艺信息描述，得到零件的综合信息模型。4使用零件典型加工路线来表达工艺路线排序中的工艺约束要求，并将关联特征约束引入零件工艺决策，得到一种全局寻优的工艺路线决策算法。浙江大学硕士学位论文第一章绪论5根据所研究的成果开发原型系统完成计算机辅助工艺设计的核心部分加工特征信息提取和工艺路线决策两部分的工作，验证研究结果的实际效果。133论文结构f第一章一i绪论第二章Pm厂rooLT应用程序开发第三章1基于Pm吲j勺加工=特征信息获取第四章基于综合信息模型的加工工艺决策图16论文结构第五章原型系统及实例第六章总结与展望13浙江大学硕士学位论文第二章Pro，rOOLKIT应用程序开发第二章ProTOOLKIT应用程序开发简介：简要介绍了PmENGINEER的各种开发方法，介绍了Pm仃OOLKIT开发方法，详细说明了在VC开发环境进行ProTOOLKIT开发的基本框架，编译与链接设置以及运行与卸载方法。ProENGINEER(以下简称ProE)软件是由美国PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司开发的机械设计自动化系统，内核采用“CSG+Brep+特征编码”的混合表示方法，不仅支持异地协同设计，而且集成了一定的CAM与CAE功能，正朝着与DFA集成的方向发展6)。但是，一方砸ProE软件的CAD，CAM集成能力有限，缺乏针对特定产品特定应用领域的详细设计，比如注塑模具的工艺规划等；另一方面，每个设计师对于同一对象表达的过程不尽相同，致使意图一致的设计模型往往包含的特征个数和类型都有差异，以至于数据结构千差万别；再者，各个应用厂家的设计制造资源不同，产品应用方向不同，对软件的应用要求也不同。因此，基于ProE系统进行二次开发来实现新的功能，正日渐成为ProE用户的迫切要求。21ProE开发方法简介为方便用户开发实现新功能，ProE提供了多种层次的二次开发方法。根据所面向的用户层次的高低，这些方法所实现的功能及开发的灵活性也有所不同：1)族表(FamilyTable)族表是ProE提供给用户的一个工具。不需要编制程序，功能卜分有限。通过族表，用户可以方便的管理具有相同或相似结构的零件，特别适合于标准件库的建立和管理。族表通过建立通用性零件为父零件，然后在此基础上对尺寸参数进行控制来生成派生零件。族表通过表格来管理，所以其开发模式常常被称为表格驱动式开发。2)用户定义特征0_rDF)用户定义特征也是系统提供绘用户的工具，通过这个工具，用户可以将几个特征组成为一个自定义特征。系统以gph文件保存用户定义特征，调用时作为一个整体出现。用户定义特征有利于用户根据产品特征快速生成三维模型，提高设计效率。3)程序(ProProem)ProE给每个模型都提供了一个主要设计步骤和参数列表记载工具一ProProgram。它是一种类似于BASIC的高级语言格式，用户可以根据设计需要来编辑模型的Pro掣am，使其作为一段程序来工作，通过运行该程序来控制系统浙江大学硕士学位论文第=章ProTOOLKIT应用程序开发参数、特征显示和特征尺寸参数等。ProProgram有一定的开发能力，但不能调用系统函数，功能有限。214JAVA接口(JLink)J-Link是ProE提供的基于JAVA语言的高级开发工具包，功能较强大。用户可以通过JA、A编程来扩充系统的功能或定制基于产品的设计模块。215ProToolkitProToolkit是ProE提供的功能晟强大的高级开发工具包(从ProER180版本开始加入ProToolkit软件包，在ProERI70版本之前ProDevelop是最高层次的开发工具包)，它是基于C语言的开发工具。ProToolkit支持windows和UNIX操作系统，借助第三方编译环境进行调试，使得外部应用程序在一种可控制和可靠的方式下访问ProE软件的数据库和用户界面，实现与ProE的无缝集成。ProTOOLKIT作为开发实用软件系统的API(ApplicationProgrammingInterface)，提供了一个容量很大的可以对ProE底层资源进行调用的C语言函数库，外部程序可据此以一种安全、有效的方式与ProE的数据库及其他应用模块进行信息交互，从而使P枷OLKIT成了外部应用程序和ProE软件系统之间进行信息沟通和交互的桥梁和纽带。随着版本的不断更新，Proloolkit提供的库函数越来越丰富，用户的应用程序功能也愈加强大。22Pm厂rOoLKIT简介lPInDEVELoPPfD，DEvELOP是蝴NGINEER软件API的早期版本。在ProDEVELOP基础上，Pm删xIT采用了全新的面向对象的风格。ProTOOLKIT和ProDEVELOP采用相同的机制进行应用程序和ProE软件的集成，所以ProTOOLKIT代码和啪EVELOP代码可并存在同一程序中。2Pr侧LKIT的风格P删Ou【IT具有很强的面向对象风格。用ProTooLT进行开发时，应用程序只能通过ProTOOLKIT提供的库函数来访问ProE软件用于进行信息交互的数据结构。因此在Pm删，l(IT中有比啪EVELOP更多的库函数，更少的数据结构。这样做的目的在于信息隐藏，实际上这也正是面向对象技术的要求。3Pr0，rooLl【IT中的对象、操作和函数在ProTOOLKIT中，每种类型的对象都有一个标准名称，使用首字母大写的对象英文名称来描述。最常用的Pr0厂rcoLKIT对象类型如下：浙江大学硕士学位论文第二章ProTOOLKIT应用程序开发Fealll付特征Surface一表面Solid一造型实体ProTOOLKIT中的操作是针对对象的操作，在ProTOOLKIT中一般的操作名称都是望文生义的，比如：Get是指从ProENGINEER软件系统的数据库中直接读取对象信息的操作；Delete是指将对象从ProENGINEER软件的数据库中删除的操作。ProTOOLKIT中的每个函数可以实现对某一特定类型的对象进行的一种特定操作。ProTOOLKIT库函数中的各个C函数命名惯例是前缀Pro加卜所操作的对象类型名称再加上所进行的操作的名称。即：函数名称=Pro+对象类型名称十操作名称。例如，ProSolidRegenerateO函数实现对ProE软件目前正在操作的造型实体进行重新生成的操作：ProFeatareDelete0函数则实现对ProE软件目前jE在操作的造型实体中的某个特征进行删除的操作。4Pfo，roOLKIT中的函数原型及头文件ProTOOLKIT中的每个函数都提供有ANSI标准函数原型。在ProTOOLKIT支持的所有平台上的C编译器都至少提供一项函数原型检验功能。所有针对某一个特定Pr0舟D(儿l(IT对象的函数的原型都被记录在同一个头文件中，该头文件的名字就是该对象的名称。例如，ProEdgeLength()函数的函数原型就定义在PmEdgeh头文件中。因此，在用C或c+编程语言开发应用程序时，先要考虑、分析各种操作所涉及的对象，然后将相关的头文件包含进来。开发者在编写程序时就可以调用Pr舢LT库函数，执行所需的操作，从而达到预期的功能。5应用程序调用ProTOOLKIT函数的状态检测在ProTOOLKIT中，大多数的函数返回类型为ProError。ProError类型是一种枚举类型，其值反映执行函数的成功与否。如果函数执行成功，返回值为PROTKNOERROR(0)，如果函数执行未成功，返回值是能够体现调用未成功原因的一个枚举值。例如：PROTKGENERALERROR函数执行不成功PROTKOUTOFMEMORY系统错误(存储溢出)PROTKENOT_FOUND所操作的对象不存在16浙江大学硕士学位论文第二章ProTOOLKI