1 CAD/CAPP集成系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　1.1系統(tǒng)設(shè)計

　　很長時間以來，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交換不能實現(xiàn)，一直由人工來彌補。

　　1.1.1傳統(tǒng)利用CAD、CAPP設(shè)計方法

　　(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)計所需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)一般由人工代入設(shè)計計算公式，經(jīng)過一個復(fù)雜的計算過程計算出來。

　　②傳統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)品時，工程師一般依靠自己的經(jīng)驗設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)尺寸，而并不經(jīng)過計算。

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

　　第二種設(shè)計方法由于是根據(jù)個人經(jīng)驗來設(shè)計產(chǎn)品，又叫經(jīng)驗設(shè)計法，這種設(shè)計方法沒有經(jīng)過科學計算，其設(shè)計出來的產(chǎn)品質(zhì)量不高，有時浪費人力、物力、財力。

　　(2)CAPP工藝設(shè)計的方法

　　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)信息重新輸入計算機，而形成機械加工所需要的工藝。

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

　　1.1.2本系統(tǒng)的CAD、CAPP設(shè)計方法

　　(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)計的數(shù)學原理，通過計算機編程來實現(xiàn)計算機自行計算得出結(jié)果。

　　(2)本系統(tǒng)CAPP工藝設(shè)計的方法

　　由于傳統(tǒng)設(shè)計方法效率低下，容易出錯或信息丟失，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，經(jīng)研究，實現(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題的最好辦法。

　　筆者設(shè)計了一種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、產(chǎn)品造型和工程圖的自動繪制和工藝的自動生成。

　　圖1 CAD/CAPP集成總體設(shè)計方案

　　1.2軟件設(shè)計

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

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

　　2.1 CAD子系統(tǒng)工作過程

　　計算機輔助設(shè)計(CAD)實現(xiàn)了從產(chǎn)品的構(gòu)思到最終形成技術(shù)文件的活動，主要用于產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。

　　這種系統(tǒng)是由設(shè)計者輸入設(shè)計數(shù)據(jù)及要求，根據(jù)事先建立的數(shù)學計算原理模型及設(shè)計參數(shù)，然后由計算機根據(jù)模型里相應(yīng)的公式及標準進行計算，得到優(yōu)化好的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，可以根據(jù)需要對之進行修改，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，如果對所生成的圖形不滿意，還可以對之進行修改，達到滿意為止。

　　在集成系統(tǒng)的CAD系統(tǒng)中，人與計算機之間信息交流是通過計算機圖形系統(tǒng)，圖形是機械工程師之間信息交流的一種重要語言，是表達設(shè)計和制造信息的主要方式，計算機對圖形的處理是CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

　　2.2本CAD/CAPP集成系統(tǒng)中CAD圖形的來源

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

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

　　CAD子系統(tǒng)的設(shè)計主要是利用VC++制作界面和編寫程序來實現(xiàn)。

　　(1)變截面高速軸優(yōu)化設(shè)計計算的數(shù)學原理

　　1)最優(yōu)化參數(shù)的確定

　　本文選取軸的質(zhì)量最小為目標進行優(yōu)化設(shè)計，分別對軸的大直徑d2、小直徑d1、軸每段的長度l進行優(yōu)化設(shè)計;變截面高速軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

　　圖2變截面高速軸簡圖

　　2)目標函數(shù)的確定

　　以軸的質(zhì)量做為目標函數(shù)，則目標函數(shù)為：

　　3)約束函數(shù)的確定

　　①動力穩(wěn)定性約柬條件

　　說明：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)計數(shù)學模型的確定

　　由上面可得最優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型如下：

　　把未知條件帶入即可優(yōu)化設(shè)計出最優(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源

　　CAD系統(tǒng)部分中原有的圖形來大部分來源于經(jīng)過“優(yōu)化設(shè)計參數(shù)一調(diào)用SolidWorks繪制三維圖形→二維工程圖”這個過程設(shè)計出的圖形，是通過經(jīng)過“優(yōu)化設(shè)計參數(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，由手工畫圖存放的紙質(zhì)工程圖紙形成，這些工程圖紙對生產(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)過掃描保存電子版加入CAD子系統(tǒng)中的圖形庫。

　　2.3 CAD子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計流程

　　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;

　　(2)圖形的自動繪制。

　　工作過程為：輸入相關(guān)參數(shù)，然后經(jīng)過最優(yōu)化設(shè)計計算得到軸的最優(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)計的流程見圖3所示。

　　圖3 CAD優(yōu)化設(shè)計流程

　　2.3.1 軟件設(shè)計

　　(1)變截面高速軸基本參數(shù)輸入模塊

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

　　3 變截面高速軸CAPP系統(tǒng)部分設(shè)計

　　3.1 CAPP子系統(tǒng)工作過程

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

　　本子系統(tǒng)是一個半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng);本系統(tǒng)主要有兩個作用：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，對于以前曾經(jīng)生成過零件圖的工藝可以通過檢索式CAPP檢索得到，不再需要重新生成。

　　(1)CAPP系統(tǒng)的工作過程

　　CAPP系統(tǒng)的工作過程如下：

　　調(diào)入CAD系統(tǒng)的圖形，拾取零件圖的特征，然后通過掃描、搜索、遍歷特征數(shù)據(jù)庫，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，然后通過人機交換界面對之必要的修改，生成詳細工藝卡，生成流程見圖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)過一定的編碼規(guī)則編碼后存入本CAPP工藝庫，生成檢索式CAPP需要的工藝庫，當再需要的時候，只要輸入這個工藝卡的編碼就可以檢索出此工藝卡，當需要與此軸形狀或工藝很相近的零件的工藝時，可以檢索出后稍加修改即可使用，這樣可以節(jié)省時間，提高工作效率。

　　3.1.2關(guān)鍵模塊介紹

　　(1)工藝庫的建立

　　由上圖l可見工藝庫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)計工作，為了提高工作效率，有必要建立零件的工藝庫，在工藝設(shè)計時就可以調(diào)用該工藝庫中的工藝相似的工藝，通過人機界面來判斷是否需要修改，需要修改的，稍微修改即可使用，本工藝庫的工藝文件主要來自于半創(chuàng)成式CAPP生成的工藝文件，是通過保存半創(chuàng)成式CAPP生成的工藝文件實現(xiàn)。

　　3.1.3 變截面高速軸CAPP軟件設(shè)計

　　此模塊仍然采用人機交互方式，利用VC++對圖形輸入窗口進行制作，同樣在程序編輯模塊中添加修改程序代碼，來完成實現(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，其功能為：調(diào)入圖形，點擊“生成工藝卡”按鈕，則自動生成對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，若對生成的工藝卡不滿意，則可以對之修改。

　　4 結(jié)束語

　　筆者設(shè)計的這種CAD/CAPP集成系統(tǒng)，運用優(yōu)化設(shè)計原理實現(xiàn)圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，利用VC++對SolidWorks進行二次開發(fā)，實現(xiàn)圖形的自動繪制，設(shè)計半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)構(gòu)成本CAD/CAPP集成系統(tǒng)的CAPP子系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝卡的自動生成，本系統(tǒng)節(jié)省設(shè)計時間，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，提高了實現(xiàn)零件的自動化設(shè)計的水平。