1956_數(shù)控工作臺三維造型設計及關(guān)鍵零部件工藝設計

1956_數(shù)控工作臺三維造型設計及關(guān)鍵零部件工藝設計,數(shù)控,工作臺,三維,造型,設計,關(guān)鍵,癥結(jié),樞紐,零部件,工藝 黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 1 頁加工的幾何尺寸和公差的提取/轉(zhuǎn)換功能摘要在操作過程中，重要的是保持基于特征系統(tǒng)功能的完整性，尤其是當功能發(fā)生相互作用的時候。本文提出了一種用于后續(xù)應用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換成設計模型的功能轉(zhuǎn)換方式。這個過程包括成型特征（幾何信息）和非幾何特征轉(zhuǎn)換。大多數(shù)研究人員都集中在幾何信息的提取和轉(zhuǎn)換上而忽略非幾何特征的重要問題。本文著重探討對后續(xù)加工應用中的幾何尺寸和公差（GD＆T）的提取和轉(zhuǎn)換功能。在本文中將討論基于 CAD/ CAPP/ CAM 系統(tǒng)集成特征的主要障礙——功能的互動，從而改變它們的幾何和非幾何的設計特點信息。如何識別和驗證這些功能尺寸和公差是特征交互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵問題之一。本文報告工作的主要推力是在使用過程中為規(guī)劃申請保留功能的完整性而形成強有力的方法。關(guān)鍵詞：CAD/ CAPP / CAM 集成，功能轉(zhuǎn)換，功能互動，幾何尺寸和公差（GD＆T ） ，加工特征1 簡介現(xiàn)代設計和先進的加工過程中的一個主要目標是通過各種設計和工藝規(guī)劃活動之間的無縫集成來實現(xiàn)產(chǎn)品交貨時間的顯著縮短。使用組件特性的概念來集成設計系統(tǒng)和制造系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來的主要研究方向 [1-5]。在一般情況下，功能是用于賦予組件屬性的意義，幫助解剖可識別的、有意義的區(qū)域以及改善設計和制造之間聯(lián)系。特征識別和基于特征的設計是兩個主要使用的途徑。特征識別驅(qū)動器的功能信息來自被識別的幾何數(shù)據(jù)庫，通過計算機算法進行提取和分類。特征識別問題與設計意圖的損失，不完備的設計黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 2 頁和制造信息以及特征識別的復雜性和計算負荷方案 [3，6，7] 相關(guān)?；谔卣鞯脑O計涉及到通過使用“積木”定義一個組件，它代表著或設計功能或加工功能。由于功能是取決于過程的，不同的應用需要不同的應用功能。設計階段使用的功能（稱為設計特點）是功能特點，代表著設計意圖，如肋，開槽，并加強的功能。在規(guī)劃階段使用的功能（稱為加工功能）與加工業(yè)務有關(guān)，如孔、盲孔、槽和袖珍的功能。此外，功能因應用程序的不同而有不同呈現(xiàn)。這些事實是根據(jù)需要以正確反映加工特點并實現(xiàn) CAD、CAPP 和 CAM 系統(tǒng)集成在一個基于特征的環(huán)境的主要障礙。設計人員使用設計特征構(gòu)建組件特征模型是最合理的，然后通過加工特征在工藝規(guī)劃系統(tǒng)中將模型轉(zhuǎn)換。這個過程被稱為功能轉(zhuǎn)換或功能映射。許多研究人員對功能轉(zhuǎn)換的方法和算法進行了研究和應用 [8-10]。然而，當代大多數(shù)基于特征的設計仍然不能完全處理發(fā)展基于特征系統(tǒng)中的一個最重要的，或許是最困難的方面，就是功能的定義和代表性的相互作用。以前使用的功能的特征交互改變了幾何形狀和屬性，但它不會改變它們相應的數(shù)據(jù)庫，這使得后續(xù)應用不能從設計數(shù)據(jù)庫獲得真正的組件模型。因此，在設計和加工過程中的階段維護功能的完整性是實現(xiàn)基于特征的 CAD / CAPP / CAM 一體化問題的關(guān)鍵之一 [11-13]。許多研究已進行到基于提取加工特征設計系統(tǒng) [5，7，9，10，14-16] 的技術(shù)。然而，這些研究主要專注于幾何信息的識別或轉(zhuǎn)換。在機床特征的非幾何信息方面做的還很少，如幾何尺寸和公差（GD＆T） 。 Shah 提出 [17]的方法來創(chuàng)建一個在設計和工藝規(guī)劃應用中使用的尺寸和公差模型。這種 GD＆T 模型被用來捕捉設計師基于特征設計上的 GD＆T 方案模型，驗證其完整性，然后用特征識別的方法轉(zhuǎn)移 GD＆T 到加工特征的自動提取。該方法側(cè)重于在設計和制造階段如何使用一部分的尺寸時為有效模式。因此，構(gòu)建出強勁的適合 CAD 和 CAPP系統(tǒng)的 GD＆T 模型，是一項復雜而艱巨的任務。對于一個以商業(yè)功能為基礎(chǔ)的系統(tǒng)（如 Pro / Engineer） ，一旦一個組件的造型過程已經(jīng)完成，則一個 GD＆T模型即被構(gòu)建。為了創(chuàng)建所使用的 CAD 模型，其目標就是去捕獲和轉(zhuǎn)換一個過程規(guī)劃體系所需要的幾何和非幾何信息并實現(xiàn) CAD / CAPP 無縫集成的過程。為了實現(xiàn)一個過程規(guī)劃模型的完整代表， GD＆T 所需要一個組件需保持黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 3 頁完整，并根據(jù)加工特點的要求被完整和正確的表示。本文中提出的工作是處理從基于保持一個基于特征加工的完整性和一致性過程的 GD＆T 模型的提取/轉(zhuǎn)換。在第 2 節(jié)中通過功能轉(zhuǎn)換模塊和 STEP 文件界面介紹了建議的基于特征CAD / CAPP 集成系統(tǒng)的框架。在第 3 節(jié)中，我們討論了關(guān)于功能相互作用所導致的功能信息的改建以及不改變它們數(shù)據(jù)庫等難以解決的問題。加工功能可以通過從設計模型的功能信息中提取和轉(zhuǎn)換來生成。在第 4 節(jié)中，我們介紹為功能 GD＆T 的提取和轉(zhuǎn)換所開發(fā)的算法。在第 5 節(jié)中，使用一個詳細的組件的例子來展示幾何尺寸轉(zhuǎn)換的結(jié)果。在最后一節(jié)，給予本文的結(jié)論。2 基于 CAD/ CAPP 集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征組件模型是在基于一系列如突起，槽，孔等的設計特點的環(huán)境下被構(gòu)建的。諸如對 CAD 模型的過程規(guī)劃有著不同看法的后續(xù)應用，它采用了符合加工操作的一系列加工功能。為實現(xiàn) CAD / CAPP / CAM 系統(tǒng)的完整性，代表加工特征的功能幾何的提取和轉(zhuǎn)換以及非幾何信息加工功能被提出。通過功能轉(zhuǎn)換方法得到的集成系統(tǒng)的框架如圖 2.1 所示。在這個方法中，用基于特征的 CAD / CAM 軟件即 Pro / Engineer，來創(chuàng)建一個組件特征模型。通過該功能轉(zhuǎn)換模塊和STEP 文件接口，可以創(chuàng)建相應的過程規(guī)劃模型組件，以測試并驗證轉(zhuǎn)換的加工特征，這將在〔18〕中予以討論。在功能轉(zhuǎn)換模塊中，為加工轉(zhuǎn)換特征屬性形成功能映射以開發(fā)轉(zhuǎn)換 CAD數(shù)據(jù)庫中的幾何信息到用于創(chuàng)建一個完整的和正確的代表著有意義“形狀”的加工過程和 GD＆T 的映射。黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 4 頁圖 2.1 綜合功能為基礎(chǔ)的 CAD / CAM 系統(tǒng)框架3 特征交互作用在一般情況下，如果特征交互導致原來的功能參與要素類或要素屬性的任何改變，那么特征交互就被認為已經(jīng)發(fā)生了。基于特征的設計系統(tǒng)，組件模型被一系列的由一個功能修改另一個的方式的設計特點建立起來。圖 3.1 顯示了一個涉及到盲槽 1 和盲槽 2 特征的功能交互組件的建模過程， 。當相互作用發(fā)生時，之前使用的盲槽 1 和盲槽 2 功能隨著特征尺寸和幾何元素的可能改建轉(zhuǎn)變成插槽 3 和盲槽 4 功能。黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 5 頁圖 3.1 兩個盲槽之間互動功能的例子，隨著不同的屬性或幾何形狀生產(chǎn)一個插槽和盲槽特征交互組件模型有著廣泛的影響，因為它們不僅改變了預定義的功能幾何形狀也改變它們的屬性。問題是這些產(chǎn)品在組件數(shù)據(jù)庫中是不可替代的，從而導致后續(xù)工藝規(guī)劃的困難。在圖 3.2 中，由于臺階功能的相互作用，以前使用的袖珍功能的幾何形狀和尺寸發(fā)生了變化。圖 3.2b 中，袖珍功能的深度尺寸被改為 h1，代替原來的維度 h，并將在圖 3.2c 中的袖珍功能改變?yōu)槊げ酃δ?，新成立的邊緣層面功能也由以前維度 a 變?yōu)?a1。然而，組件數(shù)據(jù)庫只記錄原始功能，并不包含模擬結(jié)果。按照圖 3.2 中的例子，我們可以從數(shù)據(jù)庫中獲得圖3.2b 和圖 3.2c 中兩個模型的原始袖珍功能尺寸 h 和 a。黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 6 頁圖 3.2 由袖珍功能和臺階功能的相互作用引起的特征類型和尺寸的不一致為了維護功能模型的完整性，這里有必要由加工特征基礎(chǔ)處理規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)一個強大的特征提取/轉(zhuǎn)換算法來檢測不一致的功能描述，并將其轉(zhuǎn)換成所需要的正確描述。關(guān)于幾何方面的設計特點檢測和轉(zhuǎn)換算法的加工特征將在 [17]中予以介紹，在這里為了正確地表示轉(zhuǎn)換后的加工特征，我們將重點放在 GD＆T的提取/轉(zhuǎn)換上。4 提取幾何尺寸和公差的特征4.1 幾何尺寸特征的提取在基于 CAD 特征的系統(tǒng)里，數(shù)據(jù)庫中組件和特性的幾何尺寸的描述包含了下列項目：1. 尺寸值和公差。2. 如線性尺寸，角度尺寸和直徑尺寸的維度類型。3. 維度的邊界元素：一個面、軸和一個邊緣。例如，維度 d4（如圖 4.1 所示）的邊界元素是面 f1 和邊緣 e1，同時維度 d5 是面 f2 和邊緣 e2 的邊界元素。黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 7 頁圖 4.1 特征交互和尺寸邊界元素除了上面列出的項目 1 和 2，工藝規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù) CAD 模型有不同的尺寸邊界表示，該模型需要用加工操作的一個有意義的幾何元素尺寸來描述，如一個面或一個軸元素，但不用邊界元素。由于是由兩個面元素形成的一個邊緣，它是加工流程建模使用的某種模糊的方式。例如，在圖 4.1 中的維度“d”是描述的長度|d|以及 e1，e 2 的兩個邊元素。加工過程建模的要求，應該是用面 f5 和面f8 的邊界元素描述的。由于設計特點和加工特點之間不同的維度描述，有必要區(qū)分和改造過程建模的 CAD 模型相對應的面元素中的維度邊界元素的邊緣。該算法是以 GD＆T映射模塊中的一個模塊作為以下步驟實現(xiàn)的。第 1 步：搜索組件上的每個維度 dim(i)，讓 i=1，2，…，N_GD，N_GD 組件幾何尺寸的總數(shù)。第 2 步：讓 i = 1，提取維度 dim(i)的值，類型和邊界元素標識 id1，id 2。第 3 步：檢查維度 dim(i)的邊界元素。如果一個邊界元素不是一個真正的元素，那么在功能操作后維度的邊界就不再存在。這意味著維度的邊界被改變。在這種情況下，一個處理互動功能的額外算法是需要的，這將在下一節(jié)予以討論。如果這兩個邊界元素都是真實的，那么維度的邊界類型就能直接確定。第 4 步：如果一個維度的邊界元素是邊 e0，另一個面是 f0，那么面 f1 和 f2的其中一個形成的邊 e0 必須得以確定（轉(zhuǎn)到第 5 步） ，并使之作為加工特征的三維邊界元素。如果維度的兩個邊界元素是邊 e1 和 e2，就轉(zhuǎn)到第 6 步把兩個邊都轉(zhuǎn)換成兩個面，作為作為維度的兩個邊界元素。如果維度 dim(i)的兩個邊界元素是兩個面或兩根軸，亦或一個面和一根軸，那么它們的標識是在一個數(shù)組記錄，再轉(zhuǎn)到第 7 步;第 5 步：比較長度 d01 和 d02 的真實值，它們分別代表了面 f0 和 f1、面 f0 和f2 之間的距離。如果距離 d01 等于（維度 dim(i)）的真實值，那么代替邊界識別e0 的 id1 也伴隨著 f1 的鑒定，這意味著邊元素的表示已改為面元素的表示。如果距離 d02 等于（維度 dim(i)）的真實值，那么代替邊界識別面 f2 中的一邊 e0 的id1，并轉(zhuǎn)到第 7 步。第 6 步：比較長度 d11，d 12，d 21，d 22（d ij 代表面 f1i 和面 f2j 之間的距離，其黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 8 頁中 i，j=1,2 ）尺寸的真實值，必須存在一個有維度 dim(i)真實值的距離。如果d21 等于(維度 dim(i))的真實值，那么面 f12 和 f21 就替代尺寸 d21 的兩個邊界標識，并轉(zhuǎn)到第 7 步。步驟 7：如果 i基準數(shù) N，就結(jié)束；否則，設置 i= i+1，返回到第 2 步。-------------------------------------------------------------------------------------------------------通過上述算法，共平面陣列存儲相應的基準元素以對應真正的功能元素。算法流程圖如圖 4.5 所示。結(jié)合兩個階段的轉(zhuǎn)換算法，位置幾何公差可以完全轉(zhuǎn)換。黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 13 頁圖 4.5 組件位置幾何公差基準轉(zhuǎn)換的流程圖5 一個組件的例子在本節(jié)中介紹一個棱柱組件幾何尺寸轉(zhuǎn)換的例子。組件模型的使用如圖 5.1所示。通過功能轉(zhuǎn)換模塊形式開發(fā)的介紹 [19]，從組件工藝規(guī)劃應用的角度來看，是槽，盲孔，孔和盲槽功能等基本特征的復合功用。功能屬性（非幾何特征） ，尤其是模型的幾何尺寸，需要轉(zhuǎn)換，以正確描述這些加工特點。在轉(zhuǎn)換算法應黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 14 頁用到組件模型之前，幾何尺寸被提取并在表 5.1 中列出。研究發(fā)現(xiàn)，一些邊界元素的尺寸是邊緣元素并且這些都需要進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，所有與邊緣邊界元素相關(guān)的維度被轉(zhuǎn)換為面邊界元素的尺寸（如表 5.2 所示） 。圖 5.1 組件幾何尺寸轉(zhuǎn)換的例子表 5.1 功能轉(zhuǎn)換前的尺寸邊界表 5.2 功能轉(zhuǎn)換后的尺寸邊界黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 15 頁6 結(jié)論特征技術(shù)已成為應用于 CAD/ ACPP/ CAM 一體化方面重要的研究課題。由于特征的呈現(xiàn)因應用程序的不同而不同，現(xiàn)在主要未解決的問題是基于特征組件模型功能設計的完全解釋，特別是關(guān)于功能相互作用方面的問題。根據(jù)建模過程中設計功能的調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)最終的組件模型和數(shù)據(jù)庫提供的信息之間的不一致是后續(xù)應用要解決的關(guān)鍵問題。為了用大量的加工特征正確地表示組件模型，本文著重對非幾何特征的提取和轉(zhuǎn)換，也就是，幾何尺寸和公差（GD＆T ）給予了論述，從而在過程規(guī)劃建模過程中起到了關(guān)鍵的作用。在本文中，詳細介紹了 GD＆T 的功能轉(zhuǎn)換算法的開發(fā)過程。由于設計特點和加工特點之間的不同表述，一種算法的開發(fā)是為了維度轉(zhuǎn)換的邊界元素去識別過程建模元素。在特征交互的情況下，由于在數(shù)據(jù)庫中的功能信息不發(fā)生相應的變化，該算法實施檢測特征尺寸是否符合特征模型并將那些虛擬尺寸轉(zhuǎn)換為能正確地描述加工功能的實際尺寸。對于形位公差轉(zhuǎn)換，主要的任務是要找到每個組件功能相應的公差，并將設計模型中的虛擬數(shù)據(jù)元素轉(zhuǎn)換成加工應用中能識別的元素。結(jié)合[17]中幾何信息轉(zhuǎn)換的描述，加工特征可以生成符合工藝規(guī)劃系統(tǒng)要求的服務條款。通過 STEP 文件的接口，基于 CAD / CAPP 集成特征的功能可以實現(xiàn) [18]。基于 Pro / Engineer 系統(tǒng)特征可以用于建立設計模型，以及通過黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 16 頁Pro/Develop 工具在 Sun SPARC20 工作站寫入 C + +實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換算法。參考文獻[1] Shah JJ,Mantyla M.基于 CAD/CAM 的參數(shù)和特征：概念，技術(shù)和應用.紐約：威利出版社，1995.[2] Liu X.CFACA：基于設計和處理規(guī)劃特征的框架組件.計算機輔助設計 32期,2000：397-408.[3] Han J, Requicha A.CAD 模型的特征識別.IEEE Comput Graphs Appl 18，1998，(2):80-94 .[4] Gindy N, Yue Y, Zhu CF.基于組件數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建/編輯功能的自動功能驗證.研究制品 36 期，1998， （9）：2479-2495.[5] Wang H-F, Zhang Y-L，協(xié)同開發(fā)環(huán)境下的 CAD / CAM 集成系統(tǒng).Robot Comput Integr Manuf 18,2002:135-145.[6] Han J.關(guān)于特征識別 3D 幾何推理算法的論文.洛杉磯:美國南加州大學出版社，1996.[7] Yang 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